中国矿山充填钻孔管道故障及处理模式

邓代强

（贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550003）

0 引言

随着近些年来各类矿产资源的不断开发与利用，为切实做好资源采掘业的环境保护与安全生产，目前充填法处理采空区的开采方式已经逐渐在国内外推广开来。在使用充填法开采和处理采空区的过程中，由于对各种因素的兼顾性较强，充填法由此而显示出了显著的技术竞争优势。从材料利用、环境保护、资源回收等方面均获得了积极的综合效益[1-2]。从充填开采的外在因素直观看出，充填法虽然增加了一些充填材料、充填设施、操作运营、维护改造等必要成本，但经过一段时期的应用后就不难发现，充填法的使用同时也大大降低了资源的贫化率与损失率，提高了矿产资源的回收率，与国家大力提倡的清洁生产、高效回收、节能环保及安全生产等产业转型、升级政策完美契合，为相关的工业产业发展创造了良好的途径[3-4]。

鉴于充填法开采对于矿山企业维持与发展的重要作用，相关的设计、研究等工作也变得活跃起来，该领域科研立项也在逐渐增多，为资源开采的可持续性打下了较好基础，尤其对于价值较高的镍、钨等金属资源，其意义尤为重要[5-7]。充填钻孔作为金属矿山充填工程的重要环节，其高效运行关乎地表与井下的工艺衔接，流畅的充填料浆输送系统将会为高效开采、循环生产创造良好条件，同时连续无故障运转的充填系统及流畅的工艺流程也是降低充填成本的有效途径之一。为此一些相关的研究也在围绕此类问题进行研究分析，从不同的角度解决现实的生产问题[8-10]。例如，一些研究中对充填管道的使用过程进行了详细的分析，为解决堵管问题提供了参考[11]；郑晶晶等[12]对充填钻孔材质进行研究，为充填管道内壁降低磨损提供了借鉴；研究者对充填管道输送压力与管道修复开展的技术研究，也为延长充填管道的使用年限提供了依据，从而为降低充填成本创造可行的工艺条件[13-14]。本研究结合近些年来国内金属矿山充填钻孔的使用情况，加以归纳总结，着重从充填钻孔管道的构成与连接方式进行分析，以期为解决一些充填料浆钻孔管道输送问题提供参考。

1 充填钻孔构造特征及工程应用

对于不同生产与工程条件的金属矿山，在充填系统的工艺流程设计过程中，一般均会根据具体的矿岩性质、工程条件进行因地制宜的充填管网设计，根据其井巷走向与分布进行充填管道的架设与安装[15-16]。对于充填料浆输送工艺流程中，充填制备的能力、充填集料的准备、充填物料的颗粒尺寸、矿物成分、颗粒形状及安装位置对充填管网的正常运用影响很大，尤其对于连接地表与井下的充填钻孔，还往往受到管道安装同心度与垂直度的影响。分析国内外充填技术资料与工程应用，主要的充填钻孔安装布设有管箍连接、管道焊接、管道井连接、复合钢丝编织管直接连接等形式。

由于各类金属管道的材质、壁厚、受力等级有所不同，且其在特定工程地点的受力环境差别迥异，从而导致充填钻孔会产生不同类型的损坏[17]。对于各类充填管道连接方式，在生产过程中，由于运用不当或材质在使用过程中力学性能逐渐退化，从而存在故障发生的隐患，当管壁损伤和磨损达到一定程度时，就会在不均匀受力的过程中遭受料浆的输送压力而致使管道磨穿、爆裂破坏。充填钻孔任何形式的破坏都将对充填作业与井下开采产生极大的负面影响。因此，许多相关的研究者与矿山生产企业都在积极开拓技术思路，如降压增阻或采用光滑内壁的钻孔材料，采用特殊材料或有效的工艺装置，以此来应对钻孔破坏危害，使其更好地为安全生产服务。

