孫凱華

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

我國西北陜蒙地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，要在煤炭資源高強(qiáng)度開采的條件下，采用充填開采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)保水開采，控制地表沉陷，乃至保護(hù)西部礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要途徑之一[1-6]。根據(jù)西北生態(tài)脆弱礦區(qū)地表廣泛賦存風(fēng)積沙的特點(diǎn)，結(jié)合保水開采和生態(tài)保護(hù)的迫切需求，利用當(dāng)?shù)卮媪枯^大的風(fēng)積沙作充填材料實(shí)施充填開采具有較好的成本優(yōu)勢，可有效解決充填材料供需不均衡、效益與成本不均衡的問題。近年來，關(guān)于風(fēng)積沙作充填材料的研究取得了一定的成果[7-9]，劉鵬亮等[4]提出風(fēng)積沙高濃度料漿管路輸送局部阻力損失的計(jì)算方法,通過自流輸送實(shí)驗(yàn),確定了大倍線自流輸送管路內(nèi)徑，并通過工業(yè)性試驗(yàn)檢驗(yàn)了充填效果。目前關(guān)于以風(fēng)積沙為骨料的高濃度充填料漿在大倍線條件下的管道自流輸送技術(shù)還少有研究，相關(guān)的研究成果有：趙龍生[10]、張靜文[11]、毛明發(fā)[12]、周旭[13]、劉進(jìn)曉[14]等根據(jù)高濃度充填料漿的管道輸送規(guī)律，在大倍線條件下采用低流速、小流量、大管徑等手段，實(shí)現(xiàn)了超大倍線的自流輸送；蘭文濤[15]、顏丙雙[16]、何榮軍[17]、劉鵬亮[18]等通過膏體材料自流輸送試驗(yàn)研究其流變參數(shù)，從充填倍線角度說明膏體充填材料的自流臨界倍線與塑性黏度系數(shù)、屈服應(yīng)力有關(guān)，可根據(jù)流變參數(shù)計(jì)算不同流速、不同管徑下的膏體材料自流臨界充填倍線。以上相關(guān)試驗(yàn)及研究成果對風(fēng)積沙高濃度充填料漿在大倍線管道自流輸送條件下的研究及現(xiàn)場應(yīng)用有一定的借鑒意義。

1 充填系統(tǒng)概述

風(fēng)積沙似膏體充填開采技術(shù)是近年來通過工程實(shí)踐，在陜北和鄂爾多斯等西北礦區(qū)得以推廣的一種綠色開采技術(shù)，其特點(diǎn)是以風(fēng)積沙和粉煤灰為主要材料，以水泥、生石灰和外加劑等堿性材料為輔料，通過地面充填站制備成質(zhì)量濃度(本文所述濃度均為質(zhì)量比，即固料質(zhì)量與料漿質(zhì)量的百分比)為66%～75%充填料漿，通過充填管路利用重力將充填料漿自流輸送到井下綜采工作面支架后方的采空區(qū)，料漿凝固后在采空區(qū)形成具有一定強(qiáng)度的充填結(jié)石體，其作為支撐體系能有效控制覆巖破壞和移動，通過減少地面沉降和保水開采的方式實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，并對風(fēng)積沙實(shí)現(xiàn)資源化利用。

榆陽煤礦礦區(qū)地表為沙漠灘地及半固定沙丘地貌，地形起伏不大，風(fēng)積沙層平均厚約40 m，2307綜采充填試驗(yàn)工作面位于礦井西南部，工作面走向長為1 149 m，寬為150 m，采厚平均為3.5 m，傾角為0.28°。

風(fēng)積沙似膏體綜采充填系統(tǒng)主要包括地面充填站、料漿輸送管路和綜采充填工作面3個(gè)部分，充填站承擔(dān)整個(gè)充填系統(tǒng)的監(jiān)控功能及充填料漿的制備。制備料漿分兩步：制備初漿和制備成漿，將水和三級以上粉煤灰按相應(yīng)的比例攪拌充分混合而成即為初漿，將風(fēng)積沙、水泥和輔料等按一定的比例與初漿攪拌充分混合即為成漿。料漿制備好暫時(shí)存入有攪拌器的成漿罐中，在不間斷攪拌作用下實(shí)現(xiàn)料漿的連續(xù)制備和輸出；料漿經(jīng)控流、過濾管路輸送系統(tǒng)，靠重力勢能自流輸送到充填工作面。充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)2套能力分別為180 m3/h的制漿系統(tǒng)，生產(chǎn)和充填能力達(dá)到360 m3/h。

