深井矿山充填系统管路爆管问题的应对措施

姜洪波，李世珺，姚 锐，黄明然

(中国有色集团抚顺红透山矿业有限公司，辽宁 抚顺 113321)

1 前言

红透山铜矿充填系统于1973年建立，在国内属于较早建立水砂充填系统的矿山。矿山经过近60年的开采，目前总的开拓深度已经达到1 600m以上，单中段水平长度超过2 500m，与此同时，各中段管路长度不一，差异很大，充填管线总长度约5 000m，致使充填倍线变化大，从而造成充填料输送过程中管路内压力大，经常引起上向管路连接处压开、垫片压坏、爆管等事故，严重干扰生产。

矿山通过优化系统管路布局和干式充填工艺技术的研究与应用[1]，使充填系统管路爆管的情况得到了较好的缓解。

2 充填系统存在的主要问题

红透山矿充填系统管路由于管线长、跨越中段多，管路分多期安装，材质各异，故障点多，堵管和管路爆裂是其中最典型也是最容易出现的问题。当系统某处发生了故障时就必须全线停车，进行抢修处理，这样直接影响生产效率。跑砂严重时，还可能带来灾难性后果。产生这些问题的原因主要表现在以下几个方面。

(1)管路落差大，充填倍线变化复杂。红透山矿为典型的深部开采矿山，最底部采场充填管路末端出口(标高-767m)与最上端进料口(标高+253m)间落差超过1 000m；与此同时，各中段管路长度不一，差异很大，充填管线总长度约5 000m，致使充填倍线变化大[1]，如在-347m中段以上不大于2，在-467m中段以下充填倍线为4～6。-467m中段以下为主要生产作业区域，矿体急剧向东侧伏，多数中段充填管路水平长度超过400～500m，越往深部发展，单中段水平管路长度预期将继续增大。

(2)管线模式固定，改造困难。矿山经过近60年的生产，目前，结束的和正在采矿的共有近20个中段，系统充填管路垂直的连接方式，都是通过在各中段间施工的直径为100mm的上向岩石钻孔连接，因此，很难采用改变岩石孔径和管路直径的办法来调整管线技术参数。

(3)管路连接及使用管材存在缺陷。由于部分中段管路及其构成部件不能承担其内部过大的输送压力，在各中段管路连接的上、下向及管线的连接部位，如弯头、法兰盘、橡胶圈等部位，易造成挤压破坏，需要经常维修，成本高，劳动强度大。

系统管路使用的材料主要有两类，主干管路使用钢管内衬铸石管，分支管路则广泛采用厚壁钢管。主干的衬铸石管虽然耐磨性能好，但安装复杂，劳动强度大，一旦铸石片有碎裂，极易造成堵管事故；而分支钢管容易磨损，使用期限短，更换频繁。

3 系统网络防爆管技术

针对上述管路爆管这一核心问题，主要采取优选适宜充填管材和均匀分布管内压力的办法解决。

3.1 优选充填管路材质

为解决爆管问题，首先考虑管路材质优化方案。矿山经过实践应用比较，对铸石管、陶瓷复合管、衬胶管和超高分子钢紧衬耐磨复合管等4种不同管材，全面分析其特点，确定了不同的应用范围。

(1)铸石管。具有耐磨性能好、成本低的突出优点，缺点是材料笨重，管路压力大时易出现铸石片炸裂现象，可适用于部分充填系统水平主管路。该类管材目前在红透山矿已经很少使用。

(2)陶瓷复合管。该管路将陶瓷的高硬度和钢优良性能集于一体，具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗冲击等良好的综合性能，使用寿命是普通钢管的3～5倍，在相似产品中成本较低；缺点仍然是较为沉重，有时钢管内衬陶瓷也有脱落现象，造成管路堵塞。既适用于主管路也可用于充填分支管路。该类管材目前在红透山矿应用最为普遍。

(3)衬胶管。具有耐磨、耐酸、耐水解老化，抗冲击等优点，但是也存在衬胶容易脱落甚至局部撕裂现象，容易堵管，而且成本较高，使用寿命是普通钢管的6～8倍。该类管材应用较少，部分用于红透山矿的管路上、下向连接处的弯头。

(4)超高分子钢紧衬耐磨复合管。具有陶瓷复合管的一般优点，有高塑性的优异性能，使用寿命是普通钢管的8～10倍，但成本较高。该类管材适应性强，目前在红透山矿的应用有增加的趋势。

3.2 系统管路降压工程改造

根据理论计算和实践经验，确定矿山充填系统水平管路的合理上限长度应为400m左右，并以此作为充填网络的优化依据[2]。参数及计算如下。

矿山尾砂充填料的充填浓度平均为60%，充填量V1=50m3/h，容重ρv=1.95t/m3，固体密度ρk=2.7t/m3。流体密度ρ1=1/(0.6/2.7+0.4)=1.613t/m3，秒流量Q=V1×ρv/(60%×ρ1×3 600)=0.019m3/s；流体体积浓度CV=(0.6/2.7)/(0.6/2.7+0.4)=0.355。尾砂平均粒径0.089mm，其中+0.106mm占22.45%。

