濕噴混凝土的管道輸送研究

孟 科，韓 斌，姚 松

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濕噴混凝土的管道輸送研究

孟 科1，韓 斌1，姚 松2

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.中色非洲礦業有限公司，贊比亞 基特韋 22592)

目前針對濕噴混凝土管道輸送規律的研究較少，現有的研究多數是建立在對建筑用混凝土和高濃度充填漿體理論研究的基礎上。但濕噴混凝土與建筑用混凝土和高濃度充填漿體，無論在材料組成還是輸送動力上都存在很大差異。為此，結合礦山濕噴現場管道布置特征及環管試驗設計原則開展了濕噴混凝土的環管實驗，探究濕噴混凝土管道輸送的阻力影響因素及規律。結果表明，管道輸送阻力與直管管道半徑、彎管曲率半徑及料漿坍落度有密切關系。為提高濕噴混凝土的可泵性，可從改善管網參數和提高料漿的工作性兩方面采取措施，并揭示了濕噴混凝土管道堵塞機理。

濕噴混凝土；環管實驗；阻力；可泵性；堵塞機理

濕噴混凝土是將拌好的混凝土料由輸送泵通過噴嘴加高壓風將混凝土噴射到受噴面，并迅速凝結，對圍巖起到一定支護作用的技術[1?2]。濕噴混凝土技術在我國得到了一定的應用并擁有廣闊的發展前景[3?4]。大量學者對濕噴混凝土工藝進行了研究，特別是在混凝土的流變性以及配合比方面取得了較大突破[5?6]。然而對于濕噴混凝土在管道中輸送規律及堵管機理方面的研究卻很少，嚴重制約了濕噴混凝土技術的應用和推廣。為此，通過環管試驗，探究濕噴混凝土管道輸送影響因素，探明堵管形成條件和堵管機理，對構建濕噴混凝土輸送堵管風險評價體系，提出堵管控制方法，進而推進濕噴混凝土技術的發展具有重要意義。

1 試驗裝置

1.1 試驗系統組成及管路布置

試驗系統由混凝土攪拌機、濕噴混凝土泵送機和循環管路3部分組成(見圖1)。其中混凝土攪拌機為容量60 L的臥式攪拌機，濕噴混凝土泵送機為MEYCO Altera混凝土柱塞泵，最大工作泵壓7.1 MPa，工作流量為1~6 m3/h，泵輸出口內徑為80 mm。

循環管路布置如圖2所示，循環管路由直管、變徑管、彎管和軟管4部分組成，根據國內外礦山濕噴作業的經驗和山東BASF浩珂礦業化學有限公司所生產的濕噴系統結構，本次環管試驗平臺所選用的直管分別為DN80 mm、DN65 mm，管壁厚度8 mm的普通無縫鋼管；變徑管為內徑DN80 mm~DN65 mm、長1000 mm、壁厚8 mm的普通無縫鋼管；彎管分別為曲率半徑R500 mm、R260 mm，內徑為DN65 mm、壁厚8 mm的90°彎管；軟管為DN65 mm、長10000 mm、壁厚8 mm的軟管。相鄰管道采用卡扣連接，流量儀與管道采用法蘭連接，壓力變送器與管道通過法蘭連接，管道與混凝土泵連，料漿從混凝土泵出口蹦出后流經管道被泵送回混凝土泵料斗。第一個儀表隔膜與混凝土泵出口之間有一段2 m長的緩沖管，防止壓力過大使隔膜受損。為監測管內壓力，共設置差壓式壓力變送器5個，分別測定不同管網參數對混凝土泵送的影響。

圖1 環管系統

圖2 環管試驗現場管道布置圖

表1 各段管道參數

1.2 檢測方式

該系統檢測儀表包括用于檢測管道壓力的壓力變送器和檢測管道流量的流量計。在所測管道兩端安裝隔膜來檢測混凝土料漿流經管道的壓力變化，壓力變送器采用泥漿專用型差壓變送器 T35S。流量計采用智能電磁流量計T711，主要由傳感器和轉換器兩部分構成，基于法拉第電磁感應定律進行工作，可用于測量泥漿、礦漿、制漿等固液兩相懸浮液體的體積流量。

