桃山三井膠結(jié)充填管輸系統(tǒng)試驗(yàn)研究＊

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）

0 引言

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(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方法主要有自流輸送和泵壓輸送兩種［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，國內(nèi)外專家雖然對充填料漿管道流阻測試的研究［5］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)仿真模擬管輸系統(tǒng)，查出原方案所存在的問題，并對參數(shù)優(yōu)化，再利用模擬優(yōu)化措施和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對管輸系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其應(yīng)用到工業(yè)試驗(yàn)成為礦山充填開采管輸系統(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，其含有的FLOTRAN 流體分析模塊［9－10］，也可以通過模擬分析，對管輸參數(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。文中在桃山三井前期發(fā)生的幾次堵管問題解決的基礎(chǔ)上，以2.0 m/s流速為工業(yè)既定速度前提下，采用自流+泵送的充填料漿輸送方式，并利用ANSYS對管輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬研究，借以確定適宜該充填工作面的漿體濃度、管路半徑，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 充填工藝

1.1 充填材料選取

在前期新安礦巷旁充填［11－13］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。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，以至于能良好有效的預(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)散度實(shí)驗(yàn)方法對充填材料進(jìn)行配比試驗(yàn)，最后獲得了料漿濃度的合理范圍48% ～58%.確定的固體物料合理配比為:粗粉煤灰(4000)∶水泥(500)∶石灰(125)∶石膏(75)∶早強(qiáng)劑(15)∶J85(10)∶硅酸鈉(4)∶元明粉(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，這對對于防止頂板冒落、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所示。

圖1 桃山礦三井膠結(jié)充填的工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of coarse fly ash slurry filling

2 充填料漿管道輸送系統(tǒng)數(shù)值模擬

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，更方便于管輸充填系統(tǒng)在礦山上的推廣應(yīng)用，因此，本文通過計(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，常溫條件下水的密度 ρ水=1 t·m－3，假如選擇漿體質(zhì)量濃度Cw=52%，有

2.1.1 漿體密度 ρj的計(jì)算

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0.03866 t，依據(jù)漿體的密度計(jì)算公式得

2.1.2 漿體體積濃度CV計(jì)算

充填1 m3體積料漿需要0.68 t水，水的體積為V水=0.68/1=0.68 m3，依據(jù)體積濃度計(jì)算公式得

2.1.3 料漿粘度 μm的計(jì)算

以依據(jù)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可分別取93，0.00273.根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出質(zhì)量濃度為52%的料漿與清水的粘度比

在實(shí)際測定下，該充填區(qū)氣溫均為20℃，清水的粘度1.005 MPa·s，粗粉煤灰料漿粘度μm=96.2 MPa·s.

采用上面同樣的方法，對質(zhì)量濃度為48%，55%，58%料漿的密度、體積濃度和粘度進(jìn)行計(jì)算，獲得的參數(shù)見表1.

表1 不同質(zhì)量濃度下漿體的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of slurry under different mass concentration

2.2 建立模型

利用分析軟件ANSYS/FLOTRAN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，原型總長度為894 m，垂直高度差為300 m.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，考慮模型誤差的影響，決定對管路系統(tǒng)進(jìn)行簡化。在假設(shè)漿體是賓漢體條件下進(jìn)行料漿管道輸送模擬的，認(rèn)定料漿粘性是恒定不變的；不考慮熱交換；不考慮地壓波等振動(dòng)帶來的影響。

2.3 數(shù)值模擬

在模擬過程中，選定漿體流速為20 m/s，從漿體濃度、管徑2方面對輸送系統(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和見表2.

表2 不同質(zhì)量濃度模擬的結(jié)果Tab.2 Simulation results of different concentrations

2.3.2 管徑的模擬

本次模擬選用100，140，160和180 mm 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和見表3.

表3 不同管徑模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.3 Numerical simulations of different diameter data

從圖3和圖4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，但是料漿濃度對管壓的增幅較小，管道最大壓力僅增大4 kPa，確立的最適宜的濃度為52%.管道直徑越大，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40 kPa.

