深井充填管道输送技术课件.ppt

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深井充填管道输送技术第一节　深井环境下充填的特殊性第二节　深井充填材料选择及配备第三节　管输充填料浆特性与水力计算第四节　深井充填管道输送系统选择第五节深井满管流输送技术第六节深井管道输送系统减压方法第七节管道磨损机理与降低管道磨损技术 第一节深井环境下充填的特殊性一、矿床开采面临的地压问题，按开采深度分类：(1)小于300m称浅井开采。在此深度内采矿时，一般地压显现不严重，即使发生地压活动，也属静压问题，易于处理；(2)300~800m称为中深井开采，在掘进或开采过程中，可能发生轻度岩爆，如岩石弹射等现象；(3)800~2000m为深井开采，在此深度内具有二类变形特征的岩石会发生频繁的岩爆，影响作业安全；(4)大于2000m为超深井开采。 二、充填采矿法用于深井开采的特殊性：1.深井地压高，岩爆剧烈，充填能减缓，选择低成本、高质量充填体2.充填倍线(充填管路总长度与充填管路入口至出口的高差)之比小(1.2~3)，对输送高浓度浆体有利，研究高浓度浆体管道输送特性3.必须实现高浓度充填浆体的自流管道输送，研究深井两相流输送技术4.料浆在输送过程中，流速大，对管道形成较高的压力，因此必须解决系统减压问题5.料浆运行速度高，对管道垂直段产生严重的冲击磨损，开发与完善满管流输送技术 第二节深井充填材料选择及配比深井矿山充填体同时担负着支撑围岩、传递应力、控制岩爆、隔绝地热等多重作用，对充填材料要求更加严格。充填材料包括胶结剂、骨料、化学添加剂等。最常用的胶凝材料是普通硅酸盐水泥。由于胶结充填材料成本中，水泥费用占将近60％~80％，因此降低胶结充填成本的一个重要途径就是寻找水泥替代品，以降低水泥消耗。国内外的研究及应用实践表明，冶炼厂水淬炉渣、火力发电厂粉煤灰、铝厂赤泥，都是性能良好的水泥替代品。尤其是粉煤灰，除了可部分替代水泥降低充填成本外，还可以改善浆体流动性能、提高浆体悬浮性，因此应用更为广泛；深井充填骨料主要是块石、尾砂及其他工业废料如磷石膏、煤矸石等；外加剂是一种除了用作混凝土或砂浆组分的水、集料、水硬水泥和纤维加强物以外的材料，其主要作用是提高浆体的流动性能和硬化体的物理力学性能及耐久性。 粉煤灰是从燃煤粉的热电厂锅炉烟气中收集到的细粉末，也称为飞灰(flyash)，其成分与高铝黏土相近，主要以玻璃体状态存在。粉煤灰的物理性质表现为颗粒形状、密度、容重和细度。其颗粒多呈球形，表面光滑，色灰或浑灰。粉煤灰的化学成分因煤的品种和燃烧条件而异。粉煤灰的活性主要与SiO2、A12O3及Fe2O3的含量有关，烧失量主要与含碳量有关。粉煤灰的活性是以火山灰的活性来表示的，它主要取决于化学成分、玻璃相的含量、细度、颗粒形状及表面状态等。一、粉煤灰 ①水泥水化产生Ca(OH)2(简称CH)，粉煤灰表面形成水膜；②CH在粉煤灰表面上结晶发育，形成碱性薄膜溶液；③粉煤灰表面被碱性薄膜溶液腐蚀，发生火山灰反应；④随着养护龄期的增长和水分的不断供给，碱性薄膜溶液在粉煤灰表面继续存在，并透过水化物间隙进一步对粉煤灰腐蚀，直到粉煤灰中活性矿物成分完全水化。粉煤灰在水泥砂浆中的水化反应过程： 从照片可以看出，水泥、粉煤灰、煤矸石硬化浆体中粉煤灰玻璃微珠已形成一定量的C-S-H凝胶。对水硬期硬化体进行EDA分析表明其中钙的成分明显增多。 