“三廢”膠結充填料漿管輸系統試驗研究

李鳳義 聶文波 陳 雷

(1.黑龍江科技大學礦業研究院，黑龍江哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江哈爾濱 150022)

0 引言

隨著煤炭開采技術的發展，在綠色開采［1］的基礎上，針對煤炭開采造成的地表沉陷、環境污染等問題上，90%以上的礦山充填開采會選擇管道輸送［2］。但管道輸送過程中造成的管道堵塞和磨損問題，成為制約煤礦充填開采的一個突出問題。國內外都曾發生過此類事故，造成巨大的損失，比如說小屯礦，膏體充填初期發生堵管，造成損失達267萬元［3］。

基于固液兩相流基礎理論，結合桃山礦前期堵管以及解決措施，試驗了自流+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

該桃山礦區開采的煤層有85號、87號、93號和94號，井田的構造為一組向、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，堅持成本低、來源廣和環保的原則，同時也要保證充填料漿的凝固時間和其對應的充填體強度滿足實際工程的要求。

根據我國粉煤灰品質指標(如細度、燒失量等)劃分等級［4］，七臺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 粉煤灰品質等級 %

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劑、懸浮劑和速凝劑等。最終確定的充填體，其強度在6 h～8 h達到0.8 MPa～1 MPa，24 h后達到2 MPa～3 MPa，72 h后達到3.5 MPa～4 MPa。

在滿足充填體強度及料漿良好的流動性的前提下，采用正交試驗的方法和料漿擴散度試驗方法進行配比試驗，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，在井上進行粉煤灰活化、井下配制成漿體，可連續制備這種膠結充填料漿，隨著采煤工作面推進，將充填材料注入采空區，膠結凝固后支撐采空區頂板，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數值模擬及結果分析

3.1 漿體參數

依據桃山礦井下條件，充填區氣溫均為20℃，此時清水的粘度為 1.005 MPa·s，則粗粉煤灰料漿的粘度 μm=96.2 MPa·s，使用NDJ-1型旋轉粘度計直接測量料漿的粘度［5］，測得參數如表3所示。

表3 不同質量濃度下漿體的物理參數

3.2 建立模型

針對桃山礦的充填管路輸送問題，利用分析軟件ANSYS/FLOTRAN［6］進行數值模擬研究。

基于模擬軟件及計算機的局限性和礦山料漿管輸系統的復雜性。經定性分析，管道模型的大小:高20 m，水平40 m，兩端夾角為直角，管道內徑為159 mm，彎管內徑200 mm，幾何充填倍線3.0，管道簡化模型如圖2所示。

圖2 料漿管輸系統簡化后的模型

3.3 數值模擬

3.3.1 漿體濃度的模擬

以50%為濃度最低限，選取質量濃度為52%，55%的兩組漿液進行模擬。

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兩種流速進行模擬。

由模擬結果可知，管道最大壓力隨著料漿質量濃度和輸送速度的增加而增大，且濃度一定時，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，管路越易發生堵塞，因此根據礦山實際情況，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 試驗結果分析

充填體強度是辨別充填的效果好與壞的重要指標［7］。對工業試驗中料漿的抗壓強度采用與井下固化性能試驗對比的方法，先用試模從井下取料漿，再用維卡儀測定漿液的初、終凝的時間，最后用壓力機測定試樣的單軸抗壓強度，其對比情況如圖3所示。

圖3 井下試驗與工業試驗料漿充填體強度的對比

從圖3中分析:與井下固化試驗對比，工業試驗中料漿凝固后的抗壓強度要略小，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到充填工作面后，少部分細粒水泥漿流失造成的?，F場充填的效果如圖4所示。

圖4 桃山礦工業試驗充填前后效果對比圖

5 結語

1)采用龍煤集團七臺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題，符合礦山綠色開采技術的要求，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，其中輸送流速對管壓影響最為明顯。

3)通過對現場試驗測量可得出，試樣的初凝時間為95 min，其終凝時間是120 min，試樣的單軸抗壓強度在8 h后、24 h后、72 h 后分別為 0.82 MPa，2.38 MPa，3.4 MPa，實現了充填體的高強、速凝、主動接頂等等特點，也達到了綠色開采的標準，為煤礦安全生產提供了新的方向，也為類似條件下充填開采提供了借鑒的作用。

［1］錢鳴高，許家林，廖協興.煤礦綠色開采技術［J］.中國礦業大學學報，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［M］.長沙:中南大學出版社，2010:1-6.

［3］鄭晶晶，張欽禮，王新民，等.充填管道系統失效模式與影響分析(FMEA)及失效影響模糊評估［J］.中國安全科學學報，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，肖衛國，張欽禮.深井礦山充填理論與技術［M］.長沙:中南大學出版社，2005.

［6］劉永兵，陳紀忠，陽永榮.管道內液固漿液輸送的數值模擬［J］.浙江大學學報(工學版)，2006(5):858-863.

［7］郭惟嘉.煤礦充填開采技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2013:35-56.