榆陽煤礦充填站與充填工作面的水平距離較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)處管路總長度L=2 616 m，充填管道起點(diǎn)和終點(diǎn)的高差H=175 m，管路充填倍線N=15，遠(yuǎn)大于目前礦山充填常用倍線4～6，也高于目前常見充填礦山10倍的大倍線充填管路，如圖1所示。充填材料的管道輸送方式主要有自流輸送和泵送兩種，相對而言，自流輸送運(yùn)行成本低，且堵管風(fēng)險(xiǎn)小，同時(shí)似膏體料漿比膏體充填材料流動性好，應(yīng)優(yōu)先采用自流輸送。

圖1 榆陽煤礦充填管路布置平面圖

要滿足倍線為15條件下的大倍線自流輸送，對料漿的流動性和管路的輸送能力要求極高，沒有成熟的設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒。經(jīng)過料漿臨界流速的計(jì)算分析，再結(jié)合充填工業(yè)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，對管路進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，探索出了一套滿足榆陽煤礦充填工藝要求的“大倍線高濃度自流輸送”工藝系統(tǒng)。

2 高濃度充填料漿的流動性試驗(yàn)

漿液的質(zhì)量濃度是影響充填料漿流動性的重要因素之一[10-11]，風(fēng)積沙高濃度充填料漿的流動性受濃度變化的影響規(guī)律可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究分析。采用NXS-11A型同軸圓筒上旋式黏度計(jì)，固料中按w(水泥)∶w(輔料)∶w(粉煤灰)∶w(風(fēng)積沙)=1∶2∶10∶10的質(zhì)量配合比制備試樣料漿，不同質(zhì)量濃度料漿的表觀黏度和剪切應(yīng)力在剪切速率為 28 s-1時(shí)的變化曲線如圖2所示。

圖2 表觀黏度、剪切應(yīng)力(剪切速率為28 s-1)與料漿質(zhì)量濃度的關(guān)系曲線

由圖2可知[2]：料漿剪切應(yīng)力、表觀黏度在相同剪切速率下與料漿的濃度同步提高；當(dāng)料漿濃度超過72%后，其剪切應(yīng)力和表觀黏度提高得更加明顯，表明料漿濃度超過72%后其流動性會明顯下降。在大倍線充填管路的條件下，要實(shí)現(xiàn)無泵壓的遠(yuǎn)距離自流輸送，合理濃度是保證料漿良好流動性的主要因素。結(jié)合其他充填礦山料漿管道自流輸送經(jīng)驗(yàn)，充填料漿要實(shí)現(xiàn)自流輸送，其初始剪切應(yīng)力為11 Pa，表觀黏度一般不超過1 500 mPa·s，因此，將質(zhì)量濃度75%作為風(fēng)積沙高濃度充填料漿的濃度上限。

3 大倍線似膏體料漿管路輸送工藝及設(shè)備

3.1 管路輸送參數(shù)與管路選型

1)充填料漿基本參數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)能力要求、料漿配比參數(shù)和煤礦勞動組織制度，充填料漿的輸送能力須滿足Q=180 m3/h。

2)管路壓力

正常工作時(shí)管道最大壓力pmax及最小壓力pmin按下式計(jì)算：

pmax=ΔHγ

(1)

pmin=ΔHγ-Li

(2)

式中：ΔH為充填管路豎向高差，取175 m；γ為充填料漿重力密度，取17 kN/m3；L為井下水平管路總長(不含鉆孔管路)，取2 441 m；i為水力坡度，取 0.6 kPa/m(見章節(jié)3.2)。

將以上參數(shù)分別代入公式(1)和(2)，計(jì)算可得：pmax=2.98 MPa，pmin=1.52 MPa。充填管路料漿壓力示意圖見圖3。

圖3 充填管路料漿壓力示意圖

充填管路堵塞是充填系統(tǒng)發(fā)生概率最大的事故之一，在地面充填站充填立管頂部安裝乳化液泵(或清水泵)，可通過對管路加壓及時(shí)快速處理堵管事故，加壓時(shí)井下水平管道的壓力范圍為5～10 MPa，選擇干路管道及連接件公稱壓力為10 MPa。

