充填钻孔内管道磨损的影响因素及保护措施-图文(精).doc

第卷第期年月矿冶工程充填钻孔内管道磨损的影响因素及保护措施王贤来”，郑晶晶，张钦礼，王新民（中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙；金川集团有限公司，甘肃金昌）摘要：针对充填钻孔内管道磨损导致钻孔报废的问题，调查了金川矿区充填钻孔的使用情况，根据破损报废充填钻孔的统计参数，发现充填钻孔内管道磨损的影响因素有：充填料浆特性、管道直径、钻孔偏斜率、管道材质、管道安装质苣、充填倍线及钻孔级数等。探讨了充填钻孔内管道局部严重磨损的原因，提出了钻孔内管道严重磨损深度位置的确定方法以及延长充填钻孔使用寿命的措施，为深井矿山充填钻孔设计维护提供了理论依据。关键词：充填钻孔；充填料浆；钻孔寿命；防止措施中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；随着浅部资源日益消耗，矿产资源开发向深度推进已成趋势，国外最大开采深度已超过，我国不少矿山开采深度也已接近或超过，进入深井开采行列。深井开采固有的高应力、高地温、高岩石自爆风险，使胶结充填成为首选的采矿方法。采用充填采矿法充填时，充填料一般通过带有套管的垂直钻孔和井下管道系统，利用自流或加压输送方式输送到充填工作面，因此，充填钻孔是充填料浆从地表输送到井下采场的咽喉工程，一经破坏，轻则造成钻孔堵塞，重则使整条钻孔报废，影响矿山正常工作。由于钻孑内充填管道输送的是粒径相对较粗、磨蚀性较强的充填料浆，容易因固体颗粒冲击磨损造成破坏【“。钻孔内充填管道磨损会导致充填钻孔的破坏，是充填采矿法面对的难题。研究充填钻孔内管道的磨损机理，有针对性地采取措施，延长充填钻孔使用寿命，保证充填系统正常运行，有非常重要的意义。目前，国内外对石油、天然气等输送管道磨损问题研究得较多。钻孔内充填管道与石油、天然气输送管道相比，其破坏形式有本质的区别曲。前者主要是冲击磨损破坏，而后者主要是腐蚀破坏。因而，石油、天然气等输送管道破损的研究成果并不能完全适用于钻孑内充填管道。为此，本文对金川矿区充填料浆特性、钻孔施工质量、钻孔使用寿命、钻孑破损状况等进行了调查分析，探讨了充填钻孔内管道磨损的影响因素，提出了降低管道磨损，提高钻孔使用寿命的技术措施。收稿日期：基金项目：国家科技支撑计划课题（）；科技部“十一五”科技支撑计划课题（）作者简介：王贤来（一）男，甘肃天水人，博士研究生，教授级高工，从事采矿工程技术研究。通讯作者：郑晶晶（一），男，湖南邯阳人，硕士研究生，主要从事安全及充填等方面的技术研究。万方数据矿冶工程第卷金川矿区充填钻孔概况充填钻孔内管道磨损的影响因素金川公司是采、选、冶配套的大型有色、化工联合企业。公司拥有世界著名的超大型多金属共生硫化铜镍矿床，由于矿体与围岩破碎、不稳固，充填采矿法逐渐成为金川公司坑下主体采矿方法。公司从世纪年代初就开始试验研究管道输送充填料浆工艺，建成了二矿区东部、二矿区西部、龙首矿西部、龙首矿东部等多套充填系统。金川矿区先后采用了上向水平分层胶结充填、上向进路机械化胶结充填、下向水平分层机械化盘区胶结充填及下向倾斜分层（六角形）胶结充填等多种充填采矿法。金川矿区的充填方式是：地表充填站制备的充填料浆通过一级充填钻孔和井下二、三级钻孑及相应的水平管道输送至各充填采场，如图所示。矿区年充填能力已达到万，且充填量呈逐年递增趋势。矿区充填钻孔数量众多，直径、深度各不相同。由于充填料浆对钻孔内充填管道的冲刷、磨蚀等作用，钻孔的使用寿命受到了很大限制，公司每年都有大量钻孔因为管道磨损而停用。通过对金川报废、停用钻孑进行调查发现，钻孔使用寿命（累计充填量）超过万的不多，平均使用寿命一般在（）万，最小使用寿命甚至只有，如表所示。一地表钻孔房一一级钻孔一二级钻孔一三级钻孔一待克采场图金川公司充填钻孔分布示意表金川公司部分报废、破损钻孔的参数充填料浆特性的影响钻孔内充填管道磨损是由输送充填料浆引起的，因此必然与充填料浆特性有关。研究表明，管道的磨损速度随充填料浆输送的质量浓度的提高而增大，随骨料刚度及粒度的增大而增长，随充填骨料的颗粒形状的不规则而呈现增长趋势，棱角尖锐的棒磨砂比外形光滑的圆球形河砂对管道的磨损严重。另外，管道的磨蚀还随充填料浆的腐蚀性增大而增长。实践证明浆体输送过程中，充填管道的损耗是料浆磨损和腐蚀共同作用的结果。金川公司主要充填骨料是粒度较大且不规则的棒磨砂，并且充填料浆的质量浓度较高（以上），相对于其他尾砂胶结充填矿山，金川公司的这种粗骨料高浓度充填引起的管道破损更为严重。