深海采矿扬矿模拟系统的试验研究

唐达生，阳宁，金星，龚德文，陈光国

(长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙，410012)

摘要：在湖南道县深度为219 m、直径为2.2 m的竖井内，建成一套提升管高度为224 m、内径为200 mm的水力管道提升试验系统，该试验系统由采集、提升、布放回收、给料、人工标定和测控子系统组成。进行了模拟结核粒径为30 mm、流量为299.5~447.8 m³/h、体积分数为2%~5%的提升试验。同时进行试验系统布放回收技术研究，验证了我国中试采矿扬矿系统工艺设计的合理性，为进一步海上试验系统设计提供了参考依据。该成果突破了陆地采矿的传统观念，在水力输煤、河道疏竣及陆基水下采矿等行业具有推广应用价值。

关键词：竖井；深海采矿；水力管道；模拟结核

中图分类号：TD432          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)S2-0214-07

Experimental study of lifting simulation system for deep-sea mining

TANG Da-sheng, YANG Ning, JIN Xing, CONG De-wen, CEHN Guang-guo

(State Key Laboratory of the Exploration and Utilization of Deep-sea Mineral Resources,

Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co. Ltd., Changsha 410012, China)

Abstract：A set of hydraulic lifting pipe test system was built which is lifting pipe with 224 m in height and 200 mm in inner diameter, in 219 m in depth and 2.2 m in diameter of a mine shaft of Dao Country，Hunan. The system includes collecting, lifting, decorating and recycling, feeding, artificial calibration, measurement and control subsystems. The system utilizes 30 mm simulation nodules, flow velocity is 299.5-447.8 m³/h, and volume fraction is 2%-5%. Decorate and recycling technique of the system was researched. The test verifies rationality of process design of transport lifting test installation. It affords reference for future sea test system. Its technological achievement breaks through the traditional ideas of terrestrial mining and has promotion prospects in hydraulic conveyer coal, river dredging method and land-based underwater mining industries.

Key words: shaft; deep-sea mining; hydraulic pipeline; simulation nodules

国外利用矿山竖井开展垂直管道提升研究较多的国家有美国、德国和日本。1965年，美国Parsons^[1]对其进行了研究。在完成了室内试验后，美国Deepsea Uentures公司在矿山废竖井中进行了扬矿试验，垂直管路长为220 m，输送管径为150 mm。1976年，德国Weber等^[2]利用442 m深的煤矿井进行试验，输送管径为300 mm，输送物料包括粒径为0.6 mm砂、5 mm砂石和50 mm褐煤。1987年，日本公害资源研究所在陆地上建成了深为200 m、直径为1.5 m的竖井^[3]，提升管高度为213 m，提升管内径为150 mm，试验物料采用30 mm和40 mm的模拟结核。

我国“八五”至“十五”期间，结合深海采矿扬矿技术的研究开发，长沙矿冶研究院有限责任公司在实验室建成了高度为30 m，内径为100，150和200 mm的垂直管道提升试验系统^[4-6]，采用天然锰结核和模拟结核进行了扬矿输送参数和工艺的试验研究工作。本文在实验室水力管道提升系统研究成果的基础上，开展深海采矿扬矿系统水下模拟试验，以便为海上扬矿试验系统的设计提供参考依据。于2009年5月在湖南道县深度为219 m、直径为2.2 m的竖井内，建成了一套提升管高度为224 m、内径为200 mm的水力管道提升试验系统，进行了模拟结核粒径30 mm的初步提升试验。

1  水力输送工况计算

按照我国深海采矿中试系统设计生产能力30万t/a的采矿目标，管道提升能力为30 t/h(干结核)、43 t/h (湿结核)。通过分析计算，管道提升体积分数C_v=6%较为合适^[7]。

(1) 输送流量Q_m：

(m³/h)            (1)

式中：Q_s为输送能力，t/h，取Q_s=43 t/h；ρ_s为颗粒密度，kg/m³，取ρ_s=2 t/m³；C_v为体积分数，%。

(2) 输送流速v_m。矿浆最小提升速度按大于最大颗粒沉降速度的3倍计算。颗粒的沉降速度W_t可按下式计算^[4]：

       (2)

