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1、中南大学资源与安全工程学院 2009年11月,金川矿区深部充填系统可靠性及扩能技术方案研究,概 述,金川矿区充填系统调查与现状评价,深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,管道输送性能及提高充填系统可靠性对策研究,金川矿区深部充填管道布置方案研究及数值模拟,金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,结论与建议,1 概述,研究目的意义,问题：龙首矿西部充填站在贫矿开采圈定的塌陷范围内，若停用，东部充填站生产能力和配套设施无法满足采矿能力的需求；二矿区未来产能提高，将呈现多中段同时回采的局面，充填任务加剧，现有充填系统无法满足生产要求，并且随着
2、开采深度增加，系统会出现管线布置复杂，管路拐弯过多，输送压力过大，难以保证二矿区未来安全生产的需要。意义：保证金川公司可持续发展，推动我国充填理论与技术发展。,1 概述,主要研究方法,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,2.1 金川矿区充填系统,龙首矿有东、西部有2个充填站，2套自流充填系统；二矿区充填系统包括一期、二期两个搅拌站。鉴于供砂系统、供灰系统、供水系统、管道输送系统的限制，整个二矿区充填系统实际能同时运行的为3套，即3套自流输送系统或2套自流输送系统、1套膏体系统，其中一期2套自流输送系统与二期1套自流输送系统或1套膏体系统即共3套系统同时运行。,2 金川矿区充填系统调查与现状评价
3、,2.2 充填料浆流动性能参数,金川矿区充填料组合坍落度均属于流动性能好的S4级，满足管道输送要求（见表2-1）；自流输送充填浆体的坍落扩散度与坍落度值之比为1.41.8满足流动性要求；膏体泵送充填料浆体的坍落扩散度与坍落度值之比为1.46，虽然低于自流输送充填料浆，但仍可满足流动性要求。,坍落扩散度与坍落度值之比为1.51.8，则工作性可以满足要求。,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,表2-1 金川矿区充填料浆坍落度及坍落扩散度实验结果,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,金川矿区充填料浆的稠度都比较大。稠度大可以保证料浆在输送过程中处于完全悬浮状态，有利于减少管道的输送阻力和减轻管道磨损
4、。,金川矿区充填料浆稠度实验结果,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,2.3 金川矿区充填管线调查,金川矿区采用的充填方式是：地表制备站制备的充填料浆通过通达地表的一级充填钻孔和井下二、三级钻孔及相应的水平管道输送至各充填采场。,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,龙首矿东部充填管路示意图,龙首矿东部充填管线调查,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,龙首矿东部充填路线,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,龙首矿西部充填管路示意图,龙首矿西部充填管线调查,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,龙首矿西部充填路线,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,二矿区充填管路示意图,二矿区充填管线调查,2 金川
5、矿区充填系统调查与现状评价,二矿区充填路线,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,金川矿区现阶段各水平输送系统的充填倍线,管道系统充填倍线,倍线值处于2.55之间比较合理,有必要对金川矿区深井充填系统进行可靠性研究，优化充填系统的设计，并进行扩能改造,2 金川矿区充填系统调查与现状评价,2.4 金川矿区充填系统评价,充填技术先进 充填料浆性能良好 充填钻孔使用寿命短 局部管道磨损严重 爆堵管事故时有发生 充填能力不能满足未来生产需求,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,3.1 深井充填系统的构成,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,充填系统工艺流程图,充填系统工艺流程,3
6、 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,深井充填系统的层次结构,充填系统层次结构,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,3.2 深井充填系统不确定性研究,原料及供给的不确定性,原料及供给的不确定性受以下因素影响：常用充填材料及其性质的不确定充填骨料给料的不确定胶凝材料给料的不确定,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,制备和输送的不确定性,制备和输送的不确定性受以下因素影响：充填料浆制备过程的不确定管道输送系统的不确定,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,充填效果的不确定性,充填效果的不确定性受以下因素影响：充填效果的不确定（多余清水的影响、间隔充填的影响