钻孔管道材质参数与孔径的影响充填材料相同的条件下，管道磨损与所选管道的材质密切相关，带有耐磨内衬的管道的使用寿命是普通钢管的数倍或数十倍。管道的寿命还与管壁厚度有关，管壁越厚，使用寿命越长。另外，管道的磨损与管道的直径也有很大关系。不同直径的垂直管道的泵曲线见图。由图可以看出，在没有达到，（极限流速）、（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时对应的流速）之前，相同的流速下，直径小的垂直管道消耗的压头要多，因此同等条件下，小径管道产生的摩擦阻力要大，从而相对容易破损。速，（图不同直径垂直管道的泵曲线金川矿区的生产实际表明，在充填钻孔的垂直下落输送系统中，钻孔内管道的磨损率随管道直径的增大而减小，垂直钻孔的使用寿命由长到短依钻孔内管道直径顺序排序为：（）、（、（）、和。万方数据第期王贤来等：充填钻孔内管道磨损的影响因素及保护措施充填倍线的影响充填倍线也是影响钻孔内管道磨损的重要因素。充填倍线值过小，垂直管道中自由落体区域的高度越大，料浆对管道的冲击力也越大，磨损愈加严重；同时料浆在管道中的流速增大，也会导致磨损率增加；此外减小充填倍线还会使料浆出口剩余压力过大，管道震动剧烈，加重管道损坏程度。充填倍线值过大，料浆的压力损失就会过大，导致充填料浆流动不畅，容易堵管。金川公司的经验认为充填倍线值在之间比较适宜。钻孔施工、钻孔内垂直管道的安装质量的影响管道的磨损率与钻孔施工、钻孔内垂直管道的安装质量密切相关。衡量钻孔施工质量的重要指标是钻孔的偏斜率。偏斜率大的钻孔，在使用中易磨损，而偏斜率小的钻孔，磨损速度慢，截至使用寿命时通过的充填量大。图是金川矿区报废、破损停用钻孔的偏斜率与累计充填量之间的统计关系曲线。可以看出在孔深与孔径相同的情况下，同组报废钻孔的累计充填量随偏斜率的增大而减小。号钻孔的偏斜率最大，其充填量只有多。垂直管道安装的垂直度和同心度也对管道的磨损有影响。实践表明，管道安装的垂直度和同心度越差，磨损率越高。置删塔坂士略：；钻孔序号图金川矿区部分报废钻孔偏斜率与累计充填量的关系钻孔级数的影响分级设计钻孔能减小钻孔深度，虽然在充填管道管径、材质、偏斜率、充填倍线等因素相同时，钻孑深度的大小对管道磨损的影响不大，但是深度小的钻孔能更好地控制施工质量和确保钻孔内充填管道的安装质量，从而间接地延长了充填钻孔的使用寿命。充填钻孔内管道局部易磨损的原因充填钻孔内管道的局部磨损采用数字全景钻孔摄像与数据分析软件系统，对金川矿区部分破损停用、在用及备用钻孔进行了详细探测，发现充填钻孔内管道都存在局部严重磨损的情况，探测钻孔的严重破损深度情况如表所示。从表中数据可以看出：在级数、直径、深度、充填料浆性质、管材、钻孔施工与安装质量、通过岩层地质条件相同的情况下，各钻孔的严重破损位置基本相同。这表明当充填钻孔的充填条件相同时，充填料浆在钻孔内管道中的流动状态是相似的。表金川矿区部分钻孔的严重磨损位置深度相关研究表明，充填料浆进入钻孔内垂直管道时，在重力作用下自由下落，直至到达空气与砂浆的交界面。在垂直往下给料的管道中有两种流动形式：上部为自由降落段，下部为满流段，见图。在自由下落带中，砂浆的最终速度很大，高速流动的砂浆向管壁迁移冲刷导致管路的高速磨损。特别是在空气与砂浆交界面的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，因此空气一砂浆交界面处的管道局部往往是最容易磨损的。图单段自由下落输送系统充填钻孑内管道易磨损位置由分析可知，空气一砂浆交界面段是充填钻孔内管道最容易破损的部位。因此，可以通过计算空气砂浆界面高度来推测充填管道最容易磨损位置。空气一砂浆界面的高度，由重力予以平衡，这样在垂直管道中得到的静压头可补偿在特定流速下该系统增压段的管道摩擦损失。工程计算中，可以利用下述公式确定空气一摹瓣峦罩万方数据矿冶工程第卷砂浆界面高度：，（）（）式中为充填料浆的体重，；为空气砂浆交界面高度，；为充填料浆的水力坡度；为水平管长度，。增大日，可以减小自由下落区域的高度，有效降低料浆对充填钻孔内管道的冲击。很明显，在充填料浆一定的前提下，日的大小主要取决于：水平管的长度。越大，即系统充填倍线越大，消耗掉料浆的势能也越大，那么日就越大；反之日越小；充填料浆的水力坡度，。增大料浆的水力坡度，也可以达到增加日的目的。