聶文波 李鳳義 陳 雷

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022,2.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院，黑龍江 哈爾濱 150022)

桃山礦膠結(jié)充填管道輸送系統(tǒng)充填試驗(yàn)

聶文波1李鳳義2陳 雷1

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022,2.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)研究院，黑龍江 哈爾濱 150022)

為了解決桃山礦三井工作面充填開采過程中出現(xiàn)的堵管以及管道的高磨損率等問題，運(yùn)用流體力學(xué)理論，結(jié)合該工作面的實(shí)際情況，采用自流+泵送的管道輸送技術(shù)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，并利用ANSYS模擬分析了在速度2.0 m/s時(shí)，不同料漿濃度、管徑對(duì)全程管壓的影響。模擬結(jié)果表明：既定輸送速度下，在合理的可控范圍內(nèi)且易于輸送時(shí)的充填料漿濃度、管徑取值范圍分別為52%、140～180 mm時(shí)，輸送管壓分別為134.561 kPa、130.053～138.759 kPa。根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行的工業(yè)試驗(yàn)表明，堵管和高磨損率等問題得到了解決，充填開采取得良好的效果，有效地控制了頂?shù)装宓淖冃?，降低了頂板的下沉量，減少對(duì)環(huán)境的破壞，驗(yàn)證了該管道輸送系統(tǒng)是一種“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可靠”的充填采煤系統(tǒng)，為該礦以及類似條件下的礦山充填開采提供了借鑒。

充填開采 流體力學(xué) 管道輸送 全程管壓

充填開采作為綠色開采的一部分，因其在解決環(huán)境災(zāi)害、“三下”壓煤?jiǎn)栴}上的突出效果[1],越來越受到各方面的重視。但在充填開采過程中管道輸送出現(xiàn)的問題經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致采煤工作面開采能力下降，甚至?xí)姑旱V開采無法進(jìn)行。因此，充填管路輸送問題也成為了影響煤礦開采與充填匹配的主要因素之一。

管道輸送充填料漿技術(shù)以其具有的建造速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、運(yùn)輸速度快、連續(xù)性強(qiáng)且建造費(fèi)用低、充填效果好等優(yōu)點(diǎn)，成為充填開采的首選。常用的管道輸送充填料漿的方法主要有自流輸送和泵壓輸送2種[2-3]，料漿在管道中自流依靠的僅僅是料漿本身的重力，不需要外界動(dòng)力源，降低了輸送成本，被多數(shù)礦山采納推廣應(yīng)用[4]。近半個(gè)世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外專家雖然對(duì)充填料漿管道流阻測(cè)試的研究[6]取得了很大進(jìn)展，但由于充填材料的各異性、充填管路的特殊性、料漿流動(dòng)的復(fù)雜性[6]，在實(shí)際充填項(xiàng)目操作的過程中，仍會(huì)出現(xiàn)管道高磨損、堵塞爆裂等問題。為提高充填料漿管道輸送的安全可靠度，實(shí)現(xiàn)充填管道輸送料漿的安全高效性，利用數(shù)值模擬軟件ANSYS動(dòng)態(tài)仿真模擬管道輸送系統(tǒng)，查出原方案所存在的問題，并對(duì)參數(shù)優(yōu)化，再利用模擬優(yōu)化措施和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)管道輸送系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后將其應(yīng)用到工業(yè)試驗(yàn)，成為礦山充填開采管道輸送系統(tǒng)的主要發(fā)展方向和動(dòng)態(tài)。

ANSYS 作為廣泛應(yīng)用的有限元軟件充分綜合了CAD等圖像處理工具的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，是建立復(fù)雜計(jì)算模型有效而又方便快捷的平臺(tái)，其含有的FLOTRAN流體分析模塊[9-10]，通過模擬分析，對(duì)管道輸送參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，從而降低充填系統(tǒng)的事故率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

1 充填工藝

1.1 充填材料選取

在前期新安礦巷旁充填[11]的基礎(chǔ)上，黑龍江礦業(yè)研究院制定的桃山礦技術(shù)指標(biāo)為：選取當(dāng)?shù)氐姆勖夯?，充填體能很快凝固膨脹實(shí)現(xiàn)主動(dòng)接頂，凝結(jié)體的強(qiáng)度在6～8 h達(dá)到0.8～1 MPa，24 h后達(dá)到2～3 MPa，72 h后達(dá)到3.5～4 MPa，且強(qiáng)度還能夠緩慢增長(zhǎng)。即使充填體遭受頂板來壓后內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，在集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移以后，充填材料可以膠結(jié)自動(dòng)愈合，且膠結(jié)后的抗壓強(qiáng)度高于破壞前，以至于能良好有效地預(yù)防頂板覆巖移動(dòng)。另外，還要求材料中的外加劑全部無毒，不能污染地下水源，真正實(shí)現(xiàn)綠色充填。