7、、沉降不均匀的影响）采区环境的不确定,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,充填系统失效模式的不确定性,充填系统失效模式的不确定性受以下因素影响：充填系统各个单元的相关性，很难将其划分为若干独立部件来分析，因而导致了系统关系的不明确性，系统失效的模式是多种多样的，在众多相关参数不确定性的前提下，确定系统失效模式十分困难。,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,FMEA分析是通过系统地分析零部件、元器件、设备或子系统等所有可能的故障模式、故障原因及后果，发现设计中的薄弱环节，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。,3.3 深井充填系统故障模式与影
8、响分析（FMEA）,FMEA分析流程图,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,深井充填系统功能方块图,金川矿区深井充填系统FMEA分析,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,深井充填系统的风险评价表,采用风险优先法来进行风险评估，根据风险优先数的大小来确定改善顺序，风险优先数（RPN）由发生度（Sf）、难检度（Sd）、严重度（S）三者相乘而得，即：RPN=Sf Sd S,3 深井充填系统不确定性研究及失效模式影响分析,FMEA分析结果,从风险评价表中可以看出，按分析风险数值大小排列，排在前5位的依次是竖直管道、水平管道、控制系统、搅拌系统与胶结材料仓。FMEA分析结果表明，
9、金川矿区深井充填系统最易失效的环节是管道输送系统的竖直管道和水平管道，以及制浆系统中控制系统、搅拌系统与胶结材料仓。,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,4.1 充填管道输送系统事故树分析,故障树建立,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,布尔代数下行法求解最小割集,故障树定性分析,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,从事件结构重要度分析可以看出管道磨损和突
10、发故障损坏、制浆质量是导致发生故障的首要因素；系统的充填倍线、不合理的负坡段和操作管理中的疏忽，也是导致系统发生故障的重要原因；系统的水力特性参数等，虽然直接造成故障的可能性较小，但长期作用却会诱发较大的其它故障。,结构重要度序数排列,故障树分析结论,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,4.2 深井充填系统失效概率准则模糊综合评定,充填管道系统评判因素集的建立,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,国内外对压力容器和压力管道的相关研究成果所确定的压力管线的许用概率范围为10-6，10-3，结合充填系统的特点，参考油田和煤浆长距离管道输送中的相关经验，将其许用概率范围按
11、适度发生到很难发生之间考虑，确定管线的可接受失效概率P为10-4，10-2，即针对管线不同要求，相应的可接受失效概率变化范围为10-410-2。因此充填管道输送系统的可接受失效概率取10-2到10-4是比较合理的。以等比步长 由高到低离散为9个区间值得到被选择集如下：,充填管道系统失效概率被择集的确定,4 深井充填管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,因素权重集的确定,多因素分级表,层次分析法,深井充填系统可靠性的各因素(设计水平，质量水平，维护管理水平，运行环境水平，操作水平，事故后果)的权重向量为：A=（0.114，0.354，0.243，0.076，0.125，0.088）,4 深井充填
12、管道系统可靠性分析及失效概率准则研究,采用二级模糊评判方式对金川矿区深井充填系统进行模糊综合评判，获得系统可接受的失效概率为2.154410-33.5938 10-3。,可接受失效概率与系统失效可能性的对应关系表,可接受失效概率值2.154410-33.5938 10-3处于数量级10-210-3之间，这表明金川矿区充填系统介于可能发生失效和适度发生失效之间（对照上表），有必要对充填系统进行优化改造，以降低系统的失效概率，提高系统运行的可靠性。,金川矿区深井充填系统的可接受失效概率,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对策研究,深井充填管道自流输送模型图,充填浆体进入竖直管路或钻孔后，在重
