李鳳義，牛智祥，李 譚

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

粉煤灰基膠結(jié)充填材料泵送充填研究

李鳳義，牛智祥，李 譚

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

為驗(yàn)證單管路泵送充填的可行性，應(yīng)用粉煤灰基膠結(jié)充填材料在雙鴨山新安煤礦進(jìn)行了無(wú)煤柱沿空留巷泵送充填的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。分析并計(jì)算了充填管路的輸送阻力，對(duì)泵送充填各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了合理選擇。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該泵送充填系統(tǒng)能有效地將粉煤灰基膠結(jié)充填材料泵送至工作面，滿足煤礦沿空留巷巷旁充填的要求。

粉煤灰；膠結(jié)充填材料；沿空留巷；巷旁充填；泵送充填

0 引 言

無(wú)煤柱沿空留巷是減少煤柱損失、提高資源回收利用率、減少重大災(zāi)害事故的有效技術(shù)手段[1]，自1980年代以來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限、緩解采掘矛盾、減少回采巷道的掘進(jìn)量，而且對(duì)防止采空區(qū)發(fā)火也有重要意義[2]。目前煤礦應(yīng)用的沿空留巷充填技術(shù)主要有兩種，一種是甲乙料雙管路泵送的高水材料充填，另一種是以水泥為膠結(jié)劑的混凝土單管路泵送充填，粉煤灰基膠結(jié)充填材料單管路泵送充填屬于后者。為檢驗(yàn)其可行性，對(duì)單管路泵送進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在雙鴨山新安煤礦3832工作面進(jìn)行了粉煤灰基膠結(jié)充填材料泵送充填試驗(yàn)。

1 粉煤灰基膠結(jié)充填材料特性[3-4]

粉煤灰基膠結(jié)充填材料主要成分為粉煤灰、懸浮劑、早強(qiáng)劑、速凝劑、泵送劑和水。

粉煤灰基膠結(jié)充填材料是按一定比例混合、攪拌粉煤灰、懸浮劑、早強(qiáng)劑、速凝劑、泵送劑、水得到的漿體，水固比可以達(dá)到1∶1，粘度μβ=0.1 Pa·s，屈服應(yīng)力τ0=50 Pa，密度1.4×103kg/m3，靜止?fàn)顟B(tài)下初凝時(shí)間為30 min，流動(dòng)狀態(tài)下初凝時(shí)間有所延長(zhǎng)，攪拌狀態(tài)下則較難凝固。在靜止30 min，材料開(kāi)始逐漸失去流動(dòng)性，至90 min時(shí)，已完全凝結(jié)并具有一定強(qiáng)度。8 h抗壓強(qiáng)度1.2～1.6 MPa，24 h抗壓強(qiáng)度2.3～3.0 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度3.7～4.4 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度6.2～7.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度8.4～9.2 MPa，28 d之后，抗壓強(qiáng)度仍有小幅增長(zhǎng)，但變化不大。

2 充填系統(tǒng)及模擬

2.1 充填系統(tǒng)

充填工藝系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：

(1) 滿足粉煤灰—高水材料的攪拌及泵送要求；

(2) 整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，易于工人理解和操作；

(3) 所用設(shè)備應(yīng)符合礦山防爆要求，并便于井下安裝；

(4) 在保證充填效率和安全性的前提下,盡可能降低成本；

(5) 系統(tǒng)壽命需滿足巷旁充填的要求；

(6) 系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)行可靠、不需要頻繁維護(hù)。

根據(jù)以上條件，確定了如圖1所示的充填工藝系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)組成與參數(shù)選擇

2.2.1 制漿部分

制漿部分主要指制漿池及其附屬設(shè)備。制漿池上方平行安裝兩根鋼梁，鋼梁上安裝有攪拌器，攪拌器用30 kW礦用防爆電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，如圖2所示。