水泥、粉煤灰、骨料的水化作用机理表明，粉煤灰在初期阶段(14天以前)几乎不发生作用，粉煤灰在充填体中的主要作用是提高充填体的后期强度，因此，特别适合于对早期强度要求不高的嗣后胶结充填。 国内有色矿山与黄金矿山的选厂尾砂，其密度一般为2.6~2.9t/m3。不同矿山的全尾砂，其粒级组成不尽相同。由于不同矿山充填工艺和充填体强度的不同要求，常常要对不能满足生产条件的全尾砂进行相应的分级处理。对尾砂分级的指标通常以37um或74um为界限，但各矿山也可以根据自己的实际情况和生产条件具体确定。二、分级尾砂和全尾砂 三、充填料的配比充填料配合比的选择，应遵循以下几点基本原则：(1)选择合理的充填材料(2)满足输送工艺的要求(3)充填成本最低(4)配合比及制备工艺简单(5)充填体强度必须满足采矿工艺的要求 混凝土外加剂在20世纪30年代由于解决了道路的路面损坏问题，首先在美国得到了成功应用，并在60年代得到较快发展。在混凝土中的应用已十分广泛，如减水剂能够改善混凝土的流动性，可以帮助配置高强度混凝土；速凝剂可以将混凝土的凝结时间缩短至数秒之内，可用于配置快硬混凝土；缓凝剂可将混凝土的凝结时间延长至数小时，用于配制长距离输送混凝土；还有早强剂、塑化剂、泵送剂、防水剂、抗冻剂、起泡剂、阻锈剂、着色剂等。四、化学外加剂的应用 第三节　管输充填料浆特性与水力计算一、充填料浆特性在水力计算中，料浆特性主要包括：料浆配合比、浆体密度、在作业温度下输送流体的密度和黏度、料浆的体积浓度等。 充填骨料的悬浮条件固体物料的悬浮条件按下式进行判定：式中——固体颗粒的沉降速度；——垂直脉动速度均方差，依下式计算：——一料浆的输送速度，m/s；——一摩擦阻力系数，可按尼古拉兹公式计算： ——摩擦阻力系数，可按尼古拉兹公式计算：——管路敷设质量系数，通常取1~1.15；——管路接头系数，通常取1~1.18；——管壁绝对粗糙度；——u与v之间的相关系数；k——试验常数，通常取1.5~2；y——固体颗粒距管道中心的距离；r——输送管道的半径。 料浆配合比对管道输送性能的影响定性评价如下：①增大料浆灰砂比，即增大料浆的水泥含量，有利于减小水力坡度。②为使所有固体物料悬浮，需克服固体颗粒的重力所消耗的能量也相应增加，因而使压头损失增加，水力坡度增大。③高效减水剂可以大幅度提高充填料浆的浓度。 料浆密度按照配合比计算的公式为Gi——一充填各材料(如水泥、粉煤灰、骨料)单位体积耗量；——各充填材料的密度。 输送介质的相对黏度可依据托马斯方程求得：式中——浆体黏度；——一悬浮介质(水)的黏度；——一水泥浆体积浓度；k，B——一固体物料特性系数；对水泥分别可取0.00273及16.6。 充填料浆的体积浓度(mt)是单位砂浆体积内固体物料体积所占的百分含量。在几乎所有的水力坡度计算公式中，料浆的浓度都使用体积浓度，因此有必要对其进行单独说明。对体积浓度的计算，通常使用以下两种方法。料浆体积浓度 第一种是密度(或比重)算法：式中——砂浆密度；——水的密度；——固体密度。当料浆内有多种固体物料，其密度的计算通常采用平均算法，即 第二种是配合比算法：式中Gi—一单位体积物料用量；Go—一单位体积水的用量；其他符号意义同前。 二、水力坡度某一压力作用下，浆体在管道中的流动必须克服与管壁产生的摩擦阻力和产生湍流时的层间阻力，统称摩擦阻力损失，也即水力坡度。影响水力坡度的因素很多，主要有固体颗粒的粒径、粒级组成不均匀系数、物料密度、浆体流速、浆体浓度、黏度、温度、管道直径、管壁粗糙度以及管路的敷设状况等，其中流速的影响程度最大，浓度次之。 