1.3 數據采集

數據采集使用智能數據采集卡，通過將流量計和差壓變送器的檢測信號轉換成4~20 mA的電流信號輸入到數據采集卡，數據采集卡與電腦連接，通過采集軟件將電流信號轉換成流量和壓力信號并采集輸出數據。

2 實驗方案

2.1 配合比

選取5組具有代表性的配合比進行環管實驗，它們的配合比和坍落度分別如表2所示。

表2 實驗方案

2.2 實驗步驟

(1) 料漿制備。料漿制備采用人工稱料，然后倒入攪拌機攪拌5 min。攪拌機額定容量為60 L，由于環管系統所需的料漿為120 L，故分為兩次拌料。

(2) 系統準備及潤管。將流量儀和壓力變送器與數據采集卡相連，將數據采集卡與電腦相連，通過電腦中的數據采集軟件采集數據。打開電源及軟件，在空管的情況下，將所有的壓力變送器調零。為了防止混凝土料漿粘在管道內壁而造成堵管，環管實驗進行前，需要用水泥漿潤管。實驗前將水泥和水按照1:1的比例制備水泥漿60 L，倒入混凝土泵的料斗，開啟混凝土泵讓水泥漿在循環管路中循環5 min。

(3) 管路循環。待料漿制備好后，排除循環管路中的水泥漿，然后將濕噴料漿轉移到混凝土泵的料斗中。開啟混凝土泵送機，將管道中剩余的水泥漿排除循環管路外，待系統穩定后開始采集數據，實驗設定數據采集的頻率為每秒1次。試驗過程中，通過調節混凝土泵的泵速改變流量，并測量不同流量條件下的管內阻力變化。

(4) 管路清理。實驗結束后需立即將混凝土泵送機和循環管路清理干凈，以防混凝土凝結在管道內壁對下次實驗造成影響。首先將混凝土泵送劑料斗中的料通過環管排除，然后將清洗球放置在柱塞口內，通過擺管進入到循環管內，然后在料斗中注入水，通過水壓清洗球的方式將管道中的混凝土排出管道。隨后將環管拆解，將管道和儀器清理干凈。

3 環管實驗結果及分析

3.1 管內差壓與流速的關系

選取坍落度為150 mm的第四組作為標準組，用來分析不同管道內差壓與流速的關系。經過分析整理，各段管道的差壓如表3所示。將表3的數據轉換為單位長度(1 m)的差壓，結果如表4。

表3 各段管道的差壓

表4 各段管道單位長度(1 m)差壓

從圖3可以看出，單位長度D80 mm直管的管內差壓＜D80~65 mm的變徑管管內差壓＜D65 mm直管管內差壓。隨著管內流速的增加管道內的差壓幾乎呈線性增加，且D65 mm增長最快，D80~65 mm次之，D80 mm增長最慢。因此管道阻力與管道半徑有著密切的關系，管道半徑越小，管內阻力越大，增加管道半徑有助于降低管內阻力。

圖3 單位長度直管差壓與流速的關系

從圖4可以看出，單位長度的R260 mm彎管的差壓明顯高于R500 mm彎管的差壓，因此曲率半徑較小的彎管明顯大于曲率半徑較大的彎管，隨著流速的增大，管內差壓呈線性增加，且管徑較小的彎管內差壓增長較快。因此增大彎管的曲率半徑有助于降低管內阻力。

