李鳳義 聶文波 陳 雷

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

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，在綠色開(kāi)采［1］的基礎(chǔ)上，針對(duì)煤炭開(kāi)采造成的地表沉陷、環(huán)境污染等問(wèn)題上，90%以上的礦山充填開(kāi)采會(huì)選擇管道輸送［2］。但管道輸送過(guò)程中造成的管道堵塞和磨損問(wèn)題，成為制約煤礦充填開(kāi)采的一個(gè)突出問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外都曾發(fā)生過(guò)此類事故，造成巨大的損失，比如說(shuō)小屯礦，膏體充填初期發(fā)生堵管，造成損失達(dá)267萬(wàn)元［3］。

基于固液兩相流基礎(chǔ)理論，結(jié)合桃山礦前期堵管以及解決措施，試驗(yàn)了自流+泵送的充填料漿輸送方式，借以確定適宜的漿體流速、濃度以及合理的管路半徑。

1 礦井概況

該桃山礦區(qū)開(kāi)采的煤層有85號(hào)、87號(hào)、93號(hào)和94號(hào)，井田的構(gòu)造為一組向、背斜，軸向北東。

該煤層屬性如表1所示。

表1 煤層屬性

2 充填材料與工藝

2.1 充填材料選取

在充填材料的選擇上，堅(jiān)持成本低、來(lái)源廣和環(huán)保的原則，同時(shí)也要保證充填料漿的凝固時(shí)間和其對(duì)應(yīng)的充填體強(qiáng)度滿足實(shí)際工程的要求。

根據(jù)我國(guó)粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)(如細(xì)度、燒失量等)劃分等級(jí)［4］，七臺(tái)河分公司矸石電廠排除的粉煤灰屬于Ⅲ等粉煤灰或等外粉煤灰，如表2所示。

表2 粉煤灰品質(zhì)等級(jí) %

2.2 充填材料配比

本文以粗粉煤灰作為桃山礦充填的骨料，為滿足充填的需求，充填材料中還需加入各種膠結(jié)劑、懸浮劑和速凝劑等。最終確定的充填體，其強(qiáng)度在6 h～8 h達(dá)到0.8 MPa～1 MPa，24 h后達(dá)到2 MPa～3 MPa，72 h后達(dá)到3.5 MPa～4 MPa。

在滿足充填體強(qiáng)度及料漿良好的流動(dòng)性的前提下，采用正交試驗(yàn)的方法和料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)方法進(jìn)行配比試驗(yàn)，最后獲得了料漿濃度的合理范圍48%～58%，固體物料合理配比為:粗粉煤灰(4 000)∶水泥(500)∶石灰(125)∶石膏(75)∶早強(qiáng)劑(15)∶J85(10)∶硅酸鈉(4)∶元明粉(20)。

2.3 充填工藝

粗粉煤灰料漿充填是用粉煤灰作骨料，在井上進(jìn)行粉煤灰活化、井下配制成漿體，可連續(xù)制備這種膠結(jié)充填料漿，隨著采煤工作面推進(jìn)，將充填材料注入采空區(qū)，膠結(jié)凝固后支撐采空區(qū)頂板，其充填工藝如圖1所示。

圖1 粗粉煤灰料漿充填的工藝流程圖

3 充填料漿管道輸送系統(tǒng)數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 漿體參數(shù)

依據(jù)桃山礦井下條件，充填區(qū)氣溫均為20℃，此時(shí)清水的粘度為 1.005 MPa·s，則粗粉煤灰料漿的粘度 μm=96.2 MPa·s，使用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)直接測(cè)量料漿的粘度［5］，測(cè)得參數(shù)如表3所示。

表3 不同質(zhì)量濃度下漿體的物理參數(shù)

3.2 建立模型

針對(duì)桃山礦的充填管路輸送問(wèn)題，利用分析軟件ANSYS/FLOTRAN［6］進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