2 充填钻孔故障模式及其处理分析

根据各类充填矿山的现场工程条件，不同的矿山根据自身情况的工程现场差异，进行充填钻孔的施工与连接，以便确保充填作业有效衔接。对于不同钻孔连接方式的充填钻孔，其钻孔管道故障的隐患、演变、显现、破坏等各环节形式均有所差异，但也有许多共同之处，因此可以通过对事故类型系统地归类、处理经验的总结，结合类似案例加以处置[18-19]。为便于了解充填钻孔的渐进破坏过程及模式，以下就现在国内较为常见的几种充填钻孔连接模式及其故障特征展开叙述与分析。

2.1 管箍连接钻孔管道

作为较常见充填钻孔管道连接方式的管箍连接，其在充填工程中的应用较为广泛，该方式在国内各类充填矿山的运用时间也较长，技术也较为成熟。由于该种连接方式安装速度较快，通常由丝扣对旋紧固，下管与紧固过程的施工工艺相对便捷，对于规范的安装工艺，其安装质量也较为可靠，因此在充填管网设计中较为常见。此种钻孔安装形式在发生故障时处理较为简便，对于需要处理的管段，可利用钻孔电视可视化技术，探明故障管段的准确位置，了解管道的内壁破坏形式，并进行勘探与查验。对于发生故障的管道，可将该部位管段抽取出来，然后更换新管，将丝口旋紧并做好密封防漏后将其还原至原来位置，连接好地表与井下管道后继续投入运行使用。结合现场条件要求，皖北某矿采用的管箍连接方式充填钻孔管道如图1所示。管箍连接的钻孔管道工艺过程中，其管道材质通常为无缝钢管内衬耐磨层，由于该种连接方式通常采用高标号水泥浆固井，因此管道受力较为均匀，钻孔管道由于受到钻孔空间的限制，管道不会摆动，其破坏形式以管壁磨穿形式较为常见。因此该种充填钻孔连接方式中，需要加强钻孔偏斜率控制，以尽量减少管道磨损。

图1 管箍连接方式充填钻孔管道Fig.1 Filling hole pipe with pipe hoop connection

2.2 无缝管焊接钻孔管道

由于现场条件及施工方式、工程材料、投入等方面的不同，一些矿山的充填钻孔需采用无缝钢管直接焊接充填钻孔管道的连接方式，该连接方式较为简便，管道连接处密封较好，能够有效防止充填料浆壁后窜浆，在充填工艺技术中也较为常见。其安装过程是将一定长度的耐磨管或厚壁无缝钢管下到一定高度的位置，在两节管段连接处沿圆周焊接为一体，避免有缺焊的沙眼存在，在细骨料充填管网布置中较为常用。由于该种钻孔管道采用焊接方式连接，不需要较粗的管箍构件，因此该充填钻孔不受管箍尺寸限制，此时钻孔直径可以适当减小。该类钻孔管道通常采用高标号水泥浆壁后固井，其壁后均为水泥浆实体，因此即使管体因年久使用而磨穿，也不会产生太大的影响，只需定期查明故障，加以修复即可。考虑到长期运行成本及管理，结合矿山充填材料性质，华东某矿采用的无缝钢管焊接充填钻孔管道如图2所示。无缝管焊接钻孔管道连接方式多见于较细尾砂充填的工艺过程中，其管道材质常见为普通无缝钢管或内衬耐磨层的耐磨管道，管道受力方式与管箍连接类似，由于要求对管道磨损较小，因此在施工过程中，通常同样需要加强钻孔偏斜率控制。

