礦井膏體充填泵送工藝的設(shè)計(jì)與研究

陳玉泰

（山西潞安工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

隨著國(guó)家不斷出臺(tái)煤炭綠色開(kāi)采政策，大力支持礦井投建綠色開(kāi)采項(xiàng)目，作為技術(shù)相對(duì)完善的膏體充填工藝技術(shù)得到各煤礦企業(yè)的青睞，煤礦膏體充填項(xiàng)目大量投建，2019—2022 年僅山西省內(nèi)就有十多家煤礦企業(yè)籌建投產(chǎn)，但泵送工藝控制一直是各膏體充填項(xiàng)目急需優(yōu)化的技術(shù)難點(diǎn)，充填過(guò)程中堵管、廢孔時(shí)常發(fā)生，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 礦井膏體充填泵送工藝設(shè)計(jì)

礦井充填泵送工藝流程分為：管道注水→灰漿推水→充填料推灰漿→正常（輪流）充填→灰漿推充填料→水推灰漿→打風(fēng)。

管路注水：管道充滿水后，關(guān)閉排氣閥，充填泵處于待運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，完成管路、閥門(mén)漏水檢查。

灰漿推水：攪拌樓生產(chǎn)的灰漿通過(guò)布料斗進(jìn)入充填泵儲(chǔ)漿斗，灰漿料位大于充填儲(chǔ)漿斗的2/3 后，開(kāi)始泵送，生產(chǎn)時(shí)通過(guò)控制布料斗下料速度保持充填泵儲(chǔ)漿斗料位一直高于2/3 處。

充填料推灰漿：灰漿泵送完設(shè)計(jì)方量，管道輸送正常，緊跟生產(chǎn)泵送充填料。充填面條帶口見(jiàn)到灰漿后（被水稀釋的灰漿）切換布料閥，使灰漿充入隔離好的條帶。

正常（輪流）充填：充填料通過(guò)充填泵加壓后，經(jīng)過(guò)充填管路系統(tǒng)，充入已布置好的條帶內(nèi)。全程由地面集控系統(tǒng)下達(dá)充填方量任務(wù)和設(shè)定材料配方，自動(dòng)按照填充流程完成后續(xù)各階段的充填工作，直至充填結(jié)束[1]。

灰漿推矸石漿：充填計(jì)劃方量完成后，開(kāi)始生產(chǎn)灰漿，灰漿生產(chǎn)量大于總管路容量的2/3。灰漿推矸石漿的目的是隔離水和矸石漿，避免因水和矸石漿混合造成矸石漿離析，發(fā)生堵管事故。

水推灰漿：開(kāi)始打灰漿后，關(guān)注背壓閥壓力示數(shù)，并在打完灰漿后緊跟打水。當(dāng)背壓閥壓力示數(shù)升高時(shí)，打開(kāi)連接排污軟管的布料閥，待排污軟管開(kāi)始流出水（灰水混合物），關(guān)閉充填管末端充填閥門(mén)，斷開(kāi)與充填軟管的連接。繼續(xù)打水，開(kāi)始清洗管道，并對(duì)主管路末端的閥門(mén)進(jìn)行清洗。

打風(fēng)：在充填條帶充填側(cè)巷道口見(jiàn)到清水后匯報(bào)集控中心開(kāi)始打風(fēng)。直至井下管路不見(jiàn)水后，匯報(bào)至集控中心關(guān)閉打風(fēng)閥門(mén)，確認(rèn)地面充填站停風(fēng)以后，關(guān)閉充填管路所有閥門(mén)，結(jié)束沖洗工作。

膏體充填管路系統(tǒng)的功能是在充填泵泵送壓力或自重壓力作用下將膏體充填材料安全輸送至待充填區(qū)，主要由地面工業(yè)泵、地面充填管路、充填干線管路、管路壓力在線檢測(cè)系統(tǒng)、充填工作面管路、排水管路及其配套閥組等組成。整個(gè)工藝通過(guò)智能控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，保證充填膏體正常充入采空區(qū)。

2 管路設(shè)計(jì)

2.1 地面管路布置

地面充填管路是充填泵與充填立管連接的通道，與充填泵出口高度基本保持同一水平，通過(guò)彎管與立管連接，沿途設(shè)置放氣孔、清管閥。

2.2 充填立管布置

充填立管是輸送膏體井上下聯(lián)系通道，由安裝在立孔內(nèi)耐磨無(wú)縫鋼管組成，根據(jù)各礦井煤層深度決定立孔深度。

2.3 充填干線管路系統(tǒng)