13、力作用下自由下落，直至到达空气与砂浆的交界面。在竖直管道中有两种流动：上部为自由下落区、下部为满流输送区。,5.1 充填料浆运动形式,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对策研究,5.2 深井充填管道的失效机理分析,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对策研究,充填料浆沉降堵管机理,固体物料在水力输送中，当砂浆处于某一流速时，固体物料能否悬浮，对于其顺利输送和系统的正常运行具有积极意义。在两相流中，紊流的脉动速度是使固体颗粒悬浮的决定因素。至于涡流的冲刷、流体的绕流、速度的不均匀分布只是加强脉动的因素。使固体颗粒悬浮的主要原因是脉动速度中的垂直脉动速度分量，即垂直脉动速度分量(Sv)大
14、于固粒的沉降速度(Vgg)，也就是说，若垂直脉动速度分量小于固粒的沉降速度就可能发生堵管事故。,骨料沉降堵管的判据为：SvVgg,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对策研究,充填管道爆裂机理,两种情况：其一为出流端或管路某一部位瞬时淤塞，引发上游管道浆体产生压力波水击；其二为竖直管道和水平管道连接处因速度变化形成负压后，产生的真空弥合水击，形成很大的水击附加压强，且在此部位因反复的真空作用，产生气蚀，使其成为薄弱段。,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对策研究,垂直充填管道冲击磨损物理模型,充填管道磨损机理,冲击磨损是充填管道主要磨损形式,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对
15、策研究,充填管道磨损机理,充填料浆到空气砂浆交界面的速度v2随自由下落带高度H的增大而增大，料浆对交界面的冲击力F与速度v2的二次方成正比，这表明自由下落带高度越大，料浆对管壁的冲击磨损将会越严重。,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对策研究,管壁单位面积耗能量,上式表明，充填管道的内径D越小，充填料浆的密度、料浆流量Q 以及料浆流速v 越大，管壁单位面积的耗能量就越大，管道磨损也就越严重。,充填管道磨损机理,管壁单位面积耗能量越大，料浆对管壁的磨损越严重,5 深井充填管道输送性能及提高系统可靠性对策研究,5.3 提高充填管道系统可靠性的对策,充填管道系统减压技术,5 深井充填管道输送性
16、能及提高系统可靠性对策研究,充填管道系统减阻技术,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,6.1 金川矿区深部充填管道布选方案研究,管道布置方案设计原则：充填倍线合理；充填钻孔的级数不宜过多；充分利用原有充填管道；尽量减少新增工程量；管道输送系统简单，便于维护；施工周期不影响矿山开采生产的进度。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,龙首矿西部规划将来要新建充填站，所以深部充填管道的布置不予考虑。主要考虑龙首矿东部1160m水平及以下水平布置管道后最终形成的充填管道输送系统:,龙首矿深部充填管道布置方案,1160m水平 1100m水平 1040m水平 980m
17、水平 920m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：在1280m水平新建几组到1160m水平的充填钻孔，钻孔布置在1280m水平主充填巷道45行之间适当位置。该布置方案在充填1160m1100m中段的采空区时，料浆的输送路线为见下图：料浆通过东部制浆站1400m钻孔到达1400m水平，经8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平，最后通过1280m1160m新建充填钻孔到1160m水平主充填管道。,龙首矿1160m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案二：在1220m水平新建几组到1160m水平的充填钻孔，可选择在1220m
18、水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线见下图：料浆通过东部制浆站1400m的钻孔到达1400m水平，依次经过8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平和1280m1220m充填挂管到1220m水平，最后通过1220m1160m新建钻孔到1160m水平主充填管道。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：在1280m水平新建几组到1100m水平的充填钻孔，可选择在1280m水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线见下图：料浆通过东部制浆站1400m的钻孔到达1400m水平，经8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平，最后通过