圖2 井下制漿池

2.2.2 泵送部分

泵送部分主要是指渣漿泵進(jìn)料管、渣漿泵、充填管路以及各種控制閥等。由于渣漿泵吸水揚(yáng)程較短，在布置時(shí)，其入料口高程低于制漿池底約30 cm，以保證漿料能順利進(jìn)入渣漿泵，并順利泵入充填管路。渣漿泵共設(shè)置兩臺(tái)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。泵送系統(tǒng)主要是由充填泵和閥門組成。

沿空留巷泵送充填要求充填泵能在20 min將6 m3充填漿體全部泵送完，根據(jù)充填漿液的流動(dòng)性能及特點(diǎn)，選擇渣漿泵，管路全長(zhǎng)780 m，有5個(gè)90°彎頭，算出沿程阻力，選出渣漿泵的揚(yáng)程和流量。

為避免渣漿泵的運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生抽空、氣蝕、泵件損壞加速，效率下降和電機(jī)過(guò)載等不良現(xiàn)象，需要根據(jù)以上條件對(duì)渣漿泵進(jìn)行合理選型。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填的經(jīng)驗(yàn)公式得知充填管阻力簡(jiǎn)化計(jì)算公式，輸送充填漿液管路損失揚(yáng)程水力學(xué)計(jì)算公式[5]如下：

(1)

H=in·L+γn·Δh

(2)

式中：Δh——幾何高差即靜揚(yáng)程，m；ε——為局部阻力占沿程阻力的比值系數(shù)；λn——充填管路的阻力系數(shù)；D——為輸送管內(nèi)徑,m；v——漿體的平均流速,m/s；ln——充填管路平均坡度,﹪L——輸送充填漿液的管路長(zhǎng)度,m；γn——充填漿液的重度,t/m3。

設(shè)計(jì)流量為Q=100 m3/h，幾何高差Δh=30 m，輸送管路的長(zhǎng)度670 m，充填漿液的重度為γn=1.4×103kg /m3，輸送管路內(nèi)徑Φ=90 mm，按式(1)得出：H=23.9 m，按式(2)得出：H=24.5 m。

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等要求，最后選擇的充填泵是山東神力泵業(yè)生產(chǎn)的型號(hào)為65ZO-35型渣漿泵，其流量170 m3/h，揚(yáng)程67.2 m，單級(jí)單吸、軸向吸入懸臂臥式離心泵，通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，從而達(dá)到漿體輸送目的。渣漿泵及電機(jī)型號(hào)如表1所示。

表1 渣漿泵及電機(jī)型號(hào)

為了提高充填漿料的泵送效率，減少泵送時(shí)間，在每次漿料泵送完畢，都要對(duì)管道加壓風(fēng)，使管道內(nèi)漿料在壓風(fēng)的作用下流向工作面。為了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)渣漿泵和壓風(fēng)之間的配合，在渣漿泵與充填管道連接處設(shè)置了一組閥門，如圖3所示。

2.2.3 工作面部分

工作面部分主要有單體液壓支柱充填模版，充填袋。充填試驗(yàn)時(shí)，用單體液壓支柱支撐頂?shù)装?，圍出一個(gè)長(zhǎng)5 m，寬1.5 m，高2 m的充填空間，將金屬網(wǎng)固定在液壓支柱上，再將充填袋掛在充填模版上，如圖4所示。

2.2.4 輔助部分

輔助部分包括制漿池供水管路，運(yùn)輸粉煤灰和其他各種固體材料的封閉式專用礦車。礦車留有側(cè)開(kāi)門，礦車軌道鋪設(shè)在制漿池上方一側(cè)。

圖3 充填管路控制閥門

2.3 泵送狀態(tài)的數(shù)值模擬

為了解管路中漿料的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)漿料輸送過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖5是充填管路其中一個(gè)彎頭處的漿料流場(chǎng)分布圖，圖6是充填管路水平段的漿料流場(chǎng)分布圖，圖7是充填管路出口出的流速分布。模擬條件：漿液密度1.4×103kg/m3，粘度0.1 Pa·s，管徑90 mm。