3)管道選型

榆陽煤礦井下充填管路所受壓力一般在5 MPa以內(nèi)，環(huán)境溫度為10～30 ℃，且部分區(qū)域濕度較大，選用的鋼管材質(zhì)應(yīng)適應(yīng)環(huán)境條件。充填管路的選材應(yīng)保證足夠的塑性、韌性、強(qiáng)度及較好的穩(wěn)定性，考慮性價(jià)比因素，參考同類礦山充填管路的選型，根據(jù)GB/T 20801.2—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第2部分：材料》[19]選用牌號16Mn碳鋼無縫管，其主要指標(biāo)為：最小許用應(yīng)力163 MPa，拉伸強(qiáng)度σb=490 MPa，屈服強(qiáng)度σs=320 MPa。借鑒國內(nèi)外同等充填礦山輸送能力的管路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合充填系統(tǒng)對輸送能力的要求，管道內(nèi)徑暫取D=180 mm。充填管路壁厚δ按照如下公式計(jì)算：

(3)

式中：D為管道內(nèi)徑，取180 mm；[σt]為最小許用拉應(yīng)力，取163 MPa；δ1為考慮不均勻及銹蝕等因素的附加厚度，取4 mm；δ2為預(yù)留磨損厚度，取3 mm。

將pmax=2.98 MPa代入式(3)計(jì)算可得出：δ=8.65 mm?？紤]一定的安全性，干路充填管壁厚選用10 mm。

根據(jù)GB/T 1047—2005《管道元件 DN(公稱尺寸)的定義和選用》[20]，對應(yīng)公稱直徑D=200 mm。干路管路選型與豎直鉆孔管路一致，均選用公稱直徑為200 mm的管路。

參考GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》[21]，基于上述計(jì)算結(jié)果，井下干路選取規(guī)格?203 mm×10 mm的16Mn標(biāo)準(zhǔn)無縫鋼管作為充填管，管路有效內(nèi)徑DI=183 mm。管路間接頭選用高壓快速接頭，其外徑為203 mm、公稱壓力大于等于10 MPa。

4)臨界流速vc和工作流速v

充填管路料漿流速是衡量管道選型是否合理的重要依據(jù)。在流量一定的前提下，若流速過高，管道中的充填料漿呈紊流狀態(tài)，需要克服的水力坡也較大，引起管輸阻力、管壁磨蝕和輸送能耗的急劇增加，無法滿足管路設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性的要求；而流速較小時(shí)，需增大管道內(nèi)徑，相應(yīng)的管道材料及安裝費(fèi)等明顯增加，且流速過小，料漿中風(fēng)積沙等固體顆粒下沉趨勢明顯，從而出現(xiàn)料漿隨壓力下降導(dǎo)致的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，料漿長時(shí)間的不穩(wěn)定流動會造成堵管。因此，要實(shí)現(xiàn)管路料漿輸送的經(jīng)濟(jì)性和安全性平衡，料漿流速應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。料漿在管道中合理流速范圍的下限用臨界流速vc表示，其決定了風(fēng)積沙似膏體料漿管道輸送流速安全下限值。

當(dāng)管道內(nèi)徑小于200 mm時(shí)，利用杜拉德公式計(jì)算臨界流速vc：

(4)

式中：F1為與粒徑、濃度等有關(guān)的速度系數(shù)，取1.05；g為重力加速度，9.81 m/s2。

D=183 mm，ρj=1.70 t/m3，ρ1=1.25 t/m3，將相應(yīng)參數(shù)值代入公式(4)計(jì)算得出料漿的臨界流速vc=1.19 m/s。

在載體密度ρ1=1.20 t/m3條件下的合理工作流速v應(yīng)是輸送穩(wěn)定且能力較大的流速，與充填倍線、漿體阻力損失、管道內(nèi)徑等有關(guān)，按公式(5)估算：

(5)

將相應(yīng)參數(shù)代入公式(5)計(jì)算得出料漿的工作流速v=4.19 m/s。工作流速v是臨界流速vc的3.5倍。因此，料漿的管路輸送工作是安全可靠的。

計(jì)算結(jié)果表明，相對于矸石、河砂等骨料，風(fēng)積沙的粒徑較小，保證其懸浮的粒徑臨界流速也較小，易于通過管道輸送，這也是風(fēng)積沙似膏體料漿能實(shí)現(xiàn)大倍線自流輸送的原因之一。

5)輸送能力驗(yàn)證

在充分利用有效壓頭的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)充填能力最大，即實(shí)現(xiàn)充填管路合理的輸送能力，通過公式(6)計(jì)算驗(yàn)證：

(6)

