顏丙雙，胡炳南，黃晉兵

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013;3.晉城煤業(yè)集團王臺鋪煤礦，山西晉城048000)

1 高水膨脹材料充填開采概況

1.1 背景

隨著我國煤炭資源的不斷開采，“三下”壓煤的合理高效開采問題已成為我國煤炭資源可持續(xù)發(fā)展和礦區(qū)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展的重要問題［1］，據(jù)對國有重點煤礦的統(tǒng)計，全國壓煤量約13.79Gt，其中建筑物下壓煤為8.76Gt，村莊壓煤又占建筑物下壓煤的60%。從地域上看，人口密集、村莊集中的河北、山東、河南、安徽、江蘇 (平原地區(qū))5省村莊下壓煤量占到全國村莊下壓煤量的55%以上［2－3］。

王臺鋪煤礦于1958年建井，迄今開采時間長達50多年，加之近年來礦井生產(chǎn)能力的大幅度提升，在煤礦現(xiàn)有開采技術條件下的煤炭可采資源量將近枯竭，預計在2014年前半年正規(guī)綜采工作面將回采結束。剩余地質儲量多數(shù)為建筑物下壓煤，可采煤層中9號煤層壓煤約19.753Mt，主采15號煤層壓煤約為37.707Mt，兩煤層具備可采條件的“三下”壓煤總量達57.46Mt。為了提高礦井采出率，延長礦井服務年限，在充分調研的基礎上決定采用高水膨脹材料刀柱式充填開采技術進行“三下”壓煤開采［4－6］。

1.2 高水膨脹材料介紹

高水膨脹材料是一種新型的充填材料，材料由基料和輔料組成?；蠟榉勖夯摇⒊嗄嗟裙栀|材料，輔料為石膏、石灰、水泥和膨脹劑。將基料、輔料與水充分攪拌混合后，制成水料的質量比為(1.3～1.5)∶1左右的充填料漿。其良好的流動性、足夠的穩(wěn)定性和較高的抗壓性，使其在回收“三下”壓煤中得到廣泛的應用。

1.3 高水膨脹材料充填工藝

高水膨脹材料充填開采依靠材料自身良好的流動性，在地面進行制漿，通過管道輸送系統(tǒng)輸送至工作面，經(jīng)工作面管路輸送至采空區(qū)進行充填，凝固后的充填體可以有效地代替原煤體支撐頂板，控制上覆巖層移動［7］。

高水膨脹材料充填系統(tǒng)包括地面制漿系統(tǒng)、料漿輸送系統(tǒng)和工作面充填點3部分。地面制漿系統(tǒng)包括初漿罐、輔料罐和成漿罐，罐內(nèi)安裝有攪拌電機，初漿制備完成后和輔料一起進入成漿罐繼續(xù)攪拌，攪拌好的成漿經(jīng)料漿輸送系統(tǒng)到工作面充填點進行充填，工藝流程如圖1所示。

圖1 充填工藝流程

2 管道布置設計

2.1 干路管選取

2.1.1 管道流速計算

充填料漿屬于固液兩相流，當流速過低時，料漿中的固體成分容易沉積在管道底部，磨損管道或造成堵管事故，影響充填作業(yè)的順利進行;速度過大時，漿體與管道的摩擦阻力增大，對管道接頭和轉彎處損傷較大。因此存在一個臨界流速，使得漿體中所有的固體顆粒懸浮且壓力損失最小。

根據(jù)目前礦山充填中應用較多的費翔俊臨界流速公式來計算［8］:

式中，Vc為臨界流速;D為管道直徑，取125.0mm;Sv為料漿的體積濃度，取0.87g/ml;ρs為顆粒密度，取2.06mg/mm3;ρm為料漿密度，取1.53mg/mm3;ω－為顆粒平均沉降速度，取0.005m/s;es為懸浮效率系數(shù)，取0.90。

將以上參數(shù)帶入公式 (1)，計算得臨界流速Vc=0.65m/s，參照我國礦山充填開采的經(jīng)驗，實際流速一般為臨界流速的2～3倍，考慮到王臺鋪煤礦充填系統(tǒng)最大充填能力為120m3/h和漿液輸送要求，設計漿液流速為2.2m/s。根據(jù)體積流量計算公式:

式中，Q為體積流量;V為流速。將Q=120m3/h，V=2.2m/s代入得D=138.9mm，即管路內(nèi)徑應不小于138.9mm。

2.1.2 管道壁厚計算

充填管道壁厚δ按下式計算:

式中，P為管道所受最大壓強，按公式P=ΔH·γ計算，其中ΔH為充填管道豎直段的高差，γ為料漿容重;D為管路內(nèi)徑，取138.9mm; ［σ］為鋼材抗拉許用應力，當δ＜16mm時，［σ］一般在112～170MPa之間，取16Mn鋼163MPa為例進行計算;K為磨損腐蝕量，取3.0mm。

