聶文波 李鳳義 陳 雷

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

桃山礦膠結充填管道輸送系統充填試驗

聶文波1李鳳義2陳 雷1

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022,2.黑龍江科技大學礦業(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的堵管以及管道的高磨損率等問題，運用流體力學理論，結合該工作面的實際情況，采用自流+泵送的管道輸送技術進行了工業(yè)試驗，并利用ANSYS模擬分析了在速度2.0 m/s時，不同料漿濃度、管徑對全程管壓的影響。模擬結果表明：既定輸送速度下，在合理的可控范圍內且易于輸送時的充填料漿濃度、管徑取值范圍分別為52%、140～180 mm時，輸送管壓分別為134.561 kPa、130.053～138.759 kPa。根據模擬結果進行的工業(yè)試驗表明，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，有效地控制了頂底板的變形，降低了頂板的下沉量，減少對環(huán)境的破壞，驗證了該管道輸送系統是一種“安全、經濟、環(huán)保、可靠”的充填采煤系統，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 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)境災害、“三下”壓煤問題上的突出效果[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的問題經常會導致采煤工作面開采能力下降，甚至會使煤礦開采無法進行。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以其具有的建造速度快、勞動強度低、運輸速度快、連續(xù)性強且建造費用低、充填效果好等優(yōu)點，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，不需要外界動力源，降低了輸送成本，被多數礦山采納推廣應用[4]。近半個世紀以來，國內外專家雖然對充填料漿管道流阻測試的研究[6]取得了很大進展，但由于充填材料的各異性、充填管路的特殊性、料漿流動的復雜性[6]，在實際充填項目操作的過程中，仍會出現管道高磨損、堵塞爆裂等問題。為提高充填料漿管道輸送的安全可靠度，實現充填管道輸送料漿的安全高效性，利用數值模擬軟件ANSYS動態(tài)仿真模擬管道輸送系統，查出原方案所存在的問題，并對參數優(yōu)化，再利用模擬優(yōu)化措施和實際經驗對管道輸送系統參數進行設計，最后將其應用到工業(yè)試驗，成為礦山充填開采管道輸送系統的主要發(fā)展方向和動態(tài)。

ANSYS 作為廣泛應用的有限元軟件充分綜合了CAD等圖像處理工具的優(yōu)點[7-8]，是建立復雜計算模型有效而又方便快捷的平臺，其含有的FLOTRAN流體分析模塊[9-10]，通過模擬分析，對管道輸送參數進一步優(yōu)化，從而降低充填系統的事故率，節(jié)約生產成本。

1 充填工藝

1.1 充填材料選取

在前期新安礦巷旁充填[11]的基礎上，黑龍江礦業(yè)研究院制定的桃山礦技術指標為：選取當地的粉煤灰，充填體能很快凝固膨脹實現主動接頂，凝結體的強度在6～8 h達到0.8～1 MPa，24 h后達到2～3 MPa，72 h后達到3.5～4 MPa，且強度還能夠緩慢增長。即使充填體遭受頂板來壓后內部出現裂紋，在集中應力轉移以后，充填材料可以膠結自動愈合，且膠結后的抗壓強度高于破壞前，以至于能良好有效地預防頂板覆巖移動。另外，還要求材料中的外加劑全部無毒，不能污染地下水源，真正實現綠色充填。

在滿足充填體強度及料漿良好流動性的前提下，采用正交試驗的方法和料漿擴散度實驗方法對充填材料進行配比試驗，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(質量比)為：粗粉煤灰∶水泥∶石灰∶石膏∶早強劑∶J85∶硅酸鈉∶元明粉=4 000∶500∶125∶75∶15∶10∶4∶20。

1.2 充填工藝

膠結充填能夠在短時間內實現接頂，讓充填體承壓，這對于防止頂板冒落、采空區(qū)有害氣體逸出等起到了關鍵作用。其充填工藝如圖1。

圖1 桃山礦三井膠結充填的工藝流程

2 數值模擬及結果分析

根據桃山礦實際情況及減壓池減壓機理，決定運用“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，井上料漿在24 h內不凝固，避免由于長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，能實現循環(huán)連續(xù)制漿，減少充填時間，提高礦山的充填效率[12]，更方便于管道輸送充填系統在礦山上的推廣應用，因此，本研究通過計算機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適宜的料漿濃度、管路半徑。

2.1 漿體參數

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，水泥與粉煤灰的質量比為1∶8，選擇漿體質量濃度Cw=52%。

(1)漿體密度ρJ。根據水泥與粉煤灰的質量比為1∶8，質量濃度為52%，各種活化劑和速凝劑的質量總和為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，通過大量實驗室試驗，粗粉煤灰料漿固體物料的特性系數k、B分別取93、0.002 73。根據以上數據計算出質量濃度為52%的料漿與清水的黏度比：

0.322+93e0.002 73×0.32=95.72.

在實際測定下，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，對質量濃度為48%、55%、58%料漿的密度、體積濃度和黏度進行計算，獲得的參數如表1所示。

2.2 建立模型

利用分析軟件ANSYS/FLOTRAN[13]進行數值模擬研究。桃山礦三井管道輸送模型的建立以桃山礦充填系統管路鋪設實際情況為原型，原型總長度為894 m，垂直高度差為300 m。基于模擬軟件及計算機的局限性和礦山料漿管道輸送系統的復雜性，考慮模型誤差的影響，決定對管路系統進行簡化。在假設漿體是賓漢體條件下進行料漿管道輸送模擬，認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帶來的影響。

表1 不同質量濃度下漿體的物理參數

2.3 數值模擬

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方面對輸送系統進行模擬優(yōu)化。

2.3.1 漿體濃度的模擬

模擬4組不同漿液質量濃度48%、52%、55%和58%的流動狀態(tài)，模擬結果如圖2(以質量濃度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 不同質量濃度模擬的結果