19、1280m1100m新建充填钻孔到1100m水平。,龙首矿1100m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案二：在1220m水平新建几组到1100m的充填钻孔，可选择在1220m水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线见下图：料浆通过东部制浆站1400m的钻孔到达1400m水平，依次经8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平和1280m1220m充填挂管到1220m水平，最后通过1220m1100m新建钻孔到1100m水平主充填管道。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：在1280m水平新建几组到1040m水平的充填
20、钻孔，可选择在1220m水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线见下图：料浆通过东部制浆站1400m的钻孔到达1400m水平，经8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平，最后通过1280m1040m新建充填钻孔到1040m水平主充填管道。,龙首矿1040m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案二：在1220m水平新建几组到1040m的充填钻孔，可选择在1220m水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：料浆通过东部制浆站1400m的钻孔到达1400m水平，依次经8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平和12
21、80m1220m充填挂管到1220m水平，最后通过1220m1040m新建钻孔到1040m水平主充填管道。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：先在1400m水平新建几组到1160m水平的充填钻孔，可选择在8行盲井附近适当位置，然后在1160m水平新建几组到980m水平的充填钻孔，可选择在1160m水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：料浆通过东部制浆站1400m钻孔到达1400m水平，经1400m1160m新建钻孔到1160m水平，最后通过1160m980m新建钻孔到980m水平。,龙首矿980m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研
22、究及输送系统模拟分析,方案二：在1220m水平新建几组到980m的充填钻孔，可选择在1220m水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：料浆通过东部制浆站1400m的钻孔到达1400m水平，依次经8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平和1280m1220m充填挂管到1220m水平，最后通过1220m980m新建钻孔到980m水平主充填管道。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：先在1400m水平新建几组到1160m水平的充填钻孔，可选择在8行盲井附近适当位置，然后在1160m水平新建几组到920m的充填钻孔，可选择在1160m主
23、充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：料浆通过东部制浆站1400m的钻孔到达1400m水平，经1400m1160m新建钻孔到1160m水平，最后通过1160m920m新建钻孔到920m水平主充填管道。,龙首矿920m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案二：先在1220m水平新建几组到1100m水平的充填钻孔，可选择在1220m水平主充填巷道78行之间适当位置，再在1100m水平新建几组到920m水平的充填钻孔，可选择在1100m水平主充填巷道45行之间适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：料浆通过东部制浆站1400m钻孔到达1400m水平
24、，依次经8行盲井1400m1280m充填挂管到1280m水平和1280m1220m充填挂管到1220m水平，然后通过1220m1160m新建钻孔到1160m水平，最后经1160m920m新建钻孔到920m水平主充填管道。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,二矿区目前主充填管道最深位置已布置到1100m水平，考虑到二矿区每50m分一个中段。因此，主要考虑1100m水平以下1000m900m水平充填管线的布设方案，包括：,二矿区深部充填管道布置方案,1000m水平,900m水平,950m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：利用二矿区1350m
