岳 斌，郑伯坤，孙文杰，邓高岭，黄腾龙，尹旭岩



低倍线高浓度充填料浆增阻圈增阻减压研究*

岳 斌1，郑伯坤2，孙文杰1，邓高岭2，黄腾龙2，尹旭岩2

(1.金川集团股份有限公司 镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌市 737100；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

深井开采矿山，由于充填倍线较小，垂直管段产生的势能大于沿程阻力损失，将产生剩余压头问题。剩余压头导致系统无法满管输送，加剧充填管壁磨损，导致管道输送处于极不稳定的状态，使充填系统无法正常运行。因此，开展低倍线高浓度充填料浆增阻圈增阻减压研究，实现深井充填系统的满管流输送，对于降低管道冲击磨损、保障矿山正常生产，具有非常重要的工程意义。

低倍线；高浓度；增阻圈；增阻减压；管道输送

金川公司二矿区开采深度超过1000 m，属深井开采，主要采用膏体充填处理采空区。由于膏体料浆长时间摩擦管壁，管道磨损严重甚至磨穿管壁，导致部分浆液外淤，管道卸压会导致堵管事故的发生，堵管次数随着管线的磨蚀呈上升趋势。为了保证深部充填管路系统安全，保证充填料浆均质流流态的满管输送，使充填垂直管道的使用寿命提高20%以上，金川公司与长沙矿山研究院有限责任公司联合开展了低倍线高浓度充填料浆增阻圈增阻减压研究。

1 增阻圈作用原理

由于金川公司二矿区自流输送系统将充填钻孔及井下管网与搅拌桶连成整体，并由搅拌桶底流阀调节搅拌桶料位，即采用自平衡自流输送系统，在978 m水平最远处Ⅲ盘区充填时，在充填料浆浓度为79%的条件下，充填料浆流量达161.62 m3/h，而实际生产过程中，料浆制备输送能力为100 m3/h左右，如2010年7月31日13:00，二期充填站2#自流系统仪表各显示参数为：棒磨砂给料量140.15 t/h，水泥给料量42.16 t/h，供水量29.18 t/h，搅拌桶液位1.5 m，料浆浓度78.28%。根据上述仪表显示值反算可得出充填料浆流量为105.75 m3/h，棒磨砂含水率11.96%，实际灰砂比为1:2.93。

实际生产中料浆流量为105.75 m3/h，远小于理论分析计算的161.62 m3/h，但充填系统仍平稳运行并顺利输送的原因为：搅拌桶底流阀的节流作用、增阻圈的增阻作用及井下弯管、变径管的局部阻力增大了料浆的输送阻力。输送阻力的增大，使料浆流速降低、流量减小，在充填料浆流量为100 m3/h左右亦能实现满管流顺利输送。

搅拌桶底流阀的节流增阻作用如前所述，充填系统运行过程中，底流阀开度根据搅拌桶液位高度而定，其开度一般为35%～45%，相应的其过流面积为阀全开面积的35%～45%。由于过流面积突然缩小，充填料浆在该处流向突然发生变化，流速提高2.22～2.86倍。在充填料浆流量100 m3/h时，通径为110 mm的管道其料浆流速为2.924 m/s，而通过该阀时流速达到6.49～8.36 m/s，其节流作用十分突出，从而产生很大的局部阻力。

增阻圈为多个通径为110 mm的90°弯管及短直管组成的半圆形或圆形管道，布置于钻孔底部或水平管道中。充填料浆通过弯管时，流向急剧变化，从而产生较大的局部阻力，多个弯头的组合作用，产生很大的局部阻力，同样使料浆流速降低、流量减小。

2 增阻圈的管道压力分布

增阻圈的结构较为简单，其材质与水平管相同，通径同为110 mm，充填料浆流经增阻圈时，其流速不变，从而使其磨损较节流阀大为降低。

增阻圈的布置形式有多种，如驼背式、折返式、螺旋式等。金川公司一般采用为折返式及螺旋式，折返式增阻圈布置于1600 m水平A2钻孔组的上部，其实际布置情况见图1。螺旋式布置于1100 m中段钻孔底部，如图2。