基于模擬軟件及計(jì)算機(jī)的局限性和礦山料漿管輸系統(tǒng)的復(fù)雜性。經(jīng)定性分析，管道模型的大小:高20 m，水平40 m，兩端夾角為直角，管道內(nèi)徑為159 mm，彎管內(nèi)徑200 mm，幾何充填倍線3.0，管道簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 料漿管輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的模型

3.3 數(shù)值模擬

3.3.1 漿體濃度的模擬

以50%為濃度最低限，選取質(zhì)量濃度為52%，55%的兩組漿液進(jìn)行模擬。

3.3.2 漿液流速的模擬

料漿濃度選定為52%，再取1.5 m/s，2.0 m/s兩種流速進(jìn)行模擬。

由模擬結(jié)果可知，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，且濃度一定時(shí)，料漿速度越低，管道最大速度增幅越小，料漿的摩擦阻力損失越大，管路越易發(fā)生堵塞，因此根據(jù)礦山實(shí)際情況，在滿足充填需求及大于臨界流速的條件下盡可能采用低速輸送的方式，最終確立的濃度和流速分別為52%，2.0 m/s。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

充填體強(qiáng)度是辨別充填的效果好與壞的重要指標(biāo)［7］。對(duì)工業(yè)試驗(yàn)中料漿的抗壓強(qiáng)度采用與井下固化性能試驗(yàn)對(duì)比的方法，先用試模從井下取料漿，再用維卡儀測(cè)定漿液的初、終凝的時(shí)間，最后用壓力機(jī)測(cè)定試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，其對(duì)比情況如圖3所示。

圖3 井下試驗(yàn)與工業(yè)試驗(yàn)料漿充填體強(qiáng)度的對(duì)比

從圖3中分析:與井下固化試驗(yàn)對(duì)比，工業(yè)試驗(yàn)中料漿凝固后的抗壓強(qiáng)度要略小，但其仍然符合工程要求的特性，這可能是由于充填料漿管輸?shù)匠涮罟ぷ髅婧螅俨糠旨?xì)粒水泥漿流失造成的?，F(xiàn)場(chǎng)充填的效果如圖4所示。

圖4 桃山礦工業(yè)試驗(yàn)充填前后效果對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司矸石電廠粗粉煤灰，降低了充填成本，解決了矸石電廠粉煤灰的堆積污染問(wèn)題，符合礦山綠色開(kāi)采技術(shù)的要求，為“三廢”的利用提供了新的方向。

2)管道最大壓力在一定階段內(nèi)隨彎道半徑和管徑增加而減小，隨料漿濃度和輸送流速增加而增加，其中輸送流速對(duì)管壓影響最為明顯。

3)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量可得出，試樣的初凝時(shí)間為95 min，其終凝時(shí)間是120 min，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度在8 h后、24 h后、72 h 后分別為 0.82 MPa，2.38 MPa，3.4 MPa，實(shí)現(xiàn)了充填體的高強(qiáng)、速凝、主動(dòng)接頂?shù)鹊忍攸c(diǎn)，也達(dá)到了綠色開(kāi)采的標(biāo)準(zhǔn)，為煤礦安全生產(chǎn)提供了新的方向，也為類似條件下充填開(kāi)采提供了借鑒的作用。

［1］錢(qián)鳴高，許家林，廖協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(4):343-348.

［2］王新民，古德生，張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2010:1-6.

［3］鄭晶晶，張欽禮，王新民，等.充填管道系統(tǒng)失效模式與影響分析(FMEA)及失效影響模糊評(píng)估［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(6):166-171.

［4］李少輝.粉煤灰的特性及其資源化綜合利用［J］.混凝土，2010，25(4):45-47.

［5］王新民，肖衛(wèi)國(guó)，張欽禮.深井礦山充填理論與技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005.

［6］劉永兵，陳紀(jì)忠，陽(yáng)永榮.管道內(nèi)液固漿液輸送的數(shù)值模擬［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006(5):858-863.

［7］郭惟嘉.煤礦充填開(kāi)采技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2013:35-56.