圖4 單位長度彎管差壓與流速的關系

3.2 不同管道壓力與坍落度的關系

對各組不同坍落度時的管道內的差壓進行分 析，結果如表5，轉換為單位長度(1 m)的差壓，結果如表6。

從圖5可知，當料漿坍落度相同時，D80 mm管道差壓明顯大于D80~65 mm變徑管和D65管道差壓，當料漿坍落度增大時管內差壓明顯降低，且對不同管網參數的管道內差壓的區別變小。因此，提高料漿的坍落度有助于降低濕噴混凝土管道輸送阻力，也有助于提高料漿輸送對不同管網的適應性。

表5 不同管道管內差壓與坍落度的關系

表6 不同管道單位長度(1 m)管內差壓與坍落度的關系

圖5 單位長度直管差壓與坍落度的關系

從圖6可知，當料漿坍落度相同時，曲率半徑較小的彎管其管內差壓大于曲率半徑較大的彎管，而隨著料漿坍落度的增大，不同曲率半徑的彎管內的差壓都隨之降低，二者之間的差別逐漸縮小，因此，提高料漿的坍落度有助于降低濕噴混凝土在彎管內的管道輸送阻力，也有助于提高料漿輸送對不同管網的適 應性。

因此為了提高濕噴混凝土的可輸送性，可從兩方面采取措施：一是通過增大管道半徑和彎管的曲率來改善管網參數；二是通過提高料漿的坍落度來提高料漿對不同參數管網的適應性。

圖6 單位長度彎管差壓與坍落度的關系

4 濕噴混凝土管道堵塞機理

實驗中發現第1組和第5組發生多次堵管事故，表明砂石比過小或者料漿有離析現象時就易產生管道堵塞。當砂石比過小時，由于粗骨料過多，容易造成骨料擠軋卡阻，向管壁四周膨脹，進而破壞了砂漿潤滑層形成骨料的集結，在泵送壓力的作用下，灰漿被從這些集結物的縫隙中擠出，最終形成失漿狀態的粗細骨料嚴重鑲嵌的拱，致使混凝土與管壁摩擦阻力迅速增大，再大的泵送壓力也無法進行泵送，形成了管道堵塞[7?8]。當濕噴混凝土產生離析現象時，產生離析的砂漿在泵壓作用下，漿體很快被“送走”，將粗骨料滯留在管道中，隨著骨料的不斷沉積，沒有了漿體的潤滑作用便易發生堵管[9?10]。

除了濕噴混凝土料漿制備不合理容易造成管道堵塞外，管網參數不合理也會造成堵管現象。實驗中發現變徑管和彎管是最容易發生管道堵塞的地方，在變徑管中，隨著管道直徑的變小，骨料容易發生卡阻，漿液在泵送壓力的作用下被泵出，留下粗骨料集結在變徑管中造成管道堵塞。在彎管中固體栓的前進方向需要改變，容易破壞潤滑層從而造成管道堵塞。

5 結 論

(1) 對于直管，隨著管內流速的增加管道內的差壓幾乎呈線性增加，管道阻力與管道半徑有著密切的關系，管道半徑越小，管內阻力越大，增加管道半徑有助于降低管內阻力。

(2) 對于彎管，隨著流速的增大，管內差壓呈線性增加，且管徑較小的彎管內差壓增長較快，因此增大彎管的曲率半徑有助于降低管內阻力。

(3) 提高料漿的坍落度有助于降低濕噴混凝土管道輸送阻力，也有助于提高料漿輸送對不同管網的適應性。

(4) 為了提高濕噴混凝土的可輸送性，可從兩方面采取措施：一是通過增大管道半徑和彎管的曲率來改善管網參數；二是通過提高料漿的坍落度來提高料漿對不同參數管網的適應性。

(5) 揭示了當砂石比過小和料漿離析時管道堵塞的機理，前者由于粗骨料過多，容易造成骨料擠軋卡阻，向管壁四周膨脹，進而破壞砂漿潤滑層形成骨料的集結，后者由于料漿離析造成骨料沉積而產生堵管。

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(2018?10?04)

孟 科(1994—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事金屬礦開采技術、不良巖體巷道支護工作，Email: 2454304880@qq. com。