流速对水力坡度的影响 物料粒径对水力坡度的影响 管径对水力坡度的影响 管壁粗糙度对水力坡度的影响 管道其他因素对水力坡度的影响：管道的材质对水力坡度也有很明显的影响，如高碳钢管路的摩擦损失大于低碳钢，这点已经取得大家的共识。管路的敷设如法兰盘的连接，是否保证管心对准等，会影响料浆的阻力损失。在充填系统中，弯管数量的增加也会增加料浆的水力坡度。 三、充填料浆水力坡度的计算公式的选取两相流输送理论是在紊流理论的基础上发展起来的，至今还没有形成完全阐明两相流本质的完整理论。日前流行的有扩散理论(只适用于dg≤0.25~2mm的细颗粒情况)、重力理论和扩散-重力理沦(适合于平均粒径大于5mm的情况)。 金川公式金川公式是在对大量棒磨砂胶结充填料浆进行试验的基础上，通过对试验资料总结和归纳整理，并经过对数变换，使曲线直线化推导出来的，之后用国内外的一些实测数据和其他公式的比较进行了校验。实际经验证明，金川水力坡度计算的经验公式，相对误差较小，可以作为水力输送固体物料的设计计算公式。 瓦斯普(Wasp)“复合系统”的计算法瓦斯普认为复合系统的水头损失是各粒级组成的载体部分与剩余固体颗粒的非均质部分，在管道输送中各自产生的水头损失之和。 实践表明，按瓦斯普“复合系统”计算的水力坡度值偏大，因此对公式应进行修正①固粒有抑制紊流的作用，摩擦阻力会减小，因此f应乘以0.85；②对载体的判别不用m/mc＝1，而用瓦斯普提出的m/mc≥0.8来定义均匀悬浮体；③m/mc计算式中的卡门常数K，取值不是0.4，而是0.347；④从穆笛图查到的范宁摩阻系数f，应乘以修正系数0.884。 第四节深井充填管道输送系统选择近20年来，浆体管道输送的试验研究特别是高浓度管道自流输送工艺技术，取得了长足的进步和发展，管道输送技术已成为国内外矿山企业充填的主要工艺。在深井开采时主要选择与应用的充填系统：（1）细砂管道自流输送系统、（2）膏体泵送充填系统（3）正在开发完善之中的膏体自流充填系统， 系统主要构成包括原料供给及浆体制备系统和浆体输送系统。原料供给及浆体制备系统大都位于地表，主要由原料、浆体制备和计量控制三部分组成。浆体充填料的制备，主要是通过强力搅拌桶来完成骨料和胶凝材料的混合搅拌。浆体输送系统一般由竖直管(钻孔或管道)，水平管及各弯头、变径管、接头和三通组成，竖直管一般为管径较大的无缝钢管、陶瓷复合管，水平管的主管路多为管径稍小的无缝钢管，采区分支管路多为高强度塑料管。 膏体泵压输送技术克服了以往管道充填材料输送技术的缺陷，如：(1)料浆的输送浓度受到限制(2)充填成本高。(3)料浆离析分层严重。(4)矿山的排水排泥费用增加。(5)尾砂的利用率低。 膏体泵压充填系统的主要缺点是：(1)系统的基建费用高。(2)对料浆质量要求严格。(3)系统具有很高的技术含量。(4)两段泵压输送，增加了系统操作的复杂性。 该系统能否正常运转，取决于以下控制性因素:(1)充填材料中≤0.046mm细颗粒含量不能过高，必须保持在20％以下(2)充填材料质量浓度必须准确控制在一合理范围内。(3)充填材料各组分的用量要严格控制(4)料浆制备时，必须控制好搅拌质量(5)系统要求对管路进行精确、严格、自动地监测和控制(6)充填前，要准确了解充填量，充分考虑地表储料仓中的部分料浆，不能过量制浆 充填系统的选择应遵循以下基本原则：(1)确保生产安全。