增阻圈由8个(2圈)或12个(3圈)半径为1 m、角度为90°的等直径Φ133 mm×11.5 mm刚玉复合耐磨管组成。根据国内外生产实际经验，每一个90°弯管折合水平管当量长度为15 m，即相当于水平管道各增长了120 m或180 m。当充填料浆浓度为79%、不考虑搅拌桶底阀节流作用且为自平衡输送时，管道输送参数及压力计算结果见图3。

图1 1600 mA2钻孔组上部增阻圈管道

由图3可知，增阻圈相当于加长了水平管道长度，从而增加了输送阻力，降低了充填料浆流量。在不考虑搅拌桶底流阀的节流作用时，实现自平衡输送的流量由161.62 m3/h降低至133.43 m3/h，流速由4.724 m/s降至3.902 m/s。由于流速降低，输送阻力值由5.043 kPa/m降至4.21 kPa/m，而各分段钻孔底部压力变化不大。

图2 1100 m钻孔底部增阻圈管道

图3 加设增阻圈后的输送参数及管道压力(79%浓度)

实际生产过程中，增阻圈的增阻作用还可减弱搅拌桶底阀的节流作用，底阀开度可进一步加大，磨损将更小，从而有利于实现平稳的满管流输送。

3 增阻圈布置原则

增阻圈只能布置于自流输送系统且充填倍线较小的情况下。设置增阻圈的目的是增大充填料浆的水平输送阻力，降低料浆流速，在实现满管流的条件下使充填料浆流量处于合理范围。当采用泵送充填或充填倍线较大时，增阻圈将增大泵送阻力或导致充填料浆流量不能满足生产要求，所以不能采用。

增阻圈是否设置与设置圈数取决于充填料浆浓度。尽量提高充填料浆浓度是充填技术发展的目标。当充填系统能制备出呈膏体或结构流浆体的条件下，自流输送系统应尽量利用其自重压头以克服水平管道阻力。只有在充填料浆自重压头过大、水平管道长度过小从而出现高度较大的自由下落段时，才有必要设置增阻圈，增阻圈的圈数亦需通过理论分析计算及生产实践而调整优化。

增阻圈应设置于水平管道较短的中段水平并尽量靠近竖管。充填管道阶梯型布置时，阶梯越平缓，管道压力分布越均匀；分段越多，压力越小。若某一阶梯竖管段过高且水平段较小时，则竖管段底部压力较大，这时一方面应降低竖管段高度，另一方面则应在水平管段加设增阻圈，使阶梯变缓，从而降低竖管段底部压力。增阻圈应尽量靠近竖管底部，以减少压力较高的水平管长度。

增阻圈布置后应使当量管网布置图处于充填料浆入口至出口的折线下。当未设置增阻圈时，由于竖管段高度过大、充填倍线较小，竖管段易出现空管，空管段料浆自由下落时流速过高从而使竖管磨损过快，这时需在水平管段设置增阻圈。合理的增阻圈布置如图4，根据各水平管道长度设置不同圈数的增阻圈，从而使分段阶梯充填倍线近似相等，同时使各当量充填管网布置于料浆入口A与出口G′的连线之下，这时不但可实现全程管道的满管流，使全程管道压力分布均匀，同时各分段竖管底部压力亦近似相等。不合理的增阻圈布置如图5，在某一水平(BC″)布置多圈增阻圈，从而使BC″当量水平管道长度过大，B点出现较高压力，而在DE″水平段不设增阻圈，从而使C″D竖管段可能出现空管段，并于C″点处出现负压。

图4 合理的增阻圈布置形式

图5 不合理的增阻圈布置形式

4 结 论

增阻圈的布置形式有多种，如驼背式、折返式、螺旋式等。实际生产过程中，增阻圈的增阻作用还可减弱搅拌桶底阀的节流作用，底阀开度可进一步加大，磨损将更小，从而有利于实现平稳的满管流输送。增阻圈只能布置于自流输送系统且充填倍线较小的情况下，增阻圈是否设置与设置圈数取决于充填料浆浓度，增阻圈应设置于水平管道较短的中段水平并尽量靠近竖管。

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镍钴资源综合利用国家重点实验室资助项目(金科矿2017-01).

(2018−08−07)

岳 斌(1964—)，男，甘肃陇西人，教授级高工，现从事采矿技术研究工作，Email：646127125@qq.com。