武景云,高延法,曲廣龍,馬鵬鵬,陸 侃

(1.黑龍江龍煤集團(tuán)公司,黑龍江雙鴨山 155100;2.中國礦業(yè)大學(xué) (北京),北京 100083)

采空區(qū)粉煤灰充填氣力輸送與文丘里管充填器試驗研究

武景云1,高延法2,曲廣龍2,馬鵬鵬2,陸 侃2

(1.黑龍江龍煤集團(tuán)公司,黑龍江雙鴨山 155100;2.中國礦業(yè)大學(xué) (北京),北京 100083)

提出了采用氣力輸送和文丘里管充填器進(jìn)行井下采空區(qū)粉煤灰充填的技術(shù)方法,設(shè)計了由地表至井下采空區(qū)的充填系統(tǒng)。研發(fā)了文丘里管充填器,并進(jìn)行了地面與井下充填實驗。該充填系統(tǒng)為燃煤電廠粉煤灰井下存儲和礦井開采沉陷控制開辟了新的技術(shù)途徑。

粉煤灰;采空區(qū)充填;氣力輸送;文丘里管充填

Research on A irslide of Fly Ash for Stowing Gob and Laboratory of Venuri Pipe for StowingMachine

礦井開采沉陷控制對于井下安全開采和礦區(qū)環(huán)境保護(hù)都具有重要意義。將燃煤及煤矸石發(fā)電廠排放的粉煤灰充填到煤礦井下采空區(qū),既能減少粉煤灰在地面造成的環(huán)境污染,又能有效地控制地表沉陷。可同時解決電廠與煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式中的粉煤灰排放和地表沉陷兩大關(guān)鍵技術(shù)難題,對實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義[1-4]。

粉煤灰氣力輸送井下充填技術(shù)思路:通過鉆孔將粉煤灰輸送到井下,井下通過管路氣力輸送到采煤工作面,在采場內(nèi)通過文丘里管充填器實現(xiàn)水灰混合后,直接噴射充填到采空區(qū)。該技術(shù)有 2個關(guān)鍵點(diǎn):文丘里管充填器和粉煤灰管道氣力輸送。

1 充填器實驗研究

在采場內(nèi),將通過管道氣力輸送來的粉煤灰噴射充填到采空區(qū)內(nèi),就必須解決粉煤灰充填時的降塵問題。擬設(shè)計一種充填器實現(xiàn)粉煤灰與水的充分混合,達(dá)到降塵甚至消除揚(yáng)塵的目的。為此,先后設(shè)計了 3種結(jié)構(gòu)的充填器,并分別進(jìn)行了實驗。

1.1 直管式充填器

主體結(jié)構(gòu)為 1節(jié)一端為錐型的鋼管圓筒,其另一端錐型口直接連接供灰管。在直管出口內(nèi)外布置噴頭噴霧降塵。

圓筒周邊布置著 4個被彎成環(huán)形的水管,每一個水管連接著 4個圓筒內(nèi)的噴頭。在圓筒內(nèi),水沿徑向噴出,并與圓筒內(nèi)沿軸向流動的粉煤灰混合。同時,在靠近出口處也布置著環(huán)形水管,開有沿軸向噴水的小孔。噴水與圓筒噴出的粉煤灰平行流動,并環(huán)繞在圓筒內(nèi)噴出的粉煤灰周圍,從而起到降塵作用。

實驗效果:實驗中粉煤灰塵埃較大,水沒有起到充分降塵作用;水和粉煤灰混合不好,圓筒口有水流出現(xiàn)象;噴射距離約 5m。

實驗結(jié)論:直管式充填器降塵效果較差。

1.2 噴漿管式充填器

噴漿管式充填器借鑒了井下噴漿機(jī)的原理。該充填器由兩部分構(gòu)成,前半部分是膛線管,后半部分是水灰混合管。該充填器的降塵過程在管內(nèi)實現(xiàn)。水直接進(jìn)入內(nèi)外兩層鋼管之間的環(huán)形空腔,然后從內(nèi)層鋼管的小孔向內(nèi)噴出,在充填管內(nèi)與粉煤灰混合。