計(jì)算可得管路輸送系統(tǒng)的輸送能力Q=396 m3/h，輸送能力完全滿足充填能力的要求。

3.2 大倍線高濃度自流輸送技術(shù)原理

似膏體充填是高濃度膠結(jié)充填的一種，目前我國應(yīng)用高濃度自流充填工藝的煤礦有孫村礦、王莊礦、埠村礦、彩屯礦、艾友礦和大明礦等，其中大多數(shù)礦山充填倍線為4～8，如山東新礦集團(tuán)孫村礦的充填倍線為3.9，料漿濃度為72%；山東王莊礦的充填倍線較大，其值為13.1，但其料漿濃度也較低，僅有65%；遼寧阜礦集團(tuán)艾友礦的充填倍線為3，料漿濃度為57%；目前料漿濃度超過70%的國內(nèi)外礦山充填項(xiàng)目中，在充填倍線超過10時(shí)，基本采用泵送充填工藝。而榆陽煤礦料漿最大濃度為75%，最大充填倍線為15，在高濃度的條件下，其充填倍線遠(yuǎn)大于其他煤礦，實(shí)現(xiàn)了大流量、大倍線、高濃度自流充填。漿體在壓力作用下的管道中流動，要同時(shí)克服湍流產(chǎn)生的層間阻力及料漿管壁產(chǎn)生的摩擦阻力，兩者統(tǒng)稱為摩擦阻力損失即水力坡度，水力坡度小是榆陽煤礦能實(shí)現(xiàn)大倍線高濃度自流輸送的主要原因。

3.2.1 水力坡度影響因素

1)灰沙比?；疑潮仁怯绊懥蠞{級配和流動性的重要因素，料漿中有大量的粉煤灰和風(fēng)積沙等超細(xì)物料，尤其是微觀結(jié)構(gòu)為球珠狀顆粒的粉煤，在壓力作用下其在管道內(nèi)壁形成潤滑層，可改善料漿的流動性，減小管道的摩擦阻力。一般煤礦似膏體充填灰沙比(或灰與煤矸石比例)在1∶2～1∶3，而風(fēng)積沙似膏體材料灰沙比為1，灰沙比較大，水力坡度小。同時(shí)風(fēng)積沙作為骨料與河砂、矸石等相比，其粒徑均相對較小，使其臨界流速較小，有利于料漿自流輸送。

2)濃度。濃度對水力坡度的影響明顯，濃度越大流體的壓力損失就越大。高濃度料漿意味著固料比例較高，要保證所有固體物料懸浮，就需要消耗較多能量以克服固料的重力，并增大相應(yīng)的水力坡度；濃度增大后，物料黏度增大，摩擦阻力相應(yīng)也增大。榆陽煤礦料漿濃度基本為70%～75%，比其他似膏體充填濃度(72%～78%)小，也是其水力坡度小，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送的原因之一。

3.2.2 水力坡度計(jì)算

漿體水力坡度一般通過含屈服應(yīng)力、相對密度、流速、管徑、料漿黏度等參數(shù)的公式計(jì)算，這些參數(shù)測量誤差大，與實(shí)際有出入，一般采用管路設(shè)計(jì)方案的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

恒定總流能量方程式為：

(7)

式中：Z1、Z2為1、2斷面上任一選定點(diǎn)相對于基準(zhǔn)面的高程；p1、p2為同一選定點(diǎn)的壓強(qiáng)；v1、v2為相應(yīng)斷面的平均流速；hl1-2為1、2兩斷面間的平均單位水頭損失，包括沿程損失和局部損失。

經(jīng)理論計(jì)算，結(jié)合充填管路系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并對參數(shù)進(jìn)行修正，得到榆陽煤礦管路輸送的水力坡度i=0.6 kPa/m。

最大允許充填倍線Nmax根據(jù)漿液密度和實(shí)際壓力計(jì)算：

(8)

式中：K1為垂直管段滿管系數(shù)，取0.9；K2為充填管路局部阻力系數(shù)，取1.1；γ為料漿密度，取1.70 t/m3；i為水力坡度，取0.6 kPa/m。

計(jì)算可得Nmax為22.7，遠(yuǎn)大于榆陽煤礦15的實(shí)際充填倍線，即垂深175 m時(shí)井下水平距離可輸送 3 798 m，能實(shí)現(xiàn)高濃度充填料漿的大倍線遠(yuǎn)距離自流輸送。

4 充填管路系統(tǒng)的安裝與應(yīng)用

4.1 立管與水平管

充填管路分鉆孔立管和井下巷道水平管路兩部分。榆陽煤礦的充填管路由2套獨(dú)立管路組成，單套立管長度(孔深)145 m，單節(jié)管長10 m，充填站 2個(gè)充填鉆孔內(nèi)安裝?219 mm×19 mm管路(材質(zhì)為16Mn無縫鋼管，每個(gè)鉆孔管路長度150 m)，兩管之間通過絲扣連接，各鉆孔底部通過彎管變水平管。