在滿足充填體強(qiáng)度及料漿良好流動(dòng)性的前提下，采用正交試驗(yàn)的方法和料漿擴(kuò)散度實(shí)驗(yàn)方法對(duì)充填材料進(jìn)行配比試驗(yàn)，最后獲得了料漿濃度的合理范圍為48%～58%。確定的固體物料合理配比(質(zhì)量比)為：粗粉煤灰∶水泥∶石灰∶石膏∶早強(qiáng)劑∶J85∶硅酸鈉∶元明粉=4 000∶500∶125∶75∶15∶10∶4∶20。

1.2 充填工藝

膠結(jié)充填能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)接頂，讓充填體承壓，這對(duì)于防止頂板冒落、采空區(qū)有害氣體逸出等起到了關(guān)鍵作用。其充填工藝如圖1。

圖1 桃山礦三井膠結(jié)充填的工藝流程

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

根據(jù)桃山礦實(shí)際情況及減壓池減壓機(jī)理，決定運(yùn)用“自流加泵送”的管道輸送方式。即井上活化站到井下制漿站采用自流輸送系統(tǒng)，井上料漿在24 h內(nèi)不凝固，避免由于長(zhǎng)距離自流輸送堵管的可能性。井下成漿制備到工作面充填采用泵送系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)循環(huán)連續(xù)制漿，減少充填時(shí)間，提高礦山的充填效率[12]，更方便于管道輸送充填系統(tǒng)在礦山上的推廣應(yīng)用，因此，本研究通過計(jì)算機(jī)軟件模擬自流加泵送的管道輸送方式，借以確定該方式下合理壓力范圍內(nèi)適宜的料漿濃度、管路半徑。

2.1 漿體參數(shù)

本次模擬的充填料漿主要有粗粉煤灰、水、水泥、活化劑和速凝劑等組成，水泥與粉煤灰的質(zhì)量比為1∶8，選擇漿體質(zhì)量濃度Cw=52%。

(1)漿體密度ρJ。根據(jù)水泥與粉煤灰的質(zhì)量比為1∶8，質(zhì)量濃度為52%，各種活化劑和速凝劑的質(zhì)量總和為0.038 66 t，則：

(2)漿體體積濃度CV。充填1 m3體積料漿需要水0.68 t，水的體積為VS=0.68 m3，可 得：

CV=32%.

(3)料漿黏度μm。以托馬斯方程為基礎(chǔ)，通過大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，粗粉煤灰料漿固體物料的特性系數(shù)k、B分別取93、0.002 73。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出質(zhì)量濃度為52%的料漿與清水的黏度比：

0.322+93e0.002 73×0.32=95.72.

在實(shí)際測(cè)定下，該充填區(qū)氣溫均為20 ℃，清水的黏度1.005 mPa·s，粗粉煤灰料漿黏度μm=96.2 mPa·s[5]。

采用上面同樣的方法，對(duì)質(zhì)量濃度為48%、55%、58%料漿的密度、體積濃度和黏度進(jìn)行計(jì)算，獲得的參數(shù)如表1所示。

2.2 建立模型

利用分析軟件ANSYS/FLOTRAN[13]進(jìn)行數(shù)值模擬研究。桃山礦三井管道輸送模型的建立以桃山礦充填系統(tǒng)管路鋪設(shè)實(shí)際情況為原型，原型總長(zhǎng)度為894 m，垂直高度差為300 m?；谀M軟件及計(jì)算機(jī)的局限性和礦山料漿管道輸送系統(tǒng)的復(fù)雜性，考慮模型誤差的影響，決定對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。在假設(shè)漿體是賓漢體條件下進(jìn)行料漿管道輸送模擬，認(rèn)定料漿黏性是恒定不變的，不考慮熱交換，不考慮地壓波等振動(dòng)帶來的影響。

表1 不同質(zhì)量濃度下漿體的物理參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬

在本次模擬過程中，選定漿體流速為2.0 m/s，從漿體濃度、管徑2方面對(duì)輸送系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化。