钻孔深度减去空气一砂浆界面高度日，即可得出钻孔内充填管道最易磨损的位置。防止充填钻孔内管道磨损的措施改善充填条件充填条件的改善主要体现为充填料浆的优化与充填管道的选择。优化充填材料的粒级组成和配比，尽可能降低充填骨料的粒径，适当减小刚度较大的骨料含量，选择表面光滑的骨料，能有效降低管道磨损。另外，多加细粒级物料，也能改善浆体性能。金川公司和其他矿山的生产实际表明，在充填材料中添加一定量的粉煤灰能有效改善浆体的流动性，提高骨料的悬浮性能，从而减轻因充填料离析对充填钻孔内管道的磨损【。其次，要减少腐蚀性较强的材料含量，调整料浆的值，避免空气混入料浆中，降低其氧含量，以达到降低充填料浆对管道腐蚀的目的。此外，料浆中加入适当的减阻剂也可以减小料浆对管道的磨损。在钻径足够大的情况下，充填管道宜选用大孔径的耐磨套管。耐磨管道的成本虽然要比普通钢管高，但其使用寿命要远远超过普通钢管。从长远的经济效益来看，耐磨管要比普通管合算。大孔径管道不但比小孔径管道耐用，而且破损后便于下套管进行修复，实现二次利用。优化充填钻孔的设计）提高充填钻孔施工质量和垂直管道的安装质量，减少管道的偏斜及非同心程度。另外，要合理选择钻孔的施工位置，避免充填倍线太小的钻孔，同时要考虑尽可能降低钻孔中空气一砂浆交界面的深度，使充填料浆在钻孔内的流动状态为慢速满管流。在管道的空气一砂浆交界面安装材质好的套管。）在相同的流速下，管道的磨损速度随料浆的压力增加而提高，因此有必要对钻孔设计减压系统。储砂池（减压池）降压系统、管道折返式减压、阻尼节流孔减压、安全隔膜减压等深井充填系统减压技术在国内外已有了很大的发展，矿山可以根据实际需要采取相应的减压技术归“。）在允许的条件下，深井充填可以考虑分级设计钻孑。分段设计钻孔将深孔划分为几级钻孔，每级钻孔的深度相对于不分级钻孔而言有了很大的降低，这样可确保钻孔内充填管道的安装质量。同时，分段设计可以确保钻孔相对较高的施工质量，减小每级钻孔的偏斜率。结论）适当降低充填料浆输送浓度，采用刚度与粒度小以及颗粒形状规则的充填骨料，选择腐蚀性低的充填料能有效地减轻管道的磨蚀；采用耐磨大孔径充填管道，有利于延长钻孔的使用寿命。）钻孔施工质量和钻孔内管道安装质量对充填管道磨损有较大影响，应采取措施控制充填钻孔偏斜率和管道安装的非同心度。）充填倍线是影响管道磨损的重要因素，充填倍线越小，磨损愈加严重，一般充填倍线值宜控制在之间；对于深井充填系统而言，分级设计充填钻孔减小了钻孔深度，降低了料浆的流速，减小了钻孔内管道的磨损，可以增加充填钻孔的使用年限。）充填钻孑内管道局部严重磨损的主要原因是料浆自由下落导致的高速磨擦和冲击破坏，可以通过计算空气砂浆交界面高度，得出充填钻孔内管道容易破损的位置，采取适当的防护措施，防止充填钻孔过早损坏。参考文献：王新民，肖卫国张钦礼深井矿山充填理论与技术长沙：中南大学出版社刘同有充填采矿技术与应用北京：冶金工业出版社王新民，肖，王小卫等金川全尾砂膏体充填料浆流变特性研究矿冶工程，（）：刘同有，周成浦金川镍矿充填采矿技术的发展中国矿业，（）：胡鹏飞，文九巴，李全安国内外油气管道腐蚀及防护技术研究现状及进展河南科技大学学报（自然科学版），。（）：孙勇充填钻孔使用寿命的影响因素及其延长措施采矿技术，（）：王佩勋矿山充填料浆水力坡度计算有色矿山，（）：【，（）：徐东升深井充填管道输送系统减压技术探讨矿业快报。（）：孙业志，吴爱祥，黎剑华高浓度浆体管道输送的振动减阻矿冶工程，（）：万方数据 充填钻孔内管道磨损的影响因素及保护措施作者：王贤来， 郑晶晶， 张钦礼， 王新民作者单位：王贤来(中南大学资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083;金川集团有限公司,甘肃,金昌,737100 ， 郑晶晶,张钦礼,王新民(中南大学资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083刊名：矿冶工程 英文刊名：MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING年，卷(期：2009,29(5参考文献(10条1. 徐东升 深井充填管道输送系统减压技术探讨期刊论文-矿业快报 2007(022. 孙业志;吴爱祥;黎剑华 高浓度浆体管道输送的振动减阻期刊论文-矿冶工程 2001(043. 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