充填干線管路系統(tǒng)由充填干線管、保障閥、三通泄?jié){閥、壓力監(jiān)測(cè)閥、清管閥、伸縮閥等其他輔助配件組成。

2.4 充填干線管路參數(shù)設(shè)計(jì)

影響充填管路壁厚、管徑及耐壓強(qiáng)度等參數(shù)選取的因素主要有膏體特性、流量、流速、輸送距離、高差、管道特性等。設(shè)計(jì)參考類(lèi)似條件下管輸膏體長(zhǎng)期觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定流速參數(shù)、并根據(jù)設(shè)備性能、輸送能力等選擇管徑、壁厚、壓力等參數(shù)。

2.4.1 管內(nèi)充填料漿的流速

充填膏體材料在充填管內(nèi)輸送時(shí)，最理想的充填狀態(tài)是“柱塞狀”流態(tài)，當(dāng)材料性能條件達(dá)到時(shí)，充填材料可以達(dá)到無(wú)臨界流速，根據(jù)管壁材質(zhì)及充填料性能，充填料在管道內(nèi)輸送克服管道摩擦阻力和勢(shì)能。充填膏體流速越快，消耗的動(dòng)能越大，管道壁承受的靜壓越大，因此合理的選擇充填料的流速，是保證充填膏體的流速，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室膏體壓力泌水測(cè)試、管道內(nèi)徑和布料出口壓力，在充填方量保證在150m3/h 以上，選擇最佳流速1.8m/s[2]。

2.4.2 充填干線管路內(nèi)徑

充填主線路管徑的選擇主要根據(jù)流速的選擇和泵送方量的設(shè)定，選定流速1.8m/s，根據(jù)充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，計(jì)算管道內(nèi)徑。同時(shí)為達(dá)到充填管道“滿管流”的先決條件，管徑選擇越小越好，管道內(nèi)不宜產(chǎn)生氣泡、射流，立孔空管等問(wèn)題，管道鋪設(shè)更加便捷[3]。

按照充填能力和流速，可根據(jù)式（1）計(jì)算出充填管路內(nèi)徑。

式中：D——充填管路內(nèi)徑，mm；Qj——充填系統(tǒng)能力，m3/h；Vj——管路內(nèi)充填料的流速，m/s，取1～2m/s。

假設(shè)礦井充填系統(tǒng)能力150m3/h，根據(jù)計(jì)算：充填管路的理論最小內(nèi)徑為163～230mm。

2.4.3 泵送工作壓力

充填系統(tǒng)壓力與充填料漿的流動(dòng)性能、充填系統(tǒng)管路長(zhǎng)度成正比關(guān)系。

根據(jù)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》（JGJT 10—2011），泵送壓力與泵送能力、管徑的關(guān)系的計(jì)算如式（2）至式（4）所示。

式中：Lmax——充填管路最遠(yuǎn)距離，山西某礦充填管路=地面管道+立管+井下干線管道=50+580+2870+1000=4500m，地面管路約50m，立管580m，斜巷管道長(zhǎng)2870m向上傾角約6°，水平距離約1000m；P——充填泵泵送壓力，Pa；R0——充填管內(nèi)半徑，m；K2——速度系數(shù)；τ2/τ1——膏體分配閥切換時(shí)間與推壓時(shí)間之比，取0.3；Q——泵送能力，m3/h，取150m3/h；α2——徑向壓力與軸向壓力之比，對(duì)普通混凝土取0.9；S1——坍落度，mm，取280mm；γ——膏體密度，kg/m3，取1800kg/m3；ΔH——管路進(jìn)出口高差，580-300=280m；g——常數(shù)，取9.8。

依據(jù)充填能力的要求及充填開(kāi)采方案設(shè)計(jì)，膏體充填能力按照150m3/h 驗(yàn)算泵送壓力及管徑，充填能力一定前提下，泵送壓力隨充填距離增大而增大，泵送壓力與管徑大小呈反向增長(zhǎng)趨勢(shì)。為選取管徑與泵送壓力最佳匹配參數(shù)，滿足礦井后期及輸送最困難條件需要，按照最遠(yuǎn)輸送當(dāng)量距離4500m、對(duì)應(yīng)高度落差280m 計(jì)算，泵送壓力與充填管徑關(guān)系如表1 所示。