從鉆孔底部到充填工作面支架后方采空區(qū)入口的充填管為井下水平管路，2條井下管路均通過專用充填巷及回風(fēng)巷道布置于充填工作面。2套井下管路長度均為2 470 m，單套管路由4 m或6 m長的單根鋼管(局部裝短接)，25個(gè)90°彎管，2個(gè)135°彎管組成，兩管之間采用高壓快速接頭連接，水平管路選型為?203 mm×10 mm的16Mn無縫鋼管。無縫鋼管末端外接DN200 mm高壓軟管，對支架后方采空區(qū)進(jìn)行充填。

4.2 管件與配件

閥門：主要用于管路轉(zhuǎn)換、泄?jié){、控制流量等。公稱壓力有10 MPa和5 MPa兩種，閘閥和球閥，多數(shù)閥門與地面PLC實(shí)現(xiàn)連接，實(shí)行集中控制。

流量計(jì)：在地面成漿罐與鉆孔豎管間和井下水平管路安設(shè)流量計(jì)，與地面PLC實(shí)現(xiàn)連接。

高壓壓力表：量程為0～16 MPa?？蓪?shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程顯示壓力；具備壓力數(shù)據(jù)記錄功能；與地面PLC實(shí)現(xiàn)連接。供電電壓127 V。

三通：用于連接管路、管件。公稱壓力不小于 10 MPa。其中包括等徑三通和變徑三通。

4.3 管路監(jiān)測及堵管快速處理

充填作業(yè)過程中會有料漿濃度偏高、凝結(jié)時(shí)間過短或混入雜物等問題，或由于料漿在管道內(nèi)長時(shí)間靜置凝固、管路未沖洗干凈而導(dǎo)致堵管甚至發(fā)生管道泄漏等生產(chǎn)事故，都會影響充填作業(yè)效率，需要對充填管路進(jìn)行監(jiān)測，建立充填管路監(jiān)控系統(tǒng)，因此制訂了堵管預(yù)警和快速處理方案。主要有以下3方面的針對性措施：

1)電控、監(jiān)測系統(tǒng)：各主要閥門采用電動閥門，可快速實(shí)現(xiàn)管路切換、排污等操作；管道壓力、流量、漿液充滿情況等也通過現(xiàn)場、地面遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。管道監(jiān)控系統(tǒng)并入充填自動控制系統(tǒng)。

2)管路監(jiān)測：設(shè)立充填管路壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過在低洼、彎管段等地點(diǎn)安設(shè)壓力傳感器監(jiān)測管路壓力，對堵管等事故進(jìn)行提前預(yù)警。

3)管道充填料漿流量控制：為保證充填料漿在一個(gè)合理的流速范圍內(nèi)流動，防止料漿發(fā)生離析或沉積導(dǎo)致堵管，需安裝流量調(diào)節(jié)閥，利用閥門控制料漿的流速流量，實(shí)現(xiàn)料漿的穩(wěn)定滿管狀態(tài)輸送。

在充填管路安裝完成之后，進(jìn)行了管路輸送工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)料漿濃度為72%，料漿的流量為200～400 m3/h，井下出漿口漿料噴出距離2 m左右。表明料漿的管路輸送具有較高的可靠性，實(shí)現(xiàn)了高濃度充填料漿的大倍線遠(yuǎn)距離自流輸送。

5 結(jié)論

1)風(fēng)積沙高濃度充填料漿具有較強(qiáng)的流動性，實(shí)驗(yàn)表明料漿濃度超過72%后流動性會明顯下降，充填料漿要實(shí)現(xiàn)自流輸送，其初始剪切應(yīng)力為11 Pa，表觀黏度一般不超過1 500 mPa·s，相應(yīng)的料漿質(zhì)量濃度上限為75%。

2)計(jì)算分析表明：管路充填倍線為15的高濃度料漿輸送臨界流速為1.19 m/s，工作流速為4.19 m/s。工作流速是臨界流速的3.5倍，最大輸送能力可達(dá)到396 m3/h，料漿的管路輸送具有較高的可靠性。根據(jù)榆陽煤礦的充填管路條件，可實(shí)現(xiàn)的最大充填倍線為22.7，即垂深175 m時(shí)井下水平距離可輸送3 798 m，實(shí)現(xiàn)了高濃度充填料漿的大倍線、遠(yuǎn)距離自流輸送。