膛線管內(nèi)有螺旋膛線,能收縮集中粉煤灰流線,加大噴射距離,集中噴射點(diǎn)。同時也能進(jìn)一步使粉煤灰和水更有效混合。

實驗效果:粉煤灰和水混合效果大為改善,粉塵顯著減少。但當(dāng)粉煤灰的供給不穩(wěn)定時,水灰混合效果較差,時而出現(xiàn)粉塵,時而出現(xiàn)流水。

實驗結(jié)論:粉煤灰和水混合性能不夠穩(wěn)定,尚需改進(jìn)。

1.3 文丘里管充填器

1.3.1 文丘里管充填器的結(jié)構(gòu)

文丘里管充填器是由收縮管、喉管和擴(kuò)散管組成的,如圖 1。喉管段是雙層鋼管,內(nèi)層有噴水小孔,壓力水在喉管的環(huán)形空間向管內(nèi)噴出。

圖1 文丘里管式充填器結(jié)構(gòu)

1.3.2 文丘里管充填器水灰混合原理

文丘里管充填器水灰混合原理包括兩個方面:流體力學(xué)中的文丘里管收縮加速與擴(kuò)散形成渦流原理;水珠與粉塵顆粒高速碰撞——沖破彼此氣膜——實現(xiàn)水灰結(jié)合的原理[5]。

粉煤灰通過文丘里管時,在收縮管內(nèi)粉煤灰逐漸加速,到達(dá)喉管處流速最高。

喉管段由孔沿徑向噴入壓力水,在軸向高速氣流的沖擊下,水線被粉碎成大量的小液滴,充滿整個喉部。沿軸向高速運(yùn)動著的粉煤灰塵粒,沖破沿徑向運(yùn)動的細(xì)小水珠周圍的氣膜,被吸附在水珠上沿軸向進(jìn)入擴(kuò)散管。

在擴(kuò)散管內(nèi),氣流速度變小,會出現(xiàn)渦流,使得粉煤灰與水滴進(jìn)一步充分混合,同時氣流壓力逐漸得到恢復(fù)。

充分混合后的塑態(tài)泥狀粉煤灰,最后經(jīng)過膛線管后噴射出去。

1.3.3 工程型文丘里管充填器試驗

為了滿足充填工程的需要,提高充填器的充填能力,研制了工程型文丘里管充填器,并進(jìn)行了工程型文丘里管充填器性能試驗。

實驗設(shè)備:空壓機(jī),型號 vf-6/7,風(fēng)量 6m3/ h,風(fēng)壓 0.4MPa。文丘里管充填器型號:Ⅰ型進(jìn)灰管 <76mm,進(jìn)水管 <15mm;Ⅱ型進(jìn)灰管<133mm,進(jìn)水管 <20mm;Ⅲ型進(jìn)灰管 <219mm、進(jìn)水管<25mm。

實驗效果:文丘里管充填器都能實現(xiàn)粉煤灰與水的有效混合,粉煤灰噴出后呈細(xì)小碎塊、塑性泥巴狀;在合理的水灰比條件下,無揚(yáng)塵出現(xiàn);進(jìn)灰管 <133mm、進(jìn)水管 <25mm的Ⅱ型充填器,其充填能力可達(dá)到 20m3/h,粉煤灰噴射距離為 12m。

實驗結(jié)論:文丘里管充填器能夠完全達(dá)到粉煤灰充填的要求。

2 東榮二礦井下采空區(qū)粉煤灰充填方案

2.1 采空區(qū)粉煤灰充填氣力輸送系統(tǒng)

為東榮礦二礦南二下延采區(qū) 18層煤五面設(shè)計了井下采空區(qū)粉煤灰充填方案。充填系統(tǒng)主要包括3個部分:地面與投料孔系統(tǒng)、井下輸送系統(tǒng)和工作面充填系統(tǒng)。粉煤灰充填系統(tǒng)方案如圖 2所示。

圖2 礦井采空區(qū)粉煤灰充填系統(tǒng)

地面與投料系統(tǒng) 由汽車將粉煤灰由電廠運(yùn)送到地面充填站的儲灰倉,通過大孔徑鉆孔將電廠粉煤灰由地面輸送到井下。

井下輸送系統(tǒng) 在井下以壓風(fēng)為動力,通過管路氣力輸送到采煤工作面。

工作面充填系統(tǒng) 在采場內(nèi)將氣力輸送來的粉煤灰通過文丘里管充填器實現(xiàn)水灰混合,直接噴射充填到采場后方的采空區(qū)內(nèi)。