式中：S_f为形状系数，S_f=0.9；ρ_s和ρ_sw分别为颗粒和清水密度；g为重力加速度。

取颗粒最大粒径d_max=40 mm，经计算得W_t=0.88 m/s，于是可得：最小提升速度v_m=2.64 m/s。取流量Q_m=358 m³/h，得v_m=3.17 m/s。

(3) 输送管内径D_in：

 (mm)          (3)

取管内径D_in=200 mm，最终选用尺寸应满足管道结构强度要求。

(4) 输送水力坡度。矿浆提升水力坡度由位能和摩阻水力坡降两部分组成，按下列公式计算：

 (4)

式中：J_m为浆体管流水力坡降，kPa/m；为相对粗糙度，＝0.000 491；W_gt为颗粒群沉降速度，

W_gt=0.756 m/s；Re为雷诺数，当u=1.306×10^{-6 m2}/s (t=10 ℃)时，Re=6.1×10⁵。将以上所有参数代入式(4)可得：J_m=1.172 kPa/m。

(5) 输送总扬程。考虑到提升高度水下213 m，水上11 m时，可得：

H=213×0.119 592+(0.119 592+1)×11=37.8 (m)

则泵设计作业点扬程为：

=37.8×1.1=41.6 (m)

 (6) 配带电机功率。泵有效功率可采用下式计算：

          (5)

将=1 102 kg/m³，Q_m=358 m³/h，=41.6 m代入式(5)可得：泵有效功率P_e=44.7 kW。

泵轴功率=44.7/0.5=89 (kW)；取泵效率=0.5；

电机功率=1.1×89=98 (kW)；取系数k_m=1.1。

(7) 泵安装水深。潜水电泵安装在水平线以下的压强低于管外压强，矿浆由清水位能进行提升。由清水位能提升矿浆达到的最高位置为零压点，该位置到地面的距离称作临界深度H_j，可按下式计算：

 (m)

上式计算结果表明：潜水电泵临界安装深度为  24 m。为保证泵不产生气蚀现象，确定泵安装深度为80 m。通过以上分析计算，水力输送参数计算结果见表1。

表1  水力输送参数计算结果

Table 1  Calculation results of hydraulic lifting parameters

2  试验系统和试验方法

2.1  试验系统

竖井提升试验系统如图1所示，包括采集子系统、提升子系统、布放回收子系统、给料子系统、人工标定子系统和测控子系统。

图1  竖井提升试验系统

Fig.1  Lifting test system of mine shaft

(1) 采集子系统：包括直径为1 500 mm、内径为80 mm的外环框架和直径为500 mm、内径为80 mm的内环框架，及内径为80 mm的高压喷嘴，角度为60°的集矿料斗，2台潜水泵，流量Q=160 m³/h，扬程H=11 m，额定电压V=380 V，电机功率P=7.5 kW。

(2) 提升子系统：包括高度为224 m、内径为200 mm的提升管，8/6-EG型砂砾泵，泵流量Q=360 m³/h，扬程H=43 m，额定电压V=380 V，电机功率P=140 kW，砂砾泵安装深度为-80 m，通过200 kW变频器调速系统进行无级调速，以获得不同的提升速度。

(3) 布放回收子系统：包括5 000 mm×3 000 mm×5 000 mm(长×宽×高)地面管道支架，5 000 mm×5 000 mm(长×宽)、承载能力为20 t井架机座，600 mm×300 mm(直径×高)、承载能力为20 t卡箍，吊车最大起吊能力为22 t。

(4) 给料子系统：包括宽度为0.5 m、长度为6 m皮带输送机，电机额定电压V=380 V，电机功率P=3 kW。

(5) 人工标定子系统：包括2 m³流量标定箱，1 000 mm×600 mm×600 mm(长×宽×高)移动小车，600 mm×600 mm×2 500 mm(长×宽×高)回流水箱，   1 300 mm×630 mm×500 mm(长×宽×高)水槽，水槽底部为5 mm×5 mm格筛。

(6) 测控子系统：包括动力输配、200 kW变频调速器、7.5 kW变频调速器(2台)、流量计、差压计、温度计、压力表及测控柜。

2.2  试验方法

试验前，通过地面移动式吊车把水力吸矿装置、砂砾泵和提升管道布放到井下，提升管道上端吊装在地面井架上，下端与水力吸矿装置相联。当水力吸矿装置着底时，先启动砂砾泵输送清水，然后启动水力吸矿装置的潜水泵。