25、1150m改扩建钻孔与1150m1000m新建钻孔（850-3）。最终形成的充填路线为（见下图）：一期充填站或者二期充填站制备的充填料浆先通过A2组钻孔到达1350m水平，再经过1350m1150m改扩建钻孔到1150m水平，最后通过1150m1000m新建钻孔（850-3）到1000m水平主充填管道。,二矿区1000m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案二：利用850新建的3组钻孔。最终形成的充填路线为（见下图）：充填料浆先通过地表1350m新建级钻孔（850-1）到1350m水平，再经过1350m1150m新建级钻孔（850-2）到1150m水平，最后通过11
26、50m1000m新建钻孔（850-3）到1000m水平主充填管道。,从管理角度考虑，本方案优于方案1，但地表至1350水平850-1组钻孔尚未施工。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：在1150m水平新建几组到950m水平的钻孔，可选择在850-3组钻孔附近适当位置。最终形成的充填路线为（图6-13）：充填料浆先通过地表1350m新建的级钻孔（850-1）到1350m水平，再经过1350m1150m新建的级钻孔（850-2）到1150m水平，最后通过1150m950m新建的级钻孔到950m水平主充填管道。,二矿区950m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及
27、输送系统模拟分析,方案二：在1000m水平新建几组到950m水平的钻孔，可选择在14行回风井附近适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：充填料浆先通过地表1350m新建的级钻孔（850-1）到1350m水平，再依次经过1350m1150m新建的级钻孔（850-2）到1150m水平和1150m1000m新建的级钻孔（850-3）到1000m水平，最后通过1000m950m新建钻孔到950m水平主充填管道。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一：在1150m水平新建几组到900m水平的钻孔，可选择在850-3组钻孔附近适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：充填料浆先
28、通过地表1350m新建的级钻孔（850-1）到1350m水平，再经过1350m1150m新建的级钻孔（850-2）到1150m水平，最后通过1150m900m新建的级钻孔到900m水平主充填管道。,二矿区900m水平,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案二：在1000m水平新建几组到900m水平的钻孔，可选择在14行回风井之间适当位置。最终形成的充填路线为（见下图）：充填料浆先通过地表1350m新建的级钻孔（850-1）到1350m水平，再依次经过1350m1150m新建的级钻孔（850-2）到1150m水平和1150m1000m新建的级钻孔（850-3）到1000m水
29、平主充填管道，最后通过1000m900m新建钻孔到900m水平主充填管道。,方案总结:方案一保持3级钻孔，新施工钻孔深度相对较大；而方案二充分利用上阶段水平钻孔及充填管道，逐阶段施工深度较小的钻孔，钻孔级数越来越多。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,布管方案对应充填管路充填倍线,各布管方案对应形成的充填管路的充填倍线在2.53.7之间,6.2 金川矿区深部充填管道布置方案优选,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,方案一的优点是钻孔级数少，构成的充填管路相对简单，维护相对容易，所需人员较少，其缺点
30、是工程量相对要大，一次性投入大；而方案二的优点是能充分利用原有管道，工程量小，一次性投入少，但其缺点是钻孔级数多，构成的充填管路相对复杂，需要更多的人员，管路维护相对困难。从长远综合考虑，方案一构成的充填系统更简单，维护费用少，而方案二构成的系统复杂，并且原有管路很多环节已将达到使用寿命极限，维护成本高，故确定方案一为两矿区各水平优化布管方案。,充填管线布置方案优化选择,二矿区1000水平因考虑到地表至1350水平850-1组钻孔尚未施工,为保证进度，推荐了充填钻孔级数较多的方案一。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,各模拟充填管道输送系统模型的主要参数,挑选龙首矿116
31、0m水平、1040m水平、980m水平、920m水平及二矿区1000m水平、900m水平优选的布管方案一所形成的充填输送管道系统进行FLUENT数值模拟。,6.2 深井充填管道输送性能FLUENT数值模拟,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,模拟残差曲线,监测曲线收敛，表明模拟运算的结果是有效的,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,FLUENT模拟运算结果,当充填管道垂直管和水平管管径一样时，充填倍线越小，料浆能达到的最大流速就越大。而随着矿山开采深度的增加，充填管道输送系统的倍线将逐渐减小，这也表明，充填料浆的最大流速会随着矿山开采深度的增大而增加。,
