姚高辉1，秦帅1，李小松1，王建栋2，杨世兴2，龚武田2
（1. 中色非洲矿业有限公司谦比希铜矿，赞比亚 基特韦 22592；2. 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083）
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引用格式：
①姚高辉，秦帅，李小松，王建栋，杨世兴，龚武田. 深井矿山膏体充填管网与满管率优化研究[J]. 铜业工程,2024(4):80-86.
②YAO Gaohui，QIN Shuai，LI Xiaosong，WANG Jiandong，YANG Shixing，GONG Wutian. Optimizing pipeline and full-pipe rate of deep mine paste-fill[J]. Copper Engineering, 2024(4):80-86.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.04.009
优化充填管网的布置和选型不仅能够延长管道使用寿命，还可以节约施工成本。以谦比希铜矿东南矿体900 mL充填为案例，以室内实验和阻力模型为基础，研究了3种充填管网布置方案的施工难度、压力分布及满管率。结果表明，充填管道内径从175 mm更换为152 mm后，3种方案管道最大压力分别从2.70，2.40，3.66 MPa提高至4.42，3.97，5.80 MPa，在管道承压范围内增大了沿程阻力；缩小管径使一级钻孔满管率从8%，7%，16%提高至24%，19%，37%，二级钻孔满管率均为100%，降低了一级钻孔和二级钻孔的磨损风险。从生产安全、施工成本、安装效率、管道磨损等方面综合分析后认为，利用了斜坡道960 mL风井的方案三为最优方案。本研究可为深井管网优化提供工程借鉴。
充填管路是将料浆从地表输送至采空区的重要设施。为了节约成本，矿山通常采取自流输送，但料浆浓度发生波动时，这种输送方式容易使充填管道剧烈磨损，甚至发生管道破裂或堵管，直接影响采场充填体的强度，无法实现采、选、充的连续作业。合理的管网布置不仅能够节约生产成本，而且能保障矿山高效运转。管网的布置不仅要从投资成本、运营成本、施工难度等方面考虑，还要兼顾管道自身的耐磨损程度和使用寿命。管路铺设时还要注意避免爬坡现象和“盲肠”结构，否则会增加爆管风险。优化管网布置路线，可以有效缓解堵管现象发生。遂昌金矿、武山铜矿、依据矿山生产现状和地表地形情况，以及环境保护、安全运输、建造周期、尾砂利用率等方面进行综合分析后，确定了符合实际情况的最优管路。此外，相关研究人员也对矿区料浆输送作了多方面的研究。石宏伟等分析了云南某矿山自流输送过程中的充填料浆运动机理、管道破坏机理和管道磨损机理；孙永茂等从料浆特性、管材、倍线、空气交界面等方面对充填管道的磨损进行了分析，并重点分析了张庄矿1#和2#充填钻孔的磨通、堵孔问题。充填管道的满管率不足是造成管道磨损的重要因素之一。姚高辉等研究了改变管道直径来提高钻孔满管率，以期延长管道的使用寿命；刘晓辉等基于水力学输送理论推导了满管率的数学模型，并对其影响因素作了理论分析，明确指出减小管道直径及增大系统流量是提高满管率的最佳途径，可有效减轻管道磨损。
综上所述，本文以谦比希铜矿东南矿体900 mL北采区管网优化为工程背景，从充填倍线、压力分布、施工周期及钻孔满管率等方面分析对比了不同充填管网布置方案，以期为深井充填管网优化提供参考。
图1 东南矿体管道布置图
图2 东南矿体选厂尾砂粒径级配曲线
图3 阻力实测值统计
图5 内径175 mm管网压力分布：（a1）方案一最长管路；（a2）方案一最短管路；（b1）方案二最长管路；（b2）方案二最短管路；（c1）方案三最长管路；（c2）方案三最短管路
图6 内径152 mm管网压力分布：（a1）方案一最长管路；（a2）方案一最短管路；（b1）方案二最长管路；（b2）方案二最短管路；（c1）方案三最长管路；（c2）方案三最短管路
以谦比希铜矿900 mL北采区管网优化为工程背景，从充填倍线、压力分布、施工周期及钻孔满管率4个方面对比3种充填管网布置方案，结论如下：
3）管径缩小为152 mm，3种管网布置方案的二级钻孔满管率均为100%，一级钻孔液位高度分别从54，50，110 m升高至160，130，252 m，满管率分别从8%，7%，16%增大至24%，19%，37%，显著提高了钻孔满管率，降低了钻孔的冲击磨损风险。此外，还可通过将直管改为U型管来增加管道长度；通过提高料浆浓度来增加阻力；通过添加阻尼节流孔、滚动球阀门等耗能装置来进一步提高钻孔满管率。
第一作者：姚高辉，博士，高级工程师，现任中色非洲矿业有限公司第一副总经理。曾获2012年博士研究国家奖学金，中国有色集团“第二批科技骨干”和中国有色集团科技工作先进个人，在国内外权威期刊发表学术论文28篇，申请授权发明专利8项、实用新型专利1项，参与编撰《采矿手册 第六卷 矿山智能化》（2023年）。获省部级及以上科技奖励6项，中国黄金协会科学技术一等奖1项（2023年，排名4），中国有色金属工业科学技术一等奖2项（2014年和2023年，排名均为6），北京市科技进步一等奖1项（2012年，排名9）以及中国有色金属工业科学技术三等奖1项（2018年，排名4）。获中国有色金属工业企业管理优秀论文一等奖1项。
杨世兴，北京科技大学采矿工程博士研究生，主要研究方向为：金属矿安全高效开采与尾矿绿色处理与综合利用，发表论文SCI、EI等共计20余篇，授权发明专利1项，参与国家十三五重点研发计划、国家自然科学基金项目等5项，参与横向课题10余项。
《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。中国工程院外籍院士、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士徐政和为期刊特约主编。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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