圖4 充填袋示意

圖5 充填管路彎頭處流場(chǎng)分布

圖6 充填管路水平段流場(chǎng)分布

由圖5可以看出，漿料在管道彎頭處，靠彎頭底部部分，有一處明顯的低速區(qū)，預(yù)計(jì)在此處有可能出現(xiàn)漿體的固液分離沉淀；從圖6可以看出，漿料在水平管路，流動(dòng)穩(wěn)定，靠近管壁為低流速區(qū)，管路中心大部分區(qū)域流速保持在4 m/s以上，既能避免漿料沉淀，又有利于泵送；從圖7可以看出，出口處最大流速為4.68 m/s，流速適中，一方面能保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將制漿池中漿料輸送完畢，另一方面，在此流速條件下，充填袋所受沖擊力不至于使其損壞，能夠保證充填的安全高效進(jìn)行。

圖7 充填管路出口流速分布

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 泵送充填試驗(yàn)

泵送充填共分制漿、泵送、加壓風(fēng)、清洗管路4個(gè)步驟。

制備好充填漿體后，開(kāi)啟渣漿泵，開(kāi)始泵送，待漿料泵送完畢，關(guān)閉出漿管路控制閥，打開(kāi)風(fēng)閥開(kāi)關(guān)；接到來(lái)自工作面的管路出口只出風(fēng)不出漿液的通知時(shí)，關(guān)閉風(fēng)閥，打開(kāi)出漿管路控制閥，開(kāi)啟渣漿泵，泵送清水，沖洗管路。

3.2 充填效果

充填試驗(yàn)結(jié)束后，為檢驗(yàn)漿液在充填管路中的沉積情況，沿充填管路選取了5處接頭處拆開(kāi)。發(fā)現(xiàn)水平管路拆開(kāi)位置均無(wú)沉淀，另一處為管道彎頭處，有少量沉淀。這一結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合。在充填工作面，充填體有效地支撐了頂板，留巷效果良好。

4 結(jié) 論

(1) 此次粉煤灰基膠結(jié)充填材料泵送充填采用單管路系統(tǒng)輸送充填漿體,并順利將充填漿液泵送至充填工作面,達(dá)到了預(yù)期目的。

(2) 試驗(yàn)結(jié)束后管道內(nèi)沉積極少，能夠滿足充填管路長(zhǎng)期工作不堵管的要求。

(3) 試驗(yàn)驗(yàn)證了單一管路泵送充填的可行性，為以后單管路充填的發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)。

雖然沿空留巷試驗(yàn)雖然取得了初步成功，但由于時(shí)間等因素的限制，該充填技術(shù)在許多方面仍需作進(jìn)一步研究，需要完善的工作有以下幾個(gè)方面：

(1) 井下制漿硐室自動(dòng)化程度不高，提高自動(dòng)化水平，減少井下的勞動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)是下一步研究的重點(diǎn)；

(2) 由于時(shí)間關(guān)系，對(duì)該泵送充填系統(tǒng)所使用的充填管路的耐磨性和耐久性未做深入研究；

(3) 對(duì)壓風(fēng)在充填漿液輸送中的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步探討。

[1] 宋振騏.煤礦重大事故預(yù)測(cè)和控制的動(dòng)力信息系統(tǒng)基礎(chǔ)的研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

[2] 文志杰.無(wú)煤柱沿空留巷控制力學(xué)模型及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島：山東科技大學(xué),2011.

[3] 傅 易.石膏渣粉煤灰快速固化及其膠結(jié)充填特性研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué),2001.

[4] 孫恒虎,黃玉誠(chéng),楊寶貴.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:28-32.

[5] 李家星,趙振興.水力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,2001.

2013-08-25)

李鳳義(1963-)，男，回族，黑龍江雞西人，教授，博士，研究方向：煤礦圍巖災(zāi)變及控制、長(zhǎng)鉆孔松動(dòng)爆破、矸石山滅火及采空區(qū)回填，Email：kyyjylfy@163.com。