32、模拟运算结果,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,流速变化,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,料浆速度主要在弯管处发生变化，料浆通过钻孔底端的弯管时，流速会显著增加，而经过钻孔顶端的弯管时，流速会显著减小。这表明料浆流速发生急剧变化是导致弯管处容易磨损的重要原因。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,随着充填管道输送系统垂直深度的增加，同种布管方式相同水平的相应弯管位置流速的改变程度更加明显，料浆流速变化更剧烈，流态更加不稳定。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,料浆在水平管内呈平滑的锥态流动，即水平管道的中心
33、料浆流速最大，而往两侧管壁料浆流速逐渐减小。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,压力变化,管道输送系统进口处管道压力分布是比较均匀的，管道的中心压力最小，而往两侧管壁压力逐渐增大。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,随着料浆沿水平方向的流动，压力总体上呈减小趋势，变得越来越小。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,模拟结果分析讨论,管道输送系统中弯管处料浆流速发生急剧变化 易磨损；管道输送系统充填倍线越小，垂直深度越大，料浆可达到的流速越大，同时变化规律越复 杂，产生的压力也将越大；料浆在水平管道的流动规律表明，越靠近水 平管道管
34、壁，料浆流动速度越低，低速流动 容易导致料浆粗骨料的沉降，并与底部管壁 产生摩擦，而加快水平管底部管壁的磨损速 率；充填管道输送系统的压力损失值随管道长度 的增加而增大。,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,金川矿区龙首矿主充填管道目前最深布置到1220水平，对应充填管道输送系统（L1220MX）见下左图；二矿区主充填管道目前最深布置到1100水平，对应充填管道输送系统（E1100MX）见下右图。,6.3 金川矿区现有最深充填管道输送系统的数值模拟,6 金川矿区深部充填管道布置方案研究及输送系统模拟分析,L1220MX和E1100MX模拟压差计算结果,7 金川矿区充填系统扩
35、能可行性及扩能技术方案研究,2010年左右龙首矿采矿量将达到350万t，其中西部贫矿开采出矿能力达将到165万t，届时矿山年充填能力要求达到130万m3。,7.1 金川矿区充填系统能力分析,龙首矿充填系统能力分析,现有充填能力不能满足未来生产要求,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,二矿区实际只能3套自流制备系统或2套自流制备系统与1套膏体系统同时运行。每套自流充填系统充填能力为100m3h-1，膏体充填系统充填能力80m3h-1。按每套系统年充填330d、每天平均纯作业时间14h计算，二矿区实际年充填能力为102.4138.6万m3a-1。,二矿区充填系统能力分析,二矿区未来的
36、出矿量将达到500万t，则充填系统的年生产能力要达到170万m3，考虑15%的不均衡系数，充填系统能力则要求达到185万m3a-1。,二矿区现有充填能力不能满足将来生产需求,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,7.2 金川矿区充填系统充填扩能制约因素,龙首矿充填系统扩能制约因素,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,二矿区充填系统扩能制约因素,二矿区供砂系统,存在问题：外部供砂能力不足；砂仓容积不够；抓斗起重机数量不够，抓砂效率低；圆盘给料机能力不够；皮带输送机不能大负荷运行；振动筛过滤砂子的能力不够。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,二矿区供灰系统
37、,存在问题：水泥仓容积不够；卸灰能力不能满足未来水泥用量 要求；一期供灰系统复杂，故障率高，供灰螺旋输送能力 不足；除尘系统效率不达标。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,二矿区供电供水系统,存在问题：安装中存在两段母线无母联开关，不能分段运行的缺点；电网波动较大，经常造成事故停 车，影响充填体的质量；供水系统能力弱，不能满足生产 用水量。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,二矿区控制系统,存在问题：自动化控制设备工作量大、效率低、误差大，不能满足质量管理的需要；充填生产线上电气控制技术落后；砂量检测仪表技术落后；充填料浆流量控制不稳定；水泥供料控制不稳。,7