代入得δ=4.52mm。因充填料漿會對管路造成較大的磨損，壁厚考慮2倍的富余量［9］，則管路的壁厚不小于9.04mm，因此，設計管道壁厚為10mm。

2.1.3 管道型號

根據(jù)以上計算結果，參考《熱軋無縫鋼管品種》(GB8163，GB17395)，選取管道規(guī)格為 φ159mm×10mm的16Mn無縫鋼管做為井下充填干管的充填管路。

2.2 干路管布置

2.2.1 管道輸送水力損失分析

漿體在進行管道輸送時，除了漿液與管道的摩擦損失之外，每當直線流動受到管路元件的擾動時，就會產(chǎn)生一個局部水里損失，疊加在直管段的沿程損失上，因此管道的水力損失包括沿程損失和局部損失2部分。由能量方程:

式中，f為沿程阻力系數(shù)，L為管路長度，D為管路直徑，K為管件局部損失因數(shù)。由式 (4)可知，當充填鉆孔位置和工作面位置確定以后，其輸送距離是一定的，水力損失由局部損失決定，管道部分元件的局部損失系數(shù)如表1，表2。

表1 彎頭局部損失因數(shù)

表2 3種常用閥門的局部損失因數(shù)

由表1，表2可知，當閥門開口較小時，其損失因數(shù)遠遠大于沿程損失因數(shù)和彎頭損失因數(shù)，例如對于直徑150mm的閘閥，開度為1/8時，其局部損失因數(shù)為74;對于轉彎角度為180°彎頭，當螺紋連接時局部損失因數(shù)僅為1.5，相差甚大。因此，應合理選擇管路型號，避免長期使用閥門調節(jié)流量，這樣一方面減小料漿輸送阻力，另一方面避免閥門磨損，閥門在使用過程中應盡量保持較大的開度。當閥門開度為100%時，局部損失:閘閥＜蝶閥。

2.2.2 干路管布置

充填干路管從鉆孔底部沿最近的開拓巷道路線布置到工作面，管路布置時應保持平直，避免管路的起伏波動。為不影響巷道的使用，管道可沿頂板進行布置，當煤層采高較大時，考慮到管道維修處理方便，可布置在巷幫。王臺鋪煤礦充填開采試驗區(qū)煤層采高為2.6m，故管路沿頂板進行布置;水平段管路長度為501m，只在管路進口和工作面處安裝閥門，減小管路輸送阻力。

2.3 工作面管路布置

充填倍線是指充填管路總長度與豎直段的長度之比，高水膨脹材料具有良好的流動性，試驗證明其充填倍線可達到10以上。當充填倍線大于10時，為增加出漿口壓力，應考慮管道口做變徑處理。工作面管路根據(jù)實際情況，可選擇多條布置或單條布置;根據(jù)支巷的頂板條件，充填管出漿口位置分為巷口布置和頂板最大標高點布置，如圖2。

工作面管路布置有4種方式:

(1)單條管路布置在巷口 優(yōu)點為:管路布置簡單，容易操控。缺點為:無備用管路，對頂板高差變化較大的支巷適用性差，可靠性降低。適用條件為:充填倍線小，一次充填，支巷頂板起伏不大。

圖2 支巷內(nèi)充填管路布置

(2)多條管路布置在巷口 優(yōu)點為:具有備用管路，可靠性高。缺點為:管路布置復雜，無法控制各管路內(nèi)的漿液流速一致，存在堵管風險。適用條件為:充填倍線大，分次充填，支巷頂板起伏不大。

(3)單條管路布置在最高點 優(yōu)點為:管路布置簡單，容易操控。缺點為:無備用管路。適用條件為:充填倍線小，一次充填，支巷頂板起伏較大。

(4)多條管路布置在最高點 優(yōu)點為:具有備用管路，可靠性高。缺點為:管路布置復雜。適用條件為:充填倍線大，分次充填，支巷頂板起伏較大。

3 充滿率影響因素

充填開采是依靠充填體來代替原煤層支撐頂板，控制地表下沉。要使充填體起支撐作用，應保證至少部分充填體接頂［10］。如果空間未充滿，造成頂板大面積懸空，勢必影響作業(yè)安全。而近水平煤層進行充填開采時，由于煤層本身傾角較小，不利于高水膨脹材料的流動，更難保證采空區(qū)充滿接頂。以下從幾個影響因素分析近水平煤層高水充填體接頂情況。

3.1 支巷傾角

近水平煤層支巷充填對采空區(qū)的充滿率要求更高，同等的充滿率，近水平煤層支巷的欠接頂距離遠大于傾斜支巷。例如當支巷最高點充填體欠接頂量為300mm時，傾角為10°的支巷欠接頂距離為1.70m;傾角為 0.5°的支巷欠接頂距離則為34.4m。

3.2 材料泌水率

高水膨脹材料在固化反應以后，其固結體表面會泌出一層清水，泌水量與料漿含水量之比，稱為高水膨脹材料的泌水率。理想狀態(tài)下，高水膨脹材料的泌水率為0時，采空區(qū)可以完全充滿，但高水膨脹材料的泌水率是客觀存在的，一般控制在3%以下。材料泌水的存在減小了支巷的有效充填體積，泌水率越大，采空區(qū)充滿率越低。