试验时，采用人工方式将模拟结核经皮带输送机由井口位置抛入竖井内，水力吸矿装置潜水泵的压力水把提升管道入口的结核颗粒保持悬浮状态。结核由水力吸矿装置，通过提升管、砂砾泵和地面管道返回到竖井内，结核矿浆在竖井内自然沉降。同时，远程测控站采集试验数据，整个水力管道提升试验过程均由地面远程测控站控制和监视，屏幕上均清晰地显示提升试验过程每一启动步骤和提升试验过程中设备工作状况，如启动或试验过程中出现问题时将会发出报警信号。

试验结束时，首先停止水力吸矿装置工作，当提升管道出口排出清水时，即可关闭砂砾泵。

3  试验装置与子系统接口

3.1  试验装置

试验装置主要包括：提升管及接头、电缆卡箍、泵联接支架、井架、标定箱和水力吸矿装置等，现分述如下。

(1) 提升管及接头：按规范选取标准管径与壁厚，提升管长度按吊车起吊高度和布放要求。提升管结构采用法兰联接的结构型式，上、下法兰焊接在提升管的两端不再拆卸，提升管上法兰能为移动式卡箍提供承载面。上、下两节提升管的法兰采用螺栓联接，法兰之间用工业橡胶密封并用定位销进行定位。提升管及接头如图2所示。

图2  提升管及接头

Fig.2  Lifting pipe and tube union

(2) 电缆卡箍：包括提升管、泵电缆、潜水电机电缆(2根)卡箍共4个，用一联接钢板把4个卡箍焊接在一起。通过螺栓和夹板可将电缆夹住或打开，卡具与电缆联接处设有工业橡胶，以保护电缆外皮不受损坏。电缆卡箍如图3所示。

图3  电缆卡箍

Fig.3  Cable band

(3) 泵联接支架：包括泵、潜水电机、底座、框架、弹性减震器、变径接头及进出口法兰等。泵和潜水电机通过底座固定在支架内，泵进出口法兰固定在支架的两端，泵出口端安装1个弹性减震器，以便减少对提升管路的震动。考虑了泵框架外型尺寸，便于布放和竖井尺寸的要求。泵联接支架如图4所示。

图4  泵联接支架

Fig.4  Connecting bracket for pump

(4) 井架：包括底座、支架、固定架、钢丝绳和方木等。支架通过螺栓固定在底座上，并用4根钢丝绳与地面拉紧，支架上部的固定架用螺栓与提升管相联，整个井架放置在方木上并位于竖井中心位置。井架如图5所示。

图5  井架

Fig.5  Well of derrick

(5) 标定箱：包括标定箱、回流箱、过滤箱、分流小车和钢丝绳等。当需标定时，通过钢丝绳移动小车矿浆流入标定箱内，标定后再流入过滤箱，清水流入井内，对过滤箱的结核进行称重。正常输送时，矿浆通过分流小车经回流箱流入井内。标定箱如图6所示。

(6) 水力吸矿装置：包括高压喷嘴、集矿斗、软管、潜水泵及底架等。高压喷嘴安装在集矿斗下方的四周侧，高压喷嘴通过软管与潜水泵相连，集矿斗的顶端与提升管道相连通。潜水泵产生的压力水通过软管经过喷嘴出来形成射流，扬起集矿斗内沉淀的结核，保证提升管道入口处的结核出于悬浮状态。设计中考虑了结构、噴嘴尺寸，潜水电泵工作参数的选型及联接方式。潜水电泵位于在提升管道入口上部位置，以免结核矿浆直接进入潜水电机，确保潜水电机正常运转。水力吸矿装置如图7所示。

图6  标定箱

Fig.6  Calibration box

图7  水力吸矿装置

Fig.7  Hydraulic absorbing mineral unit

3.2  子系统接口

子系统接口以提升子系统为主体组成部分，安装在试验竖井内；其他子系统为配合部分，子系统接口包括如下。

(1) 提升子系统-布放回收子系统：布放回收子系统位于试验竖井上部，它们之间的接口是移动式卡箍。先对提升子系统的质量进行计算，在满足试验要求的条件下，限制提升子系统的最大外型尺寸。然后设计移动式卡箍，满足强度要求，并提出地面吊车的起重能力和起重高度。