38、金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,龙首矿充填系统扩能有3种方案可供选择：（1）提升西部制备站生产能力；（2）东部新建充填站；（3）西部新建充填站。提升西部制备站生产能力要求对现在西部制浆站的很多工艺设备进行改造，而西部新建充填站从选址的角度上看要优于在东部新建充填站。因此，推荐西部新建充填站方案。,7.3 龙首矿充填系统扩能技术方案研究,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,龙首矿充填系统关键指标评价,龙首矿充填系统充填能力100m3h-1；自流输送系统料浆临界流速为1.78ms-1；工作流速为：3.54ms-1；搅拌时间3.35min。,搅拌时间和工作流速满足生产需要
39、，系统运行可靠。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,设计原则,（1）经矿内多方案比较，西部新建充填站位于矿体下盘30行勘探线附近西部贫矿开采岩石移动带以外；（2）新建充填搅拌站生产能力应包含现有西部搅拌站充填能力，即待新建搅拌站建成后，现有西部搅拌站可以停止使用，西部贫富矿充填任务全部由新建搅拌站承担；（3）根据龙首矿目前实际情况，新建搅拌站的充填料浆制备按照水泥、棒磨砂高浓度管道自流输送工艺设计，考虑添加粉煤灰替代部分水泥，并为利用尾砂充填留有余地。鉴于-3mm棒磨砂+水泥料浆的临界质量浓度为7778%，要求充填料浆不发生离析，因而新充填系统料浆质量浓度为78%；（4）考虑到
40、系统检修和确保矿山生产顺利进行，新建搅拌站按2套充填料浆制备系统运行，正常情况下1套使用，1套备用与检修，充填量大时2套系统可同时使用；（5）考虑到矿山现用东、西部充填系统经多年运行证明稳定可靠，因此，新建地面制备系统工艺仍然采用现用流程。,龙首矿西部贫矿充填系统建设方案概况,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,新建充填系统方案,地面制备系统方案,新系统共设3套充填料浆制备系统，每套系统包括：棒磨砂的储存和给料设施、水泥的储存和给料设施、粉煤灰的储存和给料设施、加水及调节设施、搅拌设施等。此外，在搅拌站的北侧预留两个直径为9m的立式尾砂仓的场地。根据矿山生产的需要，新建尾砂仓后，
41、可以向其中的2套系统添加尾砂。每套系统的给料能力按满足200m3h-1进行设计。,管道输送系统方案,在西部地表新打4条深100m钻孔到1591m水平；在1591m水平掘进一条187m的充填平硐与现有1591m充填硐室贯通；利用西部老坑坑底新建充填钻孔引至1460m水平，1460m水平原巷道，已变形严重，需新掘792m充填道来布置管线。建成后的新西部充填系统，经计算充填倍线，充填30行采场，充填倍线为3.9，充填17行采场，充填倍线为6.5。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,新建充填系统方案总体评价,新建西部贫矿充填系统具有如下优点：（1）新建搅拌站在贫矿开采岩石移动界线以外，
42、安全可靠；（2）可以充分利用现有西采区充填搅拌站的铁路运输线进行运输；（3）可利用西部坑底新建充填钻孔；（4）井巷工程少，巷道维护量少；（5）避开了F1断层影响；（6）建设场地开阔；（7）工艺流程与现有充填系统类似，便于工人熟练操作。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,龙首矿新系统充填能力应达到112万m3a-1，按照每年充填330d计算，每天充填量为3394m3，按每天充填14h计算，每小时需充填243m3，需设置2套独立的套设计能力200m3h-1的搅拌制备单元；按每年充填260d、每天充填12h计算，每小时需充填360m3，考虑富余系数、系统备用和将来继续扩能的需要，设置
43、3套能力180200m3h-1的搅拌制备单元，2套使用，1套备用。,龙首矿西部贫矿充填系统建设方案可行性评价,能力校核,各种充填材料日用量：混合料浆：7406t；水泥：1160t；棒磨砂：4618t；水：1628t。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,设备设施设计选型,150m10m6m（长宽高）的矩形棒磨砂仓，容积达9000m3；150m棒磨砂仓等距离布置4座棒磨砂稳料仓，每座稳料仓容积40m3；3台15t抓斗式起重机，斗容9m3，每台抓斗式起重机生产能力138t/h；TD75型通用固定式带式输送机，带宽B=1000mm；2个圆柱圆锥立式密闭水泥仓。仓体为钢板结构，板厚20m
44、m，圆 柱直径8000mm，有效容积839.3m3；2台400mm3000mm双管螺旋给料机；预留设置1个粉煤灰仓，其规格、型号与水泥仓相同；设置两个高位水池，容积分别为1800m3。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,根据充填能力（200m3h-1）和搅拌时间要求，搅拌系统可以采用两种形式：（1）双2.0mh2.1m搅拌桶并列制浆，经过混浆漏斗后，由一套管路系统进行输送，简称“双搅拌桶方案”；（2）一台大型搅拌桶制浆，单管路系统输送，简称“单搅拌桶方案”。,搅拌系统可行性评价,双搅拌桶方案比较复杂，需要较大的工业场地和较高的管理水平，故推荐使用单搅拌桶方案,设计搅拌桶规格2.