2.2 地面與投料孔系統(tǒng)

輸灰鉆孔位置設(shè)在充填采區(qū)的總回風(fēng)巷外側(cè)處,粉煤灰沿輸灰管路向下輸送。鉆孔孔徑<340mm,并配有 <335mm無縫鋼管作為護(hù)壁鋼管,并在護(hù)孔管的內(nèi)部安裝陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管,作為向井下輸送粉煤灰的管路,投料孔及其井上下灰倉系統(tǒng)如圖 3所示。

2.3 井下氣力輸送系統(tǒng)

粉煤灰氣力輸送采用“雙套管輸送技術(shù)”,粉煤灰輸送距離為 1000m。氣灰比為 12,粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)與充填能力為 80t/h。主要設(shè)備有倉泵和輸灰管路。

圖3 地面與投料孔系統(tǒng)

倉泵:1m3倉泵 2臺,風(fēng)壓 0.75～0.85MPa,風(fēng)量 50m3/h。

輸灰管路:雙套管型,如圖 4,長度 1000m,采用三級套管,變徑位置在 400m和 800m處,套管直徑變化為:200mm→225mm→250mm。

圖4 雙套管型輸灰管

2.4 采場內(nèi)充填系統(tǒng)

圖5 粉煤灰充填系統(tǒng)

采煤工作面粉煤灰充填系統(tǒng)如圖 5所示。如果頂板結(jié)構(gòu)比較完整,懸頂距離較大,采場與采空區(qū)之間不用隔離,反之,如果頂板結(jié)構(gòu)不夠完整,懸頂距離較小,應(yīng)該加隔離荊笆,及時充填采場控頂范圍之外后方的懸頂區(qū)。

3 主要結(jié)論

(1)通過文丘里管充填器的地面和井下實驗,粉煤灰和水能得到充分混合,最終噴出的是塑態(tài)泥狀粉煤灰,無揚(yáng)塵。

(2)粉煤灰管路氣力輸送系統(tǒng)占地面積小,管路柔性靈活,適用于井下空間有限的特點(diǎn)。輸送中物料與外界隔絕,無污染。粉煤灰通過大孔徑鉆孔由地面輸送到井下,在井下通過管路氣力輸送到采煤工作面,在采場內(nèi)通過文丘里管充填器實現(xiàn)水灰混合后直接充填到采空區(qū)。

(3)井下粉煤灰氣力輸送距離 1000m,氣灰比為 12,粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)與充填能力為 80t/ h,采空區(qū)粉塵含量滿足《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。

(4)礦井采空區(qū)粉煤灰充填,既解決了電廠粉煤灰存儲的技術(shù)難題,減少粉煤灰對地面環(huán)境的污染;有利于煤礦企業(yè)走循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展道路,實現(xiàn)礦區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]張紹國,唐桂弟,龐欣榮 .粉煤灰在高峰公司井下充填應(yīng)用試驗 [J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,29(5):7-9.

[2]劉 堅 .粉煤灰在礦山充填中的試驗研究 [J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2003,(5):43-44.

[3]韓朝軍,李延?xùn)| .邢臺礦粉煤灰充填技術(shù)可行性研究 [J].中國礦山工程,2006,35(4):16-18.

[4]李延?xùn)| .邢臺礦粉煤灰膏體充填工藝試驗研究 [J].中國礦山工程,2008,37(4):38-40.

[5]嚴(yán) 敬 .工程流體力學(xué) [M].重慶:重慶大學(xué)出版社, 2007.

[6]崔功龍 .燃煤發(fā)電廠粉煤灰氣力輸送系統(tǒng) [M].中國電力出版社,2005.

[責(zé)任編輯:王興庫]

TD823.7

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1006-6225(2010)03-0085-03

2010-04-30

武景云 (1957-),男,遼寧彰武人,高級工程師,現(xiàn)任黑龍江龍煤集團(tuán)新疆礦業(yè)公司副總經(jīng)理。