(2) 提升子系统-给料子系统：给料子系统位于试验竖井井口侧部位置，与提升子系统的接口是地面井架。模拟结核由皮带输送机输送到地面井架的入口处，经地面井架的入口处投放到竖井内，自由沉降后进入提升子系统。

(3) 提升子系统-采集子系统：采集子系统位于提升子系统下部位置，它们之间的接口主要考虑提升管道下端与水力吸矿装置集矿斗底部的距离，以确保集矿斗内的模拟结核能顺利的进入提升管内。

(4) 提升子系统-人工标定子系统：人工标定子系统位于地面井架的上部，通过螺栓与地面井架联接。它们之间的接口是提升管出口端与流量标定箱入口处的相对位置，流量标定箱出口处与地面井架的相对位置。还考虑了流量标定箱的容积应满足提升管道体积分数和速度的标定要求。

(5) 提升子系统-测控子系统：测控子系统的动力输配部分与提升子系统的接口是砂砾泵电机和潜水泵电机，根据提升子系统的工艺参数要求调节转速，以确保水下设备安全可靠地供电。测控子系统的测量部分与提升子系统的接口是在地面管道，考虑了电磁流量计、差压计和温度计的安装要求和方式。

4  试验系统布放回收技术

试验系统布放回收技术的装置是将吊车和地面井架相结合，其功能是把水力吸矿装置、提升管道、砂砾泵及电缆等有序、准确、快速和安全地布放到竖井内预定位置，当水力吸矿装置着底时，提升管道上端吊装在地面井架的卡箍上，联结方式为固结。

(1) 水力吸矿装置-提升管道布放：用地面吊车吊起水力吸矿装置的上部管道法兰移动到井架的卡箍上，联接好潜水泵电缆，水力吸矿装置入水后起动潜水泵，检查设备是否处于正常运行状况。如果设备运行正常时，将水力吸矿装置上部管道的法兰与提升管道下部的法兰进行对接，通过螺栓把水力吸矿装置和提升管道联接成一个整体装置，这样可以保证潜水泵和电缆的正常运行和设备安全。

(2) 提升管道-砂砾泵布放：当提升管道上部的法兰支承在地面井架卡箍时，用吊车吊起砂砾泵支架，将提升管道上部的法兰与砂砾泵支架下部短管的法兰通过螺栓联接。同时检查潜水电机内是否充满清水和绝缘电阻，以确保砂砾泵的正常运行。泵电缆的布放是与砂砾泵同步进行的，这就要求电缆转筒的转速和吊车钢丝绳的运行速度保持同步进行，还要求提升管道和泵电缆在卡箍内的相对位置，以免损坏电缆。

(3) 提升管道-提升管道布放：主要考虑了2点要求：第一点是提升管道上部的法兰与另一节提升管道下部的法兰通过螺栓联接，两节管道中心定位采用法兰上的定位销，法兰与法兰之间采用工业橡胶密封；第二点是提升管道中心与竖井中心的相对位置，提升管道上部的法兰是支承在地面井架上面的卡箍上，只要保证卡箍在地面井架中心位置，即可满足提升管道的布放要求。

(4) 动力电缆布放：砂砾泵以下为2根潜水泵电缆，砂砾泵以上为3根电缆(包括1根砂砾泵电缆和两根潜水泵电缆)。电缆通过电缆卡具固定在提升管道上，随提升管道同步进行。砂砾泵电缆布放时，将电缆悬挂在电缆圈筒上，通过人工放送电缆来达到布放电缆的目的；潜水泵电缆布放回收时，直接通过人工操纵。

试验系统回收作业过程是布放作业的逆过程。

5  水力管道提升试验

5.1  试验物料

试验物料采用人工模拟结核，结核粒径为40 mm和30 mm。结核密度为2 t/m³。根据实验室模拟结核颗粒静水沉降试验结果，40 mm和30 mm结核粒径的自由沉降速度分别为0.92 m/s和0.77 m/s。

5.2  不同浓度矿浆的提升试验

5.2.1  预备性试验

为确保水力提升试验系统正常运行，进行了模拟结核粒径(d=30 mm和40 mm)的预备性试验，试验结果见表2。由表2可以看出：2次试验结核的回收量均少于投料量，这说明一部分结核在竖井内自由沉降时，没有沉降到水力吸矿装置内部，由该装置側部流入到井底，砂砾泵将无法把该部分结核通过提升管道输送