(2)充填能力大。(3)系统简单。(4)基建和经营综合费用低。(5)系统运行可靠。(6)有利于环境保护。 第五节深井满管流输送技术自流充填系统中，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，则料浆的输送有下面三种情况：(1)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；(2)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；(3)当时，系统中料浆的自然压头过剩，垂直管段上部处于自由下落流动状态。 自由下落输送系统存在以下缺点(1)在自由下落带中，砂浆的最终速度很高(2)料浆在空气与砂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(3)由于在垂直管段，料浆存在着自由降落区域 满管流工作原理当料浆的自然静压头正好等于料浆沿管道的摩擦阻力损失时，系统处于满管流动状态，满流平衡输送系统可使空气-砂浆界面保持在垂直管道顶部。 满管流动系统的最大优点是，管道局部冲击磨损率大大降低，从而管道破损减轻。满流系统管道的磨损平整均匀，磨损率较低，而自由下落系统管道的磨损极其剧烈，往往会无规律出现，形成沟槽磨损形状，这些沟槽破损往往会导致管道裂口式损坏。一般来说，深井矿山的有效静压头远远大于摩擦损失，因此获得满管流动系统应该从增大料浆沿程阻力损失、采用变径管输送、系统中添加耗能装置等多方面人手。 为了耗散垂直管道产生的剩余静压头，可采取变径管输送系统。其目的是将垂直或水平管道的直径减小，以增大料浆通过此部分的摩擦阻力。如果将水平管道的直径减小，就可获得高压满流输送系统，如果将垂直管道的直径减小，就可获得低压满流输送系统。 变径管满流输送系统原理：(1)对于水平管段，不同管径随流速的压头损失见图8-15中的系统曲线。 ①充填料浆在垂直管道中产生的静压头足以克服以上两个不同管径的摩擦损失，因此都能够使料浆以某一稳定的流速流动；②对一定的流速Q而言，小直径管或长管道会形成较陡的系统曲线，因此要求垂直管道提供较高的静压头，从而形成较高的压力；大直径管或短管道会形成较缓的系统曲线，因此垂直管段提供较低的静压头足以克服阻力，故形成较低的压力。 (2)垂直管段提供的静压头相当于离心泵的作用 ①随着垂直管段的流速逐步提高，消耗于垂直管道的压头也在逐渐增大，导致分配到水平管道的压头逐步减小；②如果流速不断升高，垂直管道产生的静压头全部被本部分管道的摩擦阻力所消耗，此时的流速为“极限流速”，即为图8-16中的Q1点和Q2点，可见垂直管道直径越小，则到达极限流速的流速越低，反之则越大；③将“泵”曲线和“系统”曲线结合起来，形成了一个组合系统见图8-17。 ①水平管段内的摩擦会引起充填料浆的空气-砂浆界面回行到HB的高度；②最高压力为HT；③就流速QB而言，起离心作用的泵曲线处在C点。但是这种关系并不存在，因为一旦存在自由下落状态时，充填料浆的流动不再是连续的，一般的摩擦流动关系就不成立。可用压头的其余部分消耗于垂直管道自由落体部分的湍流方面，因此导致磨损形式不规则，磨损速率很高。④如改变垂直管或水平管直径，则起离心泵作用的“泵”曲线和系统曲线的斜度都会发生变化，如图7-18所示。当流速为QB时，存在以下物理状态： 在由小直径垂直管道和大直径水平管道组成的系统中，大部分可利用的静压头都消耗在垂直管道的摩擦阻力损失方面(在平衡点A)。