粉煤灰基胶结充填材料泵送充填研究

李凤义，牛智祥，李 谭

(黑龙江科技大学安全工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150022)

粉煤灰基胶结充填材料泵送充填研究

李凤义，牛智祥，李 谭

(黑龙江科技大学安全工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150022)

为验证单管路泵送充填的可行性，应用粉煤灰基胶结充填材料在双鸭山新安煤矿进行了无煤柱沿空留巷泵送充填的现场试验。分析并计算了充填管路的输送阻力，对泵送充填各项参数进行了合理选择。数值模拟和现场试验结果表明，该泵送充填系统能有效地将粉煤灰基胶结充填材料泵送至工作面，满足煤矿沿空留巷巷旁充填的要求。

粉煤灰；胶结充填材料；沿空留巷；巷旁充填；泵送充填

0 引 言

无煤柱沿空留巷是减少煤柱损失、提高资源回收利用率、减少重大灾害事故的有效技术手段[1]，自1980年代以来，该项技术的应用不仅延长了矿井的服务年限、缓解采掘矛盾、减少回采巷道的掘进量，而且对防止采空区发火也有重要意义[2]。目前煤矿应用的沿空留巷充填技术主要有两种，一种是甲乙料双管路泵送的高水材料充填，另一种是以水泥为胶结剂的混凝土单管路泵送充填，粉煤灰基胶结充填材料单管路泵送充填属于后者。为检验其可行性，对单管路泵送进行了数值模拟，并在双鸭山新安煤矿3832工作面进行了粉煤灰基胶结充填材料泵送充填试验。

1 粉煤灰基胶结充填材料特性[3-4]

粉煤灰基胶结充填材料主要成分为粉煤灰、悬浮剂、早强剂、速凝剂、泵送剂和水。

粉煤灰基胶结充填材料是按一定比例混合、搅拌粉煤灰、悬浮剂、早强剂、速凝剂、泵送剂、水得到的浆体，水固比可以达到1∶1，粘度μβ=0.1 Pa·s，屈服应力τ0=50 Pa，密度1.4×103kg/m3，静止状态下初凝时间为30 min，流动状态下初凝时间有所延长，搅拌状态下则较难凝固。在静止30 min，材料开始逐渐失去流动性，至90 min时，已完全凝结并具有一定强度。8 h抗压强度1.2～1.6 MPa，24 h抗压强度2.3～3.0 MPa，3 d抗压强度3.7～4.4 MPa，7 d抗压强度6.2～7.1 MPa，28 d抗压强度8.4～9.2 MPa，28 d之后，抗压强度仍有小幅增长，但变化不大。

2 充填系统及模拟

2.1 充填系统

充填工艺系统应满足以下条件：

(1) 满足粉煤灰—高水材料的搅拌及泵送要求；

(2) 整个系统应尽可能简单，易于工人理解和操作；

(3) 所用设备应符合矿山防爆要求，并便于井下安装；

(4) 在保证充填效率和安全性的前提下,尽可能降低成本；

(5) 系统寿命需满足巷旁充填的要求；

(6) 系统应运行可靠、不需要频繁维护。

根据以上条件，确定了如图1所示的充填工艺系统。

2.2 系统组成与参数选择

2.2.1 制浆部分

制浆部分主要指制浆池及其附属设备。制浆池上方平行安装两根钢梁，钢梁上安装有搅拌器，搅拌器用30 kW矿用防爆电动机拖动，如图2所示。

图2 井下制浆池

2.2.2 泵送部分

泵送部分主要是指渣浆泵进料管、渣浆泵、充填管路以及各种控制阀等。由于渣浆泵吸水扬程较短，在布置时，其入料口高程低于制浆池底约30 cm，以保证浆料能顺利进入渣浆泵，并顺利泵入充填管路。渣浆泵共设置两台，一台工作，一台备用。泵送系统主要是由充填泵和阀门组成。

沿空留巷泵送充填要求充填泵能在20 min将6 m3充填浆体全部泵送完，根据充填浆液的流动性能及特点，选择渣浆泵，管路全长780 m，有5个90°弯头，算出沿程阻力，选出渣浆泵的扬程和流量。

为避免渣浆泵的运行过程中，发生抽空、气蚀、泵件损坏加速，效率下降和电机过载等不良现象，需要根据以上条件对渣浆泵进行合理选型。

根据现场充填的经验公式得知充填管阻力简化计算公式，输送充填浆液管路损失扬程水力学计算公式[5]如下：

(1)

H=in·L+γn·Δh

(2)

式中：Δh——几何高差即静扬程，m；ε——为局部阻力占沿程阻力的比值系数；λn——充填管路的阻力系数；D——为输送管内径,m；v——浆体的平均流速,m/s；ln——充填管路平均坡度,﹪L——输送充填浆液的管路长度,m；γn——充填浆液的重度,t/m3。

设计流量为Q=100 m3/h，几何高差Δh=30 m，输送管路的长度670 m，充填浆液的重度为γn=1.4×103kg /m3，输送管路内径Φ=90 mm，按式(1)得出：H=23.9 m，按式(2)得出：H=24.5 m。