表2  结核投料量与回收量

Table 2  Feed and recovery quantity of the nodules

到地面。

5.2.2  模拟结核(d=30 mm)矿浆提升试验

试验系统投入模拟结核共2 100 kg，分3次投料：① 投料1 550 kg，投料时间为6 min 22 s；② 投料300 kg，投料时间为7 min 25 s；③ 投料250 kg，投料时间为5 min 27 s。试验结果见表3，由表3可知：试验流量为299.5~447.8 m³/h，体积分数为2.66%~4.80%，提升管试验浓度随投料量的增加而增加。

表3  模拟结核(d=30 mm)试验结果

Table 3  Nodule (d=30 mm) test results

试验系统共运行122 min。试验完成后，将试验系统和竖井内的模拟结核回收到地面，回收时间约10 min 30 s，模拟结核回收量共1 800 kg，如图8所示。

图8  回收的模拟结核

Fig.8  Recovery nodules

5.2.3  模拟结核(d=40 mm)矿浆提升试验

试验系统投入模拟结核约1 700 kg，投料时间为5 min 42 s。当试验系统运行15 min时，进行了提升管浓度标定，标定流量为313.9 m³/h, 标定体积分数为2.2%。当试验系统运行约25 min时，经人工观察，提升管出口矿浆流量明显降低，直到提升管出口无矿浆流，此时证明提升管道已经堵塞。如图9所示。

对提升管道堵塞的原因进行初步分析。一方面，由于试验竖井的井壁无法采用钢筋混凝土加固，在试验过程中，井壁个别岩石塌落直接沉降到水力吸矿装置的集矿斗，影响了矿浆提升浓度的稳定；另一方面，人工投料方式、水力吸矿装置工作性能、竖井内颗粒自由沉降速度的不均匀性以及模拟结核粒径等，这是需要进一步考虑的问题。

图9  管道结核堵塞

Fig.9  Pipe nodules block

6  结论

(1) 介绍了一套提升管高度为224 m、内径为200 mm的水力管道提升试验系统，论述了试验装置、子系统接口和布放回收技术，测试手段基本完备，可进行水力管道提升试验和相关关键设备试验。

(2) 进行了模拟结核粒径为30 mm、体积分数为2%~5%的水力管道提升试验，可作为深海采矿扬矿系统设计的参考依据。初步分析了模拟结核d=40 mm的矿浆提升试验管道堵塞的原因，有待进一步改进与  完善。

参考文献：

[1] Parsons J S. A preliminary investigation of deep-sea dredging by air-lift[D]. Dissertation: University of California, 1965.

[2] Weber M, Dedegil Y. Transport of solids according to the air-lift principle[C]//Fourth International Conference on the Hydraulic Transport of Solids in Pipes. 1976: H1-1-H1-23.

[3] 山崎 哲生, 宇佐美毅, 登美纪男, 等. 200 m揚鉱設備にぉけゐポンプリワト実験(第2報)[J]. 採鉱と保安, 1987, 33(4): 169-177.

[4] 水力提升技术研究[R]. 长沙: 长沙矿冶研究院, 1995: 40-44.

The study of hydraulic lifting technology[R]. Changsha: Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy, 1995: 40-44.

[5] 扬矿硬管系统工艺与参数研究[R]. 长沙: 长沙矿冶研究院, 1999: 19-23.
The study of the process and parameter for lifting pipeline system[R]. Changsha: Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy, 1999: 19-23.

[6] “十五”深海采矿扬矿系统实验室试验研究[R]. 长沙: 长沙矿冶研究院, 2007: 8-19.
The study on lift system in deep ocean mining of the tenth Five-Year Plan[R]. Changsha: Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy, 2007: 8-19.

[7] 中试采矿系统技术设计(扬矿子系统)[R]. 长沙: 长沙矿冶研究院, 2001: 3-4.
The technical design of pilot plant test in deep ocean mining(lifting pipeline system)[R]. Changsha: Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy, 2001: 3-4.

(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15

基金项目：中国大洋矿产资源研究开发协会专项基金资助项目(DYXM-115-04-02-02)

通信作者：唐达生(1954-)，男，湖南湘潭人，教授级高工，从事深海采矿扬矿和管道输送技术研究；电话：0731-88657029；E-mail: Tds54@163.com