消耗在水平管道方面的压头很小(HA)，因而导致在水平管道方面的系统压力低，流速适当。在由大直径垂直管道和小直径水平管道组成的系统中，料浆的静压头几乎没有消耗在垂直管道上面(在平衡点B)。消耗在水平管段的压头很高（HB）,因而导致在水平管段的系统压力和流速都很高。 变径满管流输送方案 地表给料装置改进的方法大致如下：(1)在地表垂直管道(或钻孔)附近设置一个地表储料槽；(2)从地表储料槽到垂直管道安装大直径输送管，内径一般为垂直管道内径的两倍；(3)将大直径管道直接与储料槽相接，无需歧管或锥形漏斗； (4)该大直径管用大半径弯管与井筒中垂直立管连接，大直径管要敷设到井筒或钻孔内，其长度至少为一节立管的长度；(5)用70°变径接头将大直径管与井筒立管或钻孔连接(使料浆从大管到小管过渡段的湍流现象减到最小)；(6)确保管道内无阻碍物；(7)确保管道安装的垂直度，处于一个同心线上，在全流程都是下行流动，使弯管数量减到最小。 第六节深井管道输送系统减压方法当深井矿山的垂直高度很大时，料浆过高的压力不利于充填系统的使用寿命，因此必须对输送系统进行减压。减压输送系统的核心技术问题是解决高差引起的高压问题，因此解决途径只能从系统入手。解决高压问题的途径只有减小充填料浆的浓度，这种技术措施除了在废石胶结充填系统中可以考虑外，在其他自流系统中都是一个不能接受的选择。 采用地下储砂池减压，具有下列优点：(1)可以使垂直管道的管径增大，有利于保证矿山的充填量，同时可以大大减少管线的数量；(2)在管路堵塞时，产生的最大静压头较小。 管道折返式减压是通过限制垂直管道的长度、添加水平管长度来达到降压的目的。由于料浆在离开中段水平管时，还有一定的速度，具备一定的能量，因此其减压效果不如储砂池降压方法。在矿山中段没有废旧巷道可以使用的条件下，特别是新建矿山，不主张使用这种降压系统。 阻尼节流孔减压系统 在恒定的流速下，对于某一给定流速的限制，其压差是由压力计根据各测压孔的位置而限定的。如果管道内径为D，则通过测压孔2.5D(上流点)和8D(下流点)的压力差的测量，显示恒定的或系统的压力损失。测压孔1D(上流点)和1.5D(下流点)之间的压力差，显示了充填料浆通过阻尼孔的压力损失。 阻尼孔可以用于形成不连续管柱或用于消耗单位管长的全部过剩能量，见图8-23。 为了形成不连续垂直管浆体柱，采用阻尼孔可以限制浆体自由下落的速度，使其达到相对来讲可以接受的程度。阻尼孔有两种布置方式，第一方案为在达到最大自由落体速度的距离内放置阻尼孔，第二种方案是阻尼孔装置间隔布置 采用第一种方法可以限制最大自由落体速度，但不完全消除自由落体。假如阻尼孔沿管路布置不合理，将会出现更多的问题。采用第二种方案时料浆的流动形式是较为理想的，但阻尼孔的尺寸必须认真选择，以确保每一部分(一般指阻尼孔之间距离的管道长度)总的永久阻力损失等于该部分可形成的自然压头。 阻尼孔装置应设在垂直管路中足以保证浆体顺利通过水平管路的垂直浆体柱的上方。该类系统的压力剖面如图8-24所示。 滚动球阀门和比例流动控制阀减压系统滚动球阀门(RBV)内含有一组直径大约为20mm的陶瓷球，这些球均被装入缸体中。然后在坑内充填管线的不同位置安装这些阀门。这种装置将使浆体产生高压力降，从而形成充填料浆的满管流动状态 对于要求达到满管流动状态的充填系统，采用流量协调控制阀也可调节或消除浆体特性变化带来的影响，其结构如图8-26所示。 