根据以上的计算结果和现场环境等要求，最后选择的充填泵是山东神力泵业生产的型号为65ZO-35型渣浆泵，其流量170 m3/h，扬程67.2 m，单级单吸、轴向吸入悬臂卧式离心泵，通过叶轮旋转产生离心力，从而达到浆体输送目的。渣浆泵及电机型号如表1所示。

表1 渣浆泵及电机型号

为了提高充填浆料的泵送效率，减少泵送时间，在每次浆料泵送完毕，都要对管道加压风，使管道内浆料在压风的作用下流向工作面。为了实现两台渣浆泵和压风之间的配合，在渣浆泵与充填管道连接处设置了一组阀门，如图3所示。

2.2.3 工作面部分

工作面部分主要有单体液压支柱充填模版，充填袋。充填试验时，用单体液压支柱支撑顶底板，围出一个长5 m，宽1.5 m，高2 m的充填空间，将金属网固定在液压支柱上，再将充填袋挂在充填模版上，如图4所示。

2.2.4 辅助部分

辅助部分包括制浆池供水管路，运输粉煤灰和其他各种固体材料的封闭式专用矿车。矿车留有侧开门，矿车轨道铺设在制浆池上方一侧。

图3 充填管路控制阀门

2.3 泵送状态的数值模拟

为了解管路中浆料的流动状态，对浆料输送过程进行了数值模拟。图5是充填管路其中一个弯头处的浆料流场分布图，图6是充填管路水平段的浆料流场分布图，图7是充填管路出口出的流速分布。模拟条件：浆液密度1.4×103kg/m3，粘度0.1 Pa·s，管径90 mm。

图4 充填袋示意

图5 充填管路弯头处流场分布

图6 充填管路水平段流场分布

由图5可以看出，浆料在管道弯头处，靠弯头底部部分，有一处明显的低速区，预计在此处有可能出现浆体的固液分离沉淀；从图6可以看出，浆料在水平管路，流动稳定，靠近管壁为低流速区，管路中心大部分区域流速保持在4 m/s以上，既能避免浆料沉淀，又有利于泵送；从图7可以看出，出口处最大流速为4.68 m/s，流速适中，一方面能保证在规定时间内将制浆池中浆料输送完毕，另一方面，在此流速条件下，充填袋所受冲击力不至于使其损坏，能够保证充填的安全高效进行。

图7 充填管路出口流速分布

3 现场试验

3.1 泵送充填试验

泵送充填共分制浆、泵送、加压风、清洗管路4个步骤。

制备好充填浆体后，开启渣浆泵，开始泵送，待浆料泵送完毕，关闭出浆管路控制阀，打开风阀开关；接到来自工作面的管路出口只出风不出浆液的通知时，关闭风阀，打开出浆管路控制阀，开启渣浆泵，泵送清水，冲洗管路。

3.2 充填效果

充填试验结束后，为检验浆液在充填管路中的沉积情况，沿充填管路选取了5处接头处拆开。发现水平管路拆开位置均无沉淀，另一处为管道弯头处，有少量沉淀。这一结果与数值模拟的结果相吻合。在充填工作面，充填体有效地支撑了顶板，留巷效果良好。

4 结 论

(1) 此次粉煤灰基胶结充填材料泵送充填采用单管路系统输送充填浆体,并顺利将充填浆液泵送至充填工作面,达到了预期目的。

(2) 试验结束后管道内沉积极少，能够满足充填管路长期工作不堵管的要求。

(3) 试验验证了单一管路泵送充填的可行性，为以后单管路充填的发展积累了经验。

虽然沿空留巷试验虽然取得了初步成功，但由于时间等因素的限制，该充填技术在许多方面仍需作进一步研究，需要完善的工作有以下几个方面：

(1) 井下制浆硐室自动化程度不高，提高自动化水平，减少井下的劳动强度应是下一步研究的重点；

(2) 由于时间关系，对该泵送充填系统所使用的充填管路的耐磨性和耐久性未做深入研究；

(3) 对压风在充填浆液输送中的应用，还需要进一步探讨。

[1] 宋振骐.煤矿重大事故预测和控制的动力信息系统基础的研究[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[2] 文志杰.无煤柱沿空留巷控制力学模型及关键技术研究[D].青岛：山东科技大学,2011.

[3] 傅 易.石膏渣粉煤灰快速固化及其胶结充填特性研究[D].沈阳：东北大学,2001.

[4] 孙恒虎,黄玉诚,杨宝贵.当代胶结充填技术[M].北京:冶金工业出版社,2002:28-32.

[5] 李家星,赵振兴.水力学[M].南京:河海大学出版社,2001.

2013-08-25)

李凤义(1963-)，男，回族，黑龙江鸡西人，教授，博士，研究方向：煤矿围岩灾变及控制、长钻孔松动爆破、矸石山灭火及采空区回填，Email：kyyjylfy@163.com。