图2 无缝钢管焊接充填钻孔管道Fig.2 Seamless steel pipe welding and filling drilling pipe

2.3 管道井连接钻孔管道

充填工程运用中，为了降低充填成本和备料方便，一些矿山采用粗集料作为骨料进行充填料浆的制备与输送，以此来达到较为合理的成本投入，并同时获得较好的充填材料物理力学性能。对于采用戈壁集料、破碎废石、棒磨砂等粗骨料充填的矿山，充填钻孔在粗集料的磨刷与撞击下破坏的概率大大增加，为了便于更换损坏部位的钻孔管道，其充填钻孔可采用管道井作为引导。管道井的一侧壁面上布置有固定充填管道的管架，管道井尺寸需满足安全可靠，且行人便利，安装方便。当安装充填管道时，逐段将充填管道固定于管道井壁上的管架上，并逐段对口法兰连接，同时用胶垫压缝，做好防漏浆处理。当定期检查时发现管壁磨破的问题，可将备用的管道在原位将破损管道更换即可，而更换下来的破损管道，也可以根据破损情况进行修补或加固，以便尽可能地重复利用，从而可适当降低管道的材料成本。为便于日常的生产管理与维护，西北某矿采用竖井连接方式的充填管道如图3所示。对于管道磨损较为频繁的较粗颗粒充填工艺过程，需要定期更换充填管道，通常采用施工充填管道井的方式来连接钻孔管道，该连接方式中的管道材质多见为加厚的无缝钢管，内衬耐磨材料，以延长充填管道的使用寿命。该种安装方式中的管道受力偶有不均，管道安装时需采用可靠的固定方式，以防止充填管道摆动带来的危害。

图3 管道竖井连接方式充填管道Fig.3 Filling pipe for pipe shaft connection

2.4 钢编管连接钻孔管道

钢编管连接方式在阶段钻孔中使用较为普遍，在一些高差不大的主充填钻孔管道中也有所运用。其工艺要求的条件是钻孔顶端与末端的高差通常不大，充填料浆的管道输送压力也较小，同时该种管段位置不便安装刚性管道，因此具有一定耐压能力的柔性复合钢丝编织管便可在此处得到较好的运用。通常为将复合钢丝编织管穿过管道钻孔，上部管道与钢丝编织管上管口法兰连接，下部管道与钢丝编织管下管口法兰连接，由于钢丝编织管穿过钻孔管而受到限制，因此不需在钻孔中注浆固井，以此也便于更换钢丝编织管，而与钢丝编织管连接的上部管道与下部管道则需要刚性构件加以固定，以免因钢丝编织管四处摇晃而使法兰连接处松动造成浆体泄露。华东某矿采用钢编管法兰连接阶段充填钻孔管道如图4所示。钢编复合管道连接钻孔施工便捷，可利用已有的井巷工程，常见于多中段同时开采的矿山充填工艺，该种方式一般作为阶段钻孔使用，管道材质多为轻质耐压材料，虽然纵向高度并不大，但同样需注意安装时确保管道固定可靠，以防止管道受力不均而带来的危害。

图4 钢编管法兰连接充填钻孔管道Fig.4 Steel pipe flange connecting and filling drilling pipe

3 结语

由于国内的矿山赋存条件日趋复杂，因此对于采用充填法开采的矿山，其充填管道布置也较为烦琐，通常需要根据矿山的具体情况加以安设布置，采用适当管径的充填钻孔管道，结合壁后注浆工艺加固钻孔及钻孔管道。一些矿山采用双金属耐磨管，也有的一些矿山采用陶瓷套管配合陶瓷耐磨管、16Mn无缝钢管、铸石管、内衬复合陶瓷钢管等耐磨耐压材质的钻孔管道。通过大量的应用实践证明，一些经过特殊处理的充填钻孔管道对延长充填钻孔的使用寿命起到了非常明显的效果，从而可获得较为可观的经济、社会、环保效益，为矿山企业的科学管理创造良好的技术条件。

随着近些年来材料科学的大力发展，各种高性能的工程材料也逐渐在充填工程的管道输送中得到应用，为降低管道输送阻力，减小管道输送压力，维护整个系统稳步运行起到了重要的作用。结合现代的固井护壁技术手段和方法，可以大大延长钻孔管道的使用年限，从而为高效处理大宗矿山企业固体废弃物，形成资源化应用模式提供可靠的技术保障。针对目前充填钻孔破坏的磨损、爆管、脱焊、偏斜等技术难题，处理模式与加固材料也在不断跟进，生产企业对降低充填系统的故障率也在逐渐增高，因此对于充填钻孔故障的隐患、发展及显现的研究也就越发重要。本文述及了几种常见的充填钻孔管道连接方式，进行了故障类型的分析与应对策略，对此方面的研究将会对矿山安全开采、循环利用固体废弃物、充分回收宝贵的自然资源起到积极的促进作用。