金川矿充填可靠性与扩能报告ppt.ppt
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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
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