表1 最遠(yuǎn)端輸送泵送壓力與充填管徑關(guān)系

表1 數(shù)據(jù)顯示，在工程條件（輸送距離、高差、料漿流動(dòng)性能）相同的情況下，管徑偏小會(huì)造成充填系統(tǒng)壓力過(guò)高，膏體輸送難度加大，充填泵長(zhǎng)時(shí)間高壓工作，對(duì)安全運(yùn)行不利。

根據(jù)充填泵運(yùn)行時(shí)工作壓力在15MPa 以下時(shí)，充填工作可安全、高效、持續(xù)性進(jìn)行，依據(jù)公式（2）計(jì)算結(jié)果可知，此礦井充填管路的內(nèi)徑值不應(yīng)小于210mm。

2.4.4 管路壁厚計(jì)算

計(jì)算管道的壁厚，選取礦井最低點(diǎn)標(biāo)高作為計(jì)算參數(shù)，最低標(biāo)高點(diǎn)位于立孔下端，井上下高差為280m，取膏體料漿比重為1.8t/m3，則膏體自重靜壓力為5.04MPa。充填系統(tǒng)最遠(yuǎn)輸送壓力選定為15MPa，充填管路的最危險(xiǎn)工況點(diǎn)承受壓力值為20.04MPa。

根據(jù)充填工程經(jīng)驗(yàn)，年充填30 萬(wàn)m3的充填管道在最初階段的磨損速度是0.7mm/年，經(jīng)過(guò)初期的磨損后，管道內(nèi)壁呈現(xiàn)出光滑的表面，磨損率降低至0.1mm/年。設(shè)計(jì)充填開(kāi)采能力100 萬(wàn)t/年（約74 萬(wàn)m3），干線充填管設(shè)計(jì)壽命6 年，6 年內(nèi)磨損率為0.7+0.1×（74/30）×6=2.18mm。六年后可根據(jù)管壁剩余厚度，作為支充填管使用。

根據(jù)《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3 部分：設(shè)計(jì)和計(jì)算》（GB/T 20801.3—2020），充填管道壁厚δ 的計(jì)算如式（5）所示。

式中：P——管道所受最大壓強(qiáng)，20.04MPa；D——管路內(nèi)徑，210mm；[σ]——鋼材抗拉許用應(yīng)力，Q345B 鋼管為490MPa，參照礦山充填經(jīng)驗(yàn)，無(wú)縫鋼管的允許拉應(yīng)力一般取其抗拉強(qiáng)度的40%，則Q345 鋼管允許拉應(yīng)力為196MPa；K——磨損腐蝕量，取2.18mm。

代入式（5），得立孔下端充填管道最小壁厚應(yīng)不小于12.92mm。

2.4.5 充填干線管路選型

依據(jù)內(nèi)徑及壁厚計(jì)算公式可知，充填管路理論內(nèi)徑值不應(yīng)小于210mm，立孔下端充填管道最小壁厚應(yīng)不小于12.92mm。D=210+12.92×2=235.84mm。

根據(jù)無(wú)縫鋼管規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，選用外徑245mm 無(wú)縫鋼管，壁厚為17mm，材質(zhì)16Mn。

3 充填膏體性能研究

充填料的工作性能直接決定著充填能否成功，主要性能參數(shù)有：材料均質(zhì)性、受壓泌水率、流動(dòng)度、坍落度保持時(shí)間等。

3.1 均質(zhì)性

充填膏體均質(zhì)性主要與攪拌時(shí)間有關(guān)，目前大部分膏體充填站使用強(qiáng)制攪拌機(jī)拌和，為提高攪拌效率采用臥式雙軸強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌，一般攪拌時(shí)間30～60s，投料順序?yàn)楣橇稀z結(jié)料→外加劑和水，骨料和膠結(jié)料預(yù)先攪拌均勻更有利于充填膏體均質(zhì)，避免攪拌形成疙瘩和干粉粘壁，外加劑在稱(chēng)量完成后預(yù)先添加到提前稱(chēng)量好的水里，稀釋溶解后共同摻入混合料中加速充填膏體攪拌成功[4]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)投料順序極大影響充填膏體均質(zhì)性。投料順序和攪拌時(shí)間不同產(chǎn)生結(jié)塊重量如表2 所示。