45、6mh3.0m。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,2.6mh3.0m搅拌桶参数计算示意图,搅拌器结构：双层折叶式(=45)开启涡轮结构；叶片材料钼铬合金，叶片直径850 mm，叶片厚度10mm，叶片数 62，上层叶轮高度200mm，下层 叶轮高度170mm，上、下层叶轮距 搅拌桶桶底高度分别为1600mm和 600mm；搅拌轴材料45号钢，直径80mm；电机型号：Y3115-6，功率75kw；搅拌转速：240rpm。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,管道输送系统可行性评价,充填管道选择：选用168mm(9+4.5)mm耐磨陶瓷复合钢管，内径D=141mm，钢
46、管壁厚9mm，耐磨复合层厚度4.5mm，理论重量47.71kgm-1。理论计算出系统的最大工作流速为4.934.66ms-1，大于当前系统工作流速，充填能力可以得到保障。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,扩能方案一：二矿区自流充填系统充填能力为100m3h-1（46.2万m3a-1），膏体充填系统充填能力80m3h-1（20万m3a-1），现有3套自流、或2套自流、1套膏体同时运行，充填能力为（102.4138.6万m3a-1），要完成500万t的出矿任务、185.3万m3的充填量，建议增加1套自流充填系统，保证每天有4套自流，或3套自流、1套膏体充填系统同时运行。扩能方案二
47、：由于一期充填制备系统设备老化，效率较低，将其报废，重新建设2套充填能力为180200m3h-1的大型充填系统，保留膏体系统，可以满足扩产后的充填需要，且简化了充填系统管理，提高了系统可靠性。建议采用方案二,7.4 二矿区充填系统扩能技术方案研究,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,各种充填材料日用量：混合料浆：12252.6t；水泥：1919.2t；棒磨砂：7639.7t；水：2693.7t。,二矿区扩能改造后指标参数要求,4套自流充填系统和1套膏体充填系统同时运行，年充填量为185.3万m3,各物料仓容积计算：棒磨砂仓：5093.2m3；水泥仓：1476.3m3；水仓：269
48、3.7m3。,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,供砂系统改造,二矿区工艺设备扩能技术改造,提高外部供砂能力；淘汰老化落后抓斗起重机，适当增加数量；更新一期充填站的圆盘给料机，提高给料能力；更换改造皮带输送系统，提高输送稳定性；更换滤砂能力更大的振动筛；,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,一期充填站供灰工艺技术改造,取消一期搅拌站一楼40m长的500U型螺旋、四楼35m长的500U型螺旋、2台ZL450斗式提升机，在两个水泥仓底部安装三台20002100灰浆搅拌桶，将水泥从仓内经双管螺旋和冲板流量计直接输送到新安装
49、的灰浆搅拌桶，粉煤灰通过新设置一螺旋输送机运送到灰浆搅拌桶（如果今后不用粉煤灰，那么粉煤灰仓可作为储存水泥用）。再从搅拌站三楼水箱引三条100输水管线至灰浆搅拌桶，制备水泥浆体后，利用泥浆泵将灰浆输送到搅拌站三楼目前正在使用的三个高浓度料浆搅拌桶中进行充填料浆制备。,简少水泥输送的工艺环节，增强系统运行的稳定性及可靠程度,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,二矿区一期充填系统供灰工艺流程图,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,改造后的一期充填制备站工艺流程图,7 金川矿区充填系统扩能可行性及扩能技术方案研究,目的：建立视频监控能有效地提高全员劳动生产效率，减轻职工的
50、劳动强度；恢复一期充填站原拆除的1套搅拌系统，是为保证一期充填站能有3套自流搅拌系统可同时运行，至少有1套自流搅拌系统备用；二期膏体充填系统占用一套自流搅拌系统的供灰及搅拌设施，释放才能提高充填能力。,8 结论与建议,（1）全面调查了金川公司龙首矿和二矿区充填站地表、地形条件，井下开拓系统，现有充填系统制备及井下管道输送系统；进行了矿山充填料浆的流动力学参数测定分析；计算了各级充填钻孔的充填倍线，验算表明，两个矿区的充填倍线都能满足系统当前的输送要求。,（2）科学评价了龙首矿和二矿区现用充填制备与输送系统工况，从原料供给、料浆制备输送、充填效果、系统失效四个方面分析了深井充填系统存在的不确定性