2.3.2 管徑的模擬

本次模擬選用100、140、160和180 mm 這4種直徑進行模擬，漿液濃度定為52%，漿體流速為2.0 m/s，模擬結果如圖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 不同管徑模擬的結果數據

由圖2和圖3可知，管道最大壓力隨著料漿質量濃度和輸送速度的增加而增大，但是料漿濃度對管壓的增幅較小，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，管道所受壓力降了近28.7 kPa。而管徑140～180 mm時，最大壓力變化不大，故選擇140～180 mm管徑均可。

3 試驗結果分析

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

圖4 桃山礦工業(yè)試驗充填前后效果對比

4 結 論

(1)采用矸石電廠粉煤灰，降低了充填成本，有效地解決了當地粉煤灰的污染問題，符合生態(tài)礦山的要求，同時得到的膠結充填材料的最佳質量配比，即粗粉煤灰(4 000)∶水(4 490)∶水泥(500)∶石灰(125)∶石膏(75)∶早強劑(15)∶ J85(10)∶硅酸鈉(4)∶元明粉(20)。

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

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

[1] 錢鳴高，許家林,繆協興.煤礦綠色開采技術[J].中國礦業(yè)大學學報，2003,32(4)：343-348. Qian Minggao，Xu Jialin，Miao Xiexing.Green technique in coal mining[J].Journal of China University of Mining and Technology,2003,32(4)：343-348.

[2] 王新民,肖衛(wèi)國,張欽禮.深井礦山充填理論與技術[M].長沙：中南大學出版社,2005:16-21. Wang Xinmin，Xiao Weiguo，Zhang Qinli.Deep Well Mining Filling Theory and Technology[M].Changsha:Central South University Press,2005:16-21.

[3] 鄭晶晶,張欽禮,王新民.充填管道系統失效模式與影響分析(FMEA) 及失效影響模糊評估[J].中國安全科學學報,2009,19(6):166-171. Zheng Jingjing，Zhang Qinli，Wang Xinmin.FMEA analysis of backfilling pipeline system and fuzzy evaluation of failure effects[J].China Safety Science Journal,2009,19(19)：166-171.

[4] 李少輝,趙 瀾，包先成，等.粉煤灰的特性及其資源化綜合利用[J].混凝土.2010，25(4)：45-47. Li Shaohui，Zhao Lan，Bao Xiancheng，et al.Characteristics and comprehensive resources utilization of fly ash[J].Concrete,2010，25(4)：45-47.

[5] 金子橋,呂憲俊,胡術剛,等.膏體充填料漿水力坡度研究進展[J].金屬礦山，2009(11):35-37. Jin Ziqiao，Lu Xianjun，Hu Shugang，et al.Development of research on hydraulic gradient of paste backfill slurry[J].Metal Mine，2010，25(4):35-37.

[6] 李永業(yè)，孫西歡,閻慶紱,等.不同導流條安放角條件下筒裝料管道水力輸送試驗研究[J].水動力學研究與進展:A 輯,2008,23(1):86-89. Li Yongye，Sun Xihuan，Yan Qingfu，et al.Experimental research on the piped hydraulic transportation with the different diversion angle[J].Journal of Hydrodynamics:Ser.A,2008,23(1):86-89.

[7] 楊家冕,劉人恩,王 星.數值模擬在分層充填法采場參數選擇中的應用[J].金屬礦山，2013(3):29-35. Yang Jiamian，Liu Ren'en，Wang Xing.Application of numerical simulation to stope parameters selection of the slicing and back-filling mining method[J].Metal Mine，2013(3):29-35.

[8] 李 勇，劉志友，安亦然.介紹計算流體力學通用軟件-FLUENT[J].水動力學研究與進展，2001，16(2):254-258. Li Yong，Liu Zhiyou，An Yiran．A brief introduction to FLUENT:a general purpose CFD code[J].Journal of Hydrodynamics,2001,16(2):254-258.

[9] 胡紅軍.ANSYS10.0 材料工程有限元分析實例教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008:45-50. Hu Hongjun.Tutorial ANSYS10.0 materials engineering finite element analysis of an example[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008:45-50.

[10] 謝龍漢.ANSYS FLOTRAN流體及熱分析[M].北京:電予工業(yè)出版社，2012:89-92. Xie Longhan.ANSYS FLOTRAN Fluid and Thermal Analysis[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2012:89-92.

[11] 李鳳義,王偉淵.新安煤礦井下沿空留巷巷旁充填實驗[J].黑龍江科技大學學報,2013,23(5):409-412. Li Fengyi，Wang Weiyuan.Filling test filled in gob-side entry retaining in Xin'an Coal Mine[J].Journal of Heilongjiang Institute of Science & Technology,2013,23(5):409-412.

[12] 陳維新,關顯華.粉煤灰基膠結充填采煤技術及應用[J].煤礦現代化,2014,120(3):15-18. Chen Weixin，Guan Xianhua.Fly ash based cemented filling mining technique and application[J].Coal Mine Modernization,2014,120(3):15-18.

[13] 袁 博，張召千，張百勝.破碎圍巖注漿加固數值模擬分析與工程應用[J].金屬礦山,2013(7):45-48. Yuan Bo，Zhang Zhaoqian，Zhang Baisheng，et al.Numerical simulation of grouting reinforcement of cracked surrounding rocks and its application in engineering[J].Metal Mine，2013(7):45-48.

(責任編輯 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，Fluid dynamics，Pipeline，The entire pressure pipeline

2014-05-04

黑龍江省發(fā)展高新技術產業(yè)(非信息產業(yè))專項(編號:FW12A018)。

聶文波(1987—)，男，助教，碩士研究生。

TD823.7

A

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