根据以上条件，在管道平整的情况下，充填浓度60%时单中段水平输送距离S=中段高度×料浆密度/(水力坡度×系数)-中段高度= 425m。

矿山原有充填主干系统主要位于13～14勘探线附近，井下-407m中段以上的采矿作业区域，充填管路水平距离长度均在300m以内，不再需要优化改造。

其下部的生产中段，充填管路水平距离长度都超过上述长度上限，因此由-407m中段起开始进行系统管路布局调整。相关的充填管路调整持续多年，历经4个阶段，使得整体系统逐渐得到完善，见图1。

(1)第一次减压改造。由于-467m中段以下矿体向东急剧侧伏，原有充填管路已经无法对-587m中段部分采场进行充填，系统管路由-407m中段起开始向东平移调整，综合考虑充填倍线的合理性，改造的同时将-347m中段充填系统管路一并平移，平移后单中段水平管路延伸增加，缓解垂直压力，起到降压作用，相应深部中段水平管路也向东平移。

图1 充填管路减压示意图

(2)第二次减压改造。对-407m中段充填管路进行平移。经过两年的运行，随着-587m中段19号勘探线以西采场采矿结束，充填管路又一次暴露出对-587m中段东部采场充填能力不足问题。本次减压改造充分考虑将来深部中段采场充填问题，将-407m中段上向平移330m，达到单中段水平距离设计上限。经过本次减压管路改造后，解决-587m中段22采以西所有采场的充填问题。

(3)第三次减压改造。随着矿山生产能力的提高和采矿作业地点向东部集中，充填管路面临满负荷运行，考虑充填料浆浓度和分支管路长度、安装条件、安装成本等诸多问题，决定适当放宽单中段水平管路上限，达到510m，一次性解决了-587m中段所有采场的充填问题，同时也为深部中段水平管路平移创造条件。实际运行表明，单中段水平管路局部超过400m也是可行的，从采场的充填浓度和胶结地面看，满足了采矿要求。

(4)第四次减压改造。本次改造涉及多个中段水平管路同时平移。即-527m中段平移300m，-587m中段平移230m，-647m中段平移280m，-707m中段平移260m。此次改造，将上述4个中段管路同时改造，一次性解决当前采矿所涉及到的所有作业点的充填问题。

4 端部采场干式充填工艺

端部采场由于所处的位置是在充填系统管路的最末端，在采场充填期间，管路的压力最大，充填系统的爆管率也是最高的。矿山通过对端部的分层充填法采场进行干式充填工艺研究[2]，有效减少了末端采场充填量和时间，减少了系统管路的爆管故障率。

(1) 实例一：-767m中段25采，上向尾砂分层充填法采场，采场面积2 900m2，采用木支护以后，施工上向回采孔，孔深3m。采场采矿和出矿是分东西两个区域进行的，当西侧采矿出矿结束以后，立即对采场西侧进行废石充填。此时，采场西侧的废石充填工作和采场东侧的出矿作业同时进行。采场东侧出矿结束后，再对东侧进行废石充填，废石充填结束后，对采场进行尾砂充填。地面胶结厚度由原来的500mm减少到100mm。

(2)实例二：-827m中段20采，充填法采场，采场面积1 100m2，采场分为上下盘两部分，下盘宽脉部分面积800m2，采用上向回采孔施工，一次性落矿，采矿后用铲运机出矿。上盘窄脉部分300m2，矿脉平均宽度1.8m，采用水平压眼采矿，利用电耙子出矿。采场全部采矿、出矿结束后，进行溜井密闭施工和废石充填工作，只充填100mm厚的胶结地面。

实践证明，通过采用分层充填法全废石干式充填技术，使采场分层充填废石量由原来的40%提高到90%。地面尾砂胶结厚度由500mm减少到100mm，单个采场地面胶结减少水泥用量200t，而且提高了地面胶结强度。

由于减少了采场水砂胶结总量，使充填系统故障率降低62.5%，减少维修和清理巷道污染费用10万元，减少水泥成本10万元，废石运输费用10万元。每分层充填减少30万元投入，按照3个分层/年计算，单个采场总的充填成本减少90万元。

5 结语

充填系统管路爆管的问题是深井矿山常见的技术问题，充填深边部采场时，水平管路较长、管内压力较大，是充填系统管路爆管的主要原因之一。红透山矿在深井开采条件下，面对充填系统管路构成复杂的情况，通过合理选用充填管材，科学调整充填管路的水平长度，使爆管的情况得到基本缓解，系统综合故障率降低80%以上。矿山通过对上向尾砂分层充填法采用干式充填工艺技术，有效地提高充填地面质量，在降低充填成本的同时，最大程度地降低了充填系统管路的爆管几率，有利于矿山矿产资源清洁生产。值得具有同样问题的深采矿山参考应用。

[1] 刘 勇,王 俊，等.充填采矿工程设计手册[M].北京：矿山工业科技出版社, 2008.41,105.

[2] 费子文，张济中.采矿手册[M].北京：冶金工业出版社,1990.251，272.