圖2 不同濃度的管路全程壓力和速度矢量圖Fig.2 Different concentrations of pipeline pressure and elocity vector diagram

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

充填體強(qiáng)度是辨別充填效果好壞的重要指標(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)。通過與以前充填項(xiàng)目中充填體質(zhì)量的對比，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，對頂板及上覆巖層的控制取得了良好的效果，充填效果如圖4所示。

圖3 不同管徑的沿程壓力分布和彎管處速度矢量圖Fig.3 Pressure distribution along different pipe diameter of the velocity vector diagram

圖4 桃山礦工業(yè)試驗(yàn)充填前后效果對比圖Fig.4 Industrial test before and after the filling effect comparison chart in Taoshan mine

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)充填材料的最佳配比，即粗粉煤灰(4000)∶水(4490)∶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范圍內(nèi)的管徑對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。

References

［1］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(4):343 －348.QIAN Ming-gao，XU Jia-lin，MIAO Xie-xing.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(shù)［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2005.WANG Xin-min，XIAO Wei-guo，ZHANG Qin-li.Deep well mining filling theory and technology［M］.Changsha:Central South University Press，2005.

［3］鄭晶晶，張欽禮，王新民.充填管道系統(tǒng)失效模式與影響分析(FMEA)及失效影響模糊評估［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19(6):166 －171.ZHENG Jing-jing，ZHANG Qin-li，WANG Xin-min.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.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 shao-hui.Characteristics and comprehensive resources utilization of fly ash［J］.Concrete，2010，25(4):45－47.

［5］金子橋，呂憲俊，胡術(shù)剛，等.膏體充填料漿水力坡度研究進(jìn)展［J］.金屬礦山，2009，401(11):35 －37.JIN Zi-qiao，LV Xian-jun，HU Shu-gang，et al.Development of research on hydraulic gradient of paste backfill slurry［J］.Metal Mine，2010，25(4):45 －47.

［6］李永業(yè)，孫西歡，閻慶紱，等.不同導(dǎo)流條安放角條件下筒裝料管道水力輸送試驗(yàn)研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A 輯)，2008，23(1):86 －89.LI Yong-ye，SUN Xi-huan，YAN Qing-fu，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］李 翔，王金安，張少杰.復(fù)雜地質(zhì)體三維數(shù)值建模方法研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(6):666－680.LI Xiang，WANG Jin-an，ZHANG Shao-jie.3D modeling method of complicated geological body［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(6):666－680.

［8］賈建華，張艮龍.巷道三維顯示自動(dòng)建模新方法［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(6):716 －719.JIA Jian-hua，ZHANG Gen-long.3D visualization of roadway based on ArcGIS［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30(6):716 －719.

［9］胡紅軍.ANSYS10.0材料工程有限元分析實(shí)例教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.HU Hong-jun.Tutorial ANSYS10.0 materials engineering finite element analysis of an example［M］.Beijing:Electricity to the Industry Press，2008.

［10］謝龍漢.ANSYS FLOTRAN流體及熱分析［M］.北京:電予工業(yè)出版社，2012.XIE Long-han.ANSYS FLOTRAN fluid and thermal analysis［M］.Beijing:Electricity to the Industry Press，2012.

［11］李鳳義，王偉淵.新安煤礦井下沿空留巷巷旁充填實(shí)驗(yàn)［J］.黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23(5):409 －412.LI Feng-yi，WANG Wei-yuan.Filling test filled in gobside 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(guān)顯華.粉煤灰基膠結(jié)充填采煤技術(shù)及應(yīng)用［J］.煤礦現(xiàn)代化，2014，120(3):15 －18.CHEN Wei-xin，GUAN Xian-hua.Fly ash based cemented filling mining technique and application［J］.Coal Mine Modernization，2014，120(3):15 －18.

［13］劉永兵，陳紀(jì)忠，陽永榮.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，2006，40(5):858－863.LIU Yong-bing，CHEN Ji-zhong，YANG Yong-rong.Numerical simulation of liquid-solid two-phase flow in slurry pipeline transportation［J］.Journal of Zhejiang University:Engineering Science，2006，40(5):858 －863.