表2 投料順序和攪拌時(shí)間不同產(chǎn)生結(jié)塊重量 單位：kg

從表2 數(shù)據(jù)可得出攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的結(jié)塊重量越少，均質(zhì)性越好，以骨→膠→水的順序投料產(chǎn)生結(jié)塊重量最少，均質(zhì)性最好。充填膏體中的結(jié)塊越少，充填泵送越容易成功。

3.2 受壓泌水率

泌水率充填膏體泌水與混凝土泌水原理基本一致主要有骨料顆粒集配、水泥粉煤灰用量、增稠劑的選擇，受壓泌水主要原因是物料整體粒度級(jí)配缺陷，粗細(xì)分離導(dǎo)致分層、泌水，可直接造成管道堵塞。在水泥和粉煤灰細(xì)度確定的情況下，提高充填膏體保水性能的方法如下。

（1）增加水泥用量，提高充填膏體的整體膠結(jié)能力，初始水泥水化反應(yīng)提高整體性能粘聚力。增加保水性能，但后期水化收縮比例增大。

（2）增加骨料含粉量，粉塵顆粒水潤(rùn)后更容易吸附在大顆粒表面，極大的比表面積提供更大表面吸附力，牢牢鎖住水分流失，降低泌水概率。

（3）增加增稠外加劑，纖維醚、糊精等增稠劑提供混合料液相不溶物懸浮力，使充填膏體均質(zhì)性更好，降低泌水比例。

（4）增加引氣劑含量，適當(dāng)?shù)脑诔涮罡囿w中引入氣泡，有助于攪拌成品充填膏體固-液-氣三相比例穩(wěn)定性，降低泌水概率。

3.3 流動(dòng)性

充填膏體流動(dòng)性能主要影響充填接頂率，當(dāng)充填膏體運(yùn)送至采空區(qū)時(shí)，通過(guò)自流充滿采空區(qū)，流動(dòng)性越大，充填接頂成功率越高，但充填膏體流動(dòng)性越大，用水量越高，充填體強(qiáng)度越低，同時(shí)流動(dòng)性越大，充填料更不容易形成“柱塞狀”流態(tài)，不利于充填工藝?yán)碚摰膶?shí)現(xiàn)。所以充填膏體在保證能接頂?shù)那疤嵯拢M可能增加稠度，降低流動(dòng)性，減少用水量，可以有效的降低堵管風(fēng)險(xiǎn)，有利于充填膏體后期強(qiáng)度的提升。

3.4 坍落度保持時(shí)間

充填膏體設(shè)計(jì)為水泥膠結(jié)材料，水泥與水水化產(chǎn)生水泥石，降低充填膏體流動(dòng)性增加塑性，隨著水泥水化的不斷進(jìn)行，產(chǎn)生的水泥石越多，充填膏體流動(dòng)性逐漸喪失，形成有一定強(qiáng)度的充填體，自立與支撐礦井采空區(qū)頂板。由于充填膏體經(jīng)地面管道輸送至井下距離較遠(yuǎn)，時(shí)間較長(zhǎng)，因此充填膏體保持一定的流動(dòng)性至關(guān)重要，參考混凝土泵送經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)距離泵送，坍落度保持在220～280mm。假設(shè)輸送距離4km，膏體流速1.8m/s，充填膏體輸送至工作面需要37min，考慮實(shí)際充填膏體攪拌后布料、管道摩擦壓力損失、出口布料等因素影響，坍落度保持時(shí)間應(yīng)大于1h，才能正常泵送至礦井采空區(qū)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)暫無(wú)膏體礦井充填泵送相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，膏體礦井充填作為一個(gè)新型行業(yè)，不僅需要在工藝設(shè)計(jì)上研究開(kāi)拓，還需逐步完善自動(dòng)化控制，優(yōu)化管理制度，同時(shí)需要政府部門(mén)的政策推進(jìn)，在保證礦井企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)兼顧國(guó)家能源節(jié)約、資源綠色開(kāi)發(fā)、提升行業(yè)環(huán)保形象，肩負(fù)起綠色發(fā)展的社會(huì)責(zé)任。