流量比例控制阀主体部件是带加强筋的柔性管道。该管道被安装在充满油且带压力的箱体内，整个箱体连接在充填料输送系统上。管道形状随筒式滚柱位置的不同而变化，筒式滚柱的运行路线由导向槽限定。橡胶管衬于箱体内壁，由于柔性管道具有高压下任意变形的特征，因此可通过施压于内部系统达到充填系统的压力值来补偿调整。据预测，该阀门可使流动速度得到有效控制，且速度调解变化范围幅度大，同时也可使流速保持最低。 孔状节流管减压系统 其使用方法是，将孔状节流管套入充填管道内，依据其消耗的能量，调整互相之间的间距，使充填料浆的流动达到满管流动状态。孔状节流管从一定的程度上克服了普通节流管和阻尼孔等耗能装置，当料浆通过之后在其下方形成自由落体区域的不足，同时增大了管壁的粗糙度，因此消耗的能量更多。其优点是使用方便、灵活，缺点是节流管本身的磨损大，使用寿命短。 缓冲盒弯头减压系统缓冲盒弯头不能起到降压的效果，但是它可以降低由于高压带来的垂直管和水平管连接处管道的高速磨损。 第七节管道磨损机理与降低管道磨损技术通过对已有管道磨损资料的分析总结，影响管道磨损的主要因素包括：(1)充填料浆因素。(2)管道因素。(3)充填倍线因素。 管道磨损料浆输送速度:巴洛从压力角度给出管壁许用厚度的计算公式：式中p——压力；——管道外径；S——横向应力。 如果管道的磨损率用表示，依据南非等国家趋于一致的一种看法，与料浆流速之间的关系可写成：式中k——磨损试验常数；v——料浆流速，m/s；n——流速影响指数。 设系统的最小服务年限为T，管壁的原始厚度为B，则有：则可圈定出磨损量要求的料浆最高流速：或 利用上式过程中过程中应注意以下几点：(1)如果圈定的料浆流速v很大，则可以放宽对管道耐磨性的要求，选择造价相对较低的充填管；(2)如果圈定的料浆流速过低，说明系统处于高速磨损状态，应提高管道的抗磨损能力或采取其他减小管道磨损的技术措施；(3)圈定的料浆流速应等于或接近于按充填能力圈定的流速，此时，系统运行中管道磨损将处于可接受的状态，即稳定状态；(4)此公式应用于满管流输送系统，其最大速度指料浆的输送速度；应用于自由下落输送系统，最大速度指浆体在自由下落带中料浆的终端流速。 耐磨管道选择使用最多的耐磨管及衬里种类大致如下：①合金钢管；②组合钢管；③感应淬火硬质钢管；④带有外钢套筒的高密度聚乙烯管道；⑤由环氧树脂中带氧化铝珠组成的陶瓷衬里；⑥由整体氧化铝套组成的陶瓷衬里；⑦聚氨酯衬里；⑧铸石衬里；⑨橡胶衬里；⑩锗石衬里等。 耐磨管选择时应考虑的因素①充填料浆因素。②充填系统因素。③系统服务年限因素。 降低管道磨损技术(1)降低料浆对管道的磨蚀；(2)提高管道自身的抗磨腐能力；(3)采用满管流输送系统，降低垂直管道中料浆对管壁的冲击力；(4)采用降压输送系统，降低料浆对管壁的压力；(5)在水平管段，将充填管定期翻转，可以延长管道寿命；(6)提高垂直管道的安装质量，减少管道的倾斜及非同心程度； (7)充填倍线较小的矿山，要设法降低料浆的输送速度，减小对管道的磨损；(8)在磨损率高的弯管部分，应采用丁字管或缓冲盒弯头，避免料浆对大直径弯管外半径磨出的窄长槽；(9)全面提高钢管衬里的制造质量，确保衬里质量和涂层质量，防止衬里松脱随料浆一起流出，起不到保护管道的作用；(10)使用中性水制备充填料浆和冲洗管道，避免使用矿井水。矿井水一般都有很强的腐蚀性，对无衬里钢管的腐蚀损失要比砂浆对管道的摩擦损失量要大得多。