2.3.1 漿體濃度的模擬

模擬4組不同漿液質(zhì)量濃度48%、52%、55%和58%的流動(dòng)狀態(tài)，模擬結(jié)果如圖2(以質(zhì)量濃度58%為例)和表2。

圖2 濃度58%的管路全程壓力和速度矢量

表2 不同質(zhì)量濃度模擬的結(jié)果

2.3.2 管徑的模擬

本次模擬選用100、140、160和180 mm 這4種直徑進(jìn)行模擬，漿液濃度定為52%，漿體流速為2.0 m/s，模擬結(jié)果如圖3(以直徑180 mm為例)和表3。

圖3 180 mm管徑的沿程壓力分布和彎管處速度矢量

表3 不同管徑模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)

由圖2和圖3可知，管道最大壓力隨著料漿質(zhì)量濃度和輸送速度的增加而增大，但是料漿濃度對(duì)管壓的增幅較小，管道最大壓力僅增大4 kPa，確立最適宜的濃度為52%。管徑越大，管壓就越小，管徑從100 mm升高到180 mm時(shí)，管道所受壓力降了近28.7 kPa。而管徑140～180 mm時(shí)，最大壓力變化不大，故選擇140～180 mm管徑均可。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

充填體強(qiáng)度是衡量充填效果的重要指標(biāo)，因此，充填體的強(qiáng)度是充填系統(tǒng)計(jì)算中要考慮的重要參數(shù)[16]。通過與以前充填項(xiàng)目中充填體質(zhì)量的對(duì)比，本次充填項(xiàng)目中充填體的質(zhì)量非常穩(wěn)定、強(qiáng)度也增加了，對(duì)頂板及上覆巖層的控制取得了良好的效果。充填效果對(duì)比如圖4所示。

圖4 桃山礦工業(yè)試驗(yàn)充填前后效果對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)采用矸石電廠粉煤灰，降低了充填成本，有效地解決了當(dāng)?shù)胤勖夯业奈廴締栴}，符合生態(tài)礦山的要求，同時(shí)得到的膠結(jié)充填材料的最佳質(zhì)量配比，即粗粉煤灰(4 000)∶水(4 490)∶水泥(500)∶石灰(125)∶石膏(75)∶早強(qiáng)劑(15)∶ J85(10)∶硅酸鈉(4)∶元明粉(20)。

(2) 管道最大壓力在一定階段內(nèi)隨管徑增加而減小，隨料漿濃度增加而增加，同時(shí)管道所受最大的壓力與管徑成非線性關(guān)系，但是在140～180 mm的管徑對(duì)管道最大壓力影響程度波動(dòng)最小。

(3)充填體的良好密實(shí)性及高強(qiáng)性，不僅有效地阻止采空區(qū)有害氣體的逸出，還在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定了上覆巖層，為礦山安全開采提供了新的技術(shù)方向。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Back-filling Experiment of Cemented Filling Slurry Pipeline System for Taoshan Mine

Nie Wenbo1Li Fengyi2Chen Lei2

(1.SafetyEngineeringInstitute，HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology，Harbin150022，China;2.MiningResearchInstitute，HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology，Harbin150022，China)

In order to solve the problems of pipe blocking and high wear rate of pipeline during filling mining process at Sanjing working face of Taoshan Mine，industrial tests of gravity and pumping transport are carried out by adopting the fluid mechanics theory，in combination with the practical situation of the working face.The ANSYS simulation was made to analyze the effect of different slurry concentration and pipeline diameters at the given speed 2.0 m/s on the entire pipe pressure.Simulation results showed that under the given delivery speed，when the filling slurry concentration values at 52% and pipe diameter ranges from 140 mm to 180 mm，which are within the reasonable control and makes slurry transport easy，the pipeline pressure are 134.561 kPa，and ranges from 130.053 to 138.759 kPa respectively.Industrial tests together with the simulation indicated that the problems of pipe blocking and high rate of pipeline of slurry transportation are solved and backfill mining obtained good effect.The pilpline system can effectively control the deformation of roof and floor，reduce the roof subsidence and lower the environment.It is approved that it is a kind of “safe，economical，environment-friendly and reliable” filling mining system.It provides reference for filling mining of the mine and similar mines.

Filling mining，F(xiàn)luid dynamics，Pipeline，The entire pressure pipeline

2014-05-04

黑龍江省發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(非信息產(chǎn)業(yè))專項(xiàng)(編號(hào):FW12A018)。

聶文波(1987—)，男，助教，碩士研究生。

TD823.7

A

1001-1250(2014)-09-035-04