深井充填管道系统关键技术探讨赵彬，徐克创中国五矿集团公司五矿勘查开发有限公司，北京，100044摘要：为了获得稳定的深井充填管道系统，对管道磨损机理、堵爆管机理及防治技术措施进行深入研究。结果表明，竖直管道非满管流是造成管道磨损的重要原因，且空气与料浆交界面处磨损最为严重；固体物料颗粒垂直脉动速度分量小于固粒的干涉沉降速度是导致堵管的必备前提，由于管道某部位瞬时淤塞而引发上游浆体产生压力波水击和竖直管道与水平管道连接处因速度变化形成负压而产生的真空弥合水击极易导致爆管。同时，提出变径满管流输送技术等7种降低磨损技术和高分子溶液减阻等7种减阻技术。关键词：深井充填管道；磨损机理；堵爆管机理；降低磨损；减阻技术中图分类号：TD235.4文献标识码：A文章编号：0引言随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源勘探力度的加强，我国将步入深井开采国家行列，如胶东新城、夏甸等几个百吨以上的大型金矿都是在500m以下的第二富集带，山东新矿集团孙村煤矿、安徽冬瓜山铜硫矿、甘肃金川镍矿等开采深度已经超过或接近1000m，长江中下游近期勘探发现的泥河铁矿-650m见矿，设计开采深度达1070m。充填采矿法能够有效解决深井岩爆、岩层冒落，地表尾砂、矸石废料堆放污染等问题，且提高深部资源回收率30%，已成为深井开采最安全、回采率最高、环保效益最强的方法[1-3]。对于深井充填矿山而言，稳定的充填管道系统是必不可少的前提。目前，我国面绝大多数深井开采矿山充填均采用管道自流输送技术，如金川镍矿、冬瓜山铜矿、开阳磷矿、孙村煤矿等。由于深井充填垂深大、倍线小、管壁所承受的静压增大，管道磨损极为严重，管道强烈振动，甚至造成堵爆管现象[4-5]。因此，研究深井充填管道的磨损和堵爆管机理，解决相应的技术难题，对于保证深井安全、经济、高效生产具有重要的理论意义和实际应用价值。1管道磨损机理及降低磨损技术充填管道主要包括充填钻孔内竖直管道和充填巷道内的水平管道。大量现场调查及理论研究表明，充填钻孔内竖直管道最易发生冲击磨破，影响整个充填系统稳定性；而水平管道仅发生较小程度磨损，且通过定期翻转，可有效延长水平管道使用寿命。因此，文章对竖直段管道进行深入研究。1.1磨损机理自流充填系统中，料浆流动的动力来自料浆在垂直管段产生的静压头。假设某充填系统管道直径不变，垂直高度为H，水平管长L，料浆体重，摩擦阻力损失i，则料浆的输送有下面3种情况：当时，料浆的压头不足以克服其沿程阻力损失，系统处于不能流动或堵管状态；当时，料浆的压头正好平衡掉其沿程阻力损失，系统处于满管流动状态；当时，系统中料浆自然压头过剩，垂直管段上部处于自由下落流动状态。为保证有充足的自然压头促使料浆顺利流动，国内外大部分细砂管道胶结充填矿山，料浆在垂直管中的运动状态均为自由下落输送；前两种状态较少，甚至没有。充填料浆进入垂直管道在重力作用下自由下落，直至到达空气与砂浆的交界面，即在垂直往下给料的管道中有两种运动状态：上部为自由降落段、下部为满流段(非满管流)，如图1。1）自由降落段料浆输送由上面分析可知，在自由降落段，料浆主要做自由落体运动。由于自由下落输送的存在，在生产实践，尤其是深井充填实践中，竖直充填管道不可避免地发生以下磨损甚至破裂现象：（1）在自由下落带中，料浆的最终速度很高，可能达到50m·s-1或者更高，高速流动的料浆向管壁迁移冲刷导致管路的高速磨损，如果垂直管段带有偏斜，管路的局部磨损将更加严重[6]；（2）料浆在空气—料浆交界面因碰撞产生的冲击压力是巨大的，这种巨大的冲击力可导致管路的破裂，减小冲击力的最好办法是缩短以至消除料浆的自由降落区域，这样可降低料浆的最大自由下落速度，避免巨大冲量的发生；（3）由于在垂直管段，料浆存在着自由降落区域，给垂直管和水平管的交界处产生了巨大的压力，同时由于此部分料浆的流向发生突然的转变，料浆对管壁的法向冲击力非常大，因此加快了管道的局部磨损，管壁穿孔现象十分严重[7]。L充填料浆自由落体区空气—料浆交界面H2满管输送区压力分布流量Q/m3·h-1H1图1管道自流输送系统2）满管流段料浆输送在满管...