3.3 支巷頂板起伏

支巷頂板起伏是影響支巷充填率的不可改變因素。支巷的頂板起伏變化，不利于漿液的充滿，起伏越大，頂板凸起空間越不易被充滿，采空區(qū)的充填效果越差。

3.4 出漿口位置

管路充填出漿口位置的合理選擇，可以保證充填作業(yè)的順利進行。在近水平煤層充填中，如上所述，較小的欠接頂量可以造成較大的欠接頂距離，充填管路本身直徑也是一個不可忽略的因素。

為了保證近水平煤層支巷充填順利進行，必須采取各種措施提高支巷充滿率。管路布置作為一個可控因素，以下將通過工業(yè)性試驗進行分析。

4 試驗區(qū)管路布置及充填試采效果分析

4.1 試驗工作面管路布置

充填干路管布置如圖3所示。工作面管路只對多條管路的布置方式進行了試驗比較，分別在1號、2號支巷進行。其中1號支巷布置在巷口，2號支巷布置在最大標高處，每條支巷內(nèi)布置3條充填管路。工作面充填管選用φ120mm鋼絲纏繞塑料管，沿頂板吊掛。試驗各支巷參數(shù)如表3所示。

圖3 試驗工作面充填干路管布置

表3 試驗充填支巷參數(shù)

正常充填時，料漿溫度在40～60℃之間，工作面充填軟管會受熱伸長，為保證其懸掛牢靠，在密閉墻外側，采用鋼板托槽對軟管進行吊掛，支巷內(nèi)采用鋼鏈加塑料扎帶進行加密吊掛。每趟管路都平行鋪設1條排氣管，排氣管管口吊掛在充填軟管管口的后上方，距離不小于1m，防止充填過程中漿液進入將其堵塞。試驗工作面管路布置及支巷內(nèi)軟管布置如圖4所示。

圖4 工作面端頭管路布置形式

4.2 充填試采效果

4.2.1 充填數(shù)據(jù)統(tǒng)計

此次充填試驗共進行4d，累計充填量2500m3，累計充填時間26h，最大充填能力127m3/h，平均充填能力96m3/h。各支巷充填量及日充填量如圖5所示。

圖5 試驗支巷充填量統(tǒng)計

充填試驗時，系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)處于調試階段，故只對初漿體積進行了統(tǒng)計。根據(jù)材料性能，初漿漿液加入輔料攪拌后，凝固體體積較初漿會增大10% ～20%。1號支巷實際充填初漿量1105m3，理論充填體體積為1215.5～1326m3，1號支巷實際需充填量約1350m3。2號支巷實際充填初漿量1140m3，理論充填體體積約1254～1368m3，2號支巷實際需充填量約1300m3。

充填時，1號支巷排氣管沒有溢流漿液，2號支巷掛在頂板最高點的排氣管已經(jīng)開始溢流漿液，說明2號支巷內(nèi)已經(jīng)充滿，即停止充填。根據(jù)2號支巷數(shù)據(jù)計算加入輔料后初漿的體積變化率約為14%，則1號支巷約充填1259.7m3。

4.2.2 應用效果分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，1號支巷充填率為93.3%，2號支巷充填率為100%，可以看出，對于頂板有起伏的近水平支巷，2號支巷的管路布置方式更有利于支巷的充滿。在充填過程控制方面，1號支巷在即將充滿時，需對管路閥門進行調節(jié)，避免發(fā)生堵管，2號支巷則不需要此操作。

對于頂板有起伏的近水平支巷，管路出漿口布置在巷口和最高點都具有較高的充滿率，但管路出漿口布置在最高點更優(yōu)，且在充填過程控制及管理方面簡單，更適合此種地質采礦條件下的充填開采。

5 結論

通過對管路布置的技術理論分析及充填試驗研究，得出以下結論:

(1)通過理論計算，對王臺鋪煤礦充填試驗區(qū)進行了管道選型，規(guī)格為φ159mm×10mm，并對干路管和工作面充填管路布置進行了初步技術分析，通過工業(yè)性試驗，證明管道布置達到設計要求。

(2)工作面管路布置方式是影響近水平煤層支巷充滿率的一個重要因素，管路出漿口布置在頂板最大標高點對于頂板起伏較大的水平支巷具有更好的適應性。充填試采結果表明，在王臺鋪煤礦的地質采礦條件下，管路布置在巷口的充滿率可達93.3%，管路布置在最高點的充滿率可達100%。

(3)工作面管路布置方式及位置的選擇，應充分考慮現(xiàn)場條件并合理選用管路型號，對于造價較高的耐壓膠管，深入支巷內(nèi)過長會造成較大的浪費，漿液到達工作面后水頭壓力已經(jīng)不大，可選擇經(jīng)濟合理的塑料膠管。

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