采空区粉煤灰充填气力输送与文丘里管充填器试验研究

武景云,高延法,曲广龙,马鹏鹏,陆 侃

(1.黑龙江龙煤集团公司,黑龙江双鸭山 155100;2.中国矿业大学 (北京),北京 100083)

采空区粉煤灰充填气力输送与文丘里管充填器试验研究

武景云1,高延法2,曲广龙2,马鹏鹏2,陆 侃2

(1.黑龙江龙煤集团公司,黑龙江双鸭山 155100;2.中国矿业大学 (北京),北京 100083)

提出了采用气力输送和文丘里管充填器进行井下采空区粉煤灰充填的技术方法,设计了由地表至井下采空区的充填系统。研发了文丘里管充填器,并进行了地面与井下充填实验。该充填系统为燃煤电厂粉煤灰井下存储和矿井开采沉陷控制开辟了新的技术途径。

粉煤灰;采空区充填;气力输送;文丘里管充填

Research on A irslide of Fly Ash for Stowing Gob and Laboratory of Venuri Pipe for StowingMachine

矿井开采沉陷控制对于井下安全开采和矿区环境保护都具有重要意义。将燃煤及煤矸石发电厂排放的粉煤灰充填到煤矿井下采空区,既能减少粉煤灰在地面造成的环境污染,又能有效地控制地表沉陷。可同时解决电厂与煤矿循环经济模式中的粉煤灰排放和地表沉陷两大关键技术难题,对实现矿区可持续发展有着重要意义[1-4]。

粉煤灰气力输送井下充填技术思路:通过钻孔将粉煤灰输送到井下,井下通过管路气力输送到采煤工作面,在采场内通过文丘里管充填器实现水灰混合后,直接喷射充填到采空区。该技术有 2个关键点:文丘里管充填器和粉煤灰管道气力输送。

1 充填器实验研究

在采场内,将通过管道气力输送来的粉煤灰喷射充填到采空区内,就必须解决粉煤灰充填时的降尘问题。拟设计一种充填器实现粉煤灰与水的充分混合,达到降尘甚至消除扬尘的目的。为此,先后设计了 3种结构的充填器,并分别进行了实验。

1.1 直管式充填器

主体结构为 1节一端为锥型的钢管圆筒,其另一端锥型口直接连接供灰管。在直管出口内外布置喷头喷雾降尘。

圆筒周边布置着 4个被弯成环形的水管,每一个水管连接着 4个圆筒内的喷头。在圆筒内,水沿径向喷出,并与圆筒内沿轴向流动的粉煤灰混合。同时,在靠近出口处也布置着环形水管,开有沿轴向喷水的小孔。喷水与圆筒喷出的粉煤灰平行流动,并环绕在圆筒内喷出的粉煤灰周围,从而起到降尘作用。

实验效果:实验中粉煤灰尘埃较大,水没有起到充分降尘作用;水和粉煤灰混合不好,圆筒口有水流出现象;喷射距离约 5m。

实验结论:直管式充填器降尘效果较差。

1.2 喷浆管式充填器

喷浆管式充填器借鉴了井下喷浆机的原理。该充填器由两部分构成,前半部分是膛线管,后半部分是水灰混合管。该充填器的降尘过程在管内实现。水直接进入内外两层钢管之间的环形空腔,然后从内层钢管的小孔向内喷出,在充填管内与粉煤灰混合。

膛线管内有螺旋膛线,能收缩集中粉煤灰流线,加大喷射距离,集中喷射点。同时也能进一步使粉煤灰和水更有效混合。

实验效果:粉煤灰和水混合效果大为改善,粉尘显著减少。但当粉煤灰的供给不稳定时,水灰混合效果较差,时而出现粉尘,时而出现流水。

实验结论:粉煤灰和水混合性能不够稳定,尚需改进。

1.3 文丘里管充填器

1.3.1 文丘里管充填器的结构

文丘里管充填器是由收缩管、喉管和扩散管组成的,如图 1。喉管段是双层钢管,内层有喷水小孔,压力水在喉管的环形空间向管内喷出。

图1 文丘里管式充填器结构

1.3.2 文丘里管充填器水灰混合原理

文丘里管充填器水灰混合原理包括两个方面:流体力学中的文丘里管收缩加速与扩散形成涡流原理;水珠与粉尘颗粒高速碰撞——冲破彼此气膜——实现水灰结合的原理[5]。

粉煤灰通过文丘里管时,在收缩管内粉煤灰逐渐加速,到达喉管处流速最高。

喉管段由孔沿径向喷入压力水,在轴向高速气流的冲击下,水线被粉碎成大量的小液滴,充满整个喉部。沿轴向高速运动着的粉煤灰尘粒,冲破沿径向运动的细小水珠周围的气膜,被吸附在水珠上沿轴向进入扩散管。

在扩散管内,气流速度变小,会出现涡流,使得粉煤灰与水滴进一步充分混合,同时气流压力逐渐得到恢复。

充分混合后的塑态泥状粉煤灰,最后经过膛线管后喷射出去。

1.3.3 工程型文丘里管充填器试验

为了满足充填工程的需要,提高充填器的充填能力,研制了工程型文丘里管充填器,并进行了工程型文丘里管充填器性能试验。

实验设备:空压机,型号 vf-6/7,风量 6m3/ h,风压 0.4MPa。文丘里管充填器型号:Ⅰ型进灰管 <76mm,进水管 <15mm;Ⅱ型进灰管<133mm,进水管 <20mm;Ⅲ型进灰管 <219mm、进水管<25mm。

实验效果:文丘里管充填器都能实现粉煤灰与水的有效混合,粉煤灰喷出后呈细小碎块、塑性泥巴状;在合理的水灰比条件下,无扬尘出现;进灰管 <133mm、进水管 <25mm的Ⅱ型充填器,其充填能力可达到 20m3/h,粉煤灰喷射距离为 12m。

实验结论:文丘里管充填器能够完全达到粉煤灰充填的要求。

2 东荣二矿井下采空区粉煤灰充填方案

2.1 采空区粉煤灰充填气力输送系统

为东荣矿二矿南二下延采区 18层煤五面设计了井下采空区粉煤灰充填方案。充填系统主要包括3个部分:地面与投料孔系统、井下输送系统和工作面充填系统。粉煤灰充填系统方案如图 2所示。

图2 矿井采空区粉煤灰充填系统

地面与投料系统 由汽车将粉煤灰由电厂运送到地面充填站的储灰仓,通过大孔径钻孔将电厂粉煤灰由地面输送到井下。

井下输送系统 在井下以压风为动力,通过管路气力输送到采煤工作面。

工作面充填系统 在采场内将气力输送来的粉煤灰通过文丘里管充填器实现水灰混合,直接喷射充填到采场后方的采空区内。

2.2 地面与投料孔系统

输灰钻孔位置设在充填采区的总回风巷外侧处,粉煤灰沿输灰管路向下输送。钻孔孔径<340mm,并配有 <335mm无缝钢管作为护壁钢管,并在护孔管的内部安装陶瓷内衬复合钢管,作为向井下输送粉煤灰的管路,投料孔及其井上下灰仓系统如图 3所示。

2.3 井下气力输送系统

粉煤灰气力输送采用“双套管输送技术”,粉煤灰输送距离为 1000m。气灰比为 12,粉煤灰气力输送系统与充填能力为 80t/h。主要设备有仓泵和输灰管路。

图3 地面与投料孔系统

仓泵:1m3仓泵 2台,风压 0.75～0.85MPa,风量 50m3/h。

输灰管路:双套管型,如图 4,长度 1000m,采用三级套管,变径位置在 400m和 800m处,套管直径变化为:200mm→225mm→250mm。

图4 双套管型输灰管

2.4 采场内充填系统

图5 粉煤灰充填系统

采煤工作面粉煤灰充填系统如图 5所示。如果顶板结构比较完整,悬顶距离较大,采场与采空区之间不用隔离,反之,如果顶板结构不够完整,悬顶距离较小,应该加隔离荆笆,及时充填采场控顶范围之外后方的悬顶区。

3 主要结论

(1)通过文丘里管充填器的地面和井下实验,粉煤灰和水能得到充分混合,最终喷出的是塑态泥状粉煤灰,无扬尘。

(2)粉煤灰管路气力输送系统占地面积小,管路柔性灵活,适用于井下空间有限的特点。输送中物料与外界隔绝,无污染。粉煤灰通过大孔径钻孔由地面输送到井下,在井下通过管路气力输送到采煤工作面,在采场内通过文丘里管充填器实现水灰混合后直接充填到采空区。

(3)井下粉煤灰气力输送距离 1000m,气灰比为 12,粉煤灰气力输送系统与充填能力为 80t/ h,采空区粉尘含量满足《煤矿安全规程》的有关规定。

(4)矿井采空区粉煤灰充填,既解决了电厂粉煤灰存储的技术难题,减少粉煤灰对地面环境的污染;有利于煤矿企业走循环经济的发展道路,实现矿区社会经济的可持续发展。

[1]张绍国,唐桂弟,庞欣荣 .粉煤灰在高峰公司井下充填应用试验 [J].矿业研究与开发,2009,29(5):7-9.

[2]刘 坚 .粉煤灰在矿山充填中的试验研究 [J].矿产保护与利用,2003,(5):43-44.

[3]韩朝军,李延东 .邢台矿粉煤灰充填技术可行性研究 [J].中国矿山工程,2006,35(4):16-18.

[4]李延东 .邢台矿粉煤灰膏体充填工艺试验研究 [J].中国矿山工程,2008,37(4):38-40.

[5]严 敬 .工程流体力学 [M].重庆:重庆大学出版社, 2007.

[6]崔功龙 .燃煤发电厂粉煤灰气力输送系统 [M].中国电力出版社,2005.

[责任编辑:王兴库]

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1006-6225(2010)03-0085-03

2010-04-30

武景云 (1957-),男,辽宁彰武人,高级工程师,现任黑龙江龙煤集团新疆矿业公司副总经理。