桃山三井胶结充填管输系统试验研究＊

聂文波，李凤义，陈 雷

（1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学矿业研究院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引言

充填开采作为绿色开采的一部分，因其在解决环境灾害、“三下”压煤问题上的突出效果［1］，越来越受到各方面的重视。但在充填开采过程中管道输送出现的问题经常会导致采煤工作面开采能力下降，甚至会使煤矿开采无法进行。因此，充填管路输送问题也成为了影响煤矿开采与充填匹配的主要因素之一。

管道输送充填料浆技术以其具有的建造速度快、劳动强度低、运输速度快、连续性强且建造费用低、充填效果好等优点，成为充填开采的首选。常用的管道输送充填料浆方法主要有自流输送和泵压输送两种［2－3］，料浆在管道中自流依靠的仅仅是料浆本身的重力，不需要外界动力源，降低了输送成本，被多数矿山采纳推广应用［4］。近半个世纪以来，国内外专家虽然对充填料浆管道流阻测试的研究［5］取得了很大进展，但由于充填材料的各异性、充填管路的特殊性、料浆流动的复杂性［6］，在实际充填项目操作的过程中，仍会出现管道高磨损、堵塞爆裂等问题。为提高充填料浆管道输送的安全可靠度，实现充填管道输送料浆的安全高效性，利用数值模拟软件ANSYS动态仿真模拟管输系统，查出原方案所存在的问题，并对参数优化，再利用模拟优化措施和实际经验对管输系统参数进行设计，将其应用到工业试验成为矿山充填开采管输系统的主要发展方向和动态。

ANSYS作为广泛应用的有限元软件充分综合了 CAD等图像处理工具的优点［7－8］，是建立复杂计算模型有效而又方便快捷的平台，其含有的FLOTRAN 流体分析模块［9－10］，也可以通过模拟分析，对管输参数进一步优化，从而降低充填系统的事故率，节约生产成本。文中在桃山三井前期发生的几次堵管问题解决的基础上，以2.0 m/s流速为工业既定速度前提下，采用自流+泵送的充填料浆输送方式，并利用ANSYS对管输系统进行仿真模拟研究，借以确定适宜该充填工作面的浆体浓度、管路半径，具有实际的指导意义。

1 充填工艺

1.1 充填材料选取

在前期新安矿巷旁充填［11－13］的基础上，黑龙江矿业研究院制定的桃山矿技术指标为:选取当地的粉煤灰，充填体能很快凝固膨胀实现主动接顶，凝结体的强度在6～8 h达到0.8～1 MPa，24 h后达到2 ～3 MPa，72 h后达到3.5～4 MPa，且强度还能够缓慢增长。即使充填体遭受顶板来压后内部出现裂纹，在集中应力转移以后，充填材料可以胶结自动愈合，且胶结后的抗压强度高于破坏前，以至于能良好有效的预防顶板覆岩移动。另外，还要求材料中的外加剂全部无毒，不能污染地下水源，真正实现绿色充填。

在满足充填体强度及料浆良好的流动性的前提下，采用正交试验的方法和料浆扩散度实验方法对充填材料进行配比试验，最后获得了料浆浓度的合理范围48% ～58%.确定的固体物料合理配比为:粗粉煤灰(4000)∶水泥(500)∶石灰(125)∶石膏(75)∶早强剂(15)∶J85(10)∶硅酸钠(4)∶元明粉(20)。

1.2 充填工艺

胶结充填能够在短时间内实现接顶，让充填体承压，这对对于防止顶板冒落、采空区有害气体逸出等起到了关键作用，其充填工艺如图1所示。

图1 桃山矿三井胶结充填的工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of coarse fly ash slurry filling

2 充填料浆管道输送系统数值模拟

根据桃山矿实际情况及减压池减压机理，决定运用“自流加泵送”的管道输送方式。即井上活化站到井下制浆站采用自流输送系统，井上料浆在24 h内不凝固，避免由于长距离自流输送堵管的可能性。井下成浆制备到工作面充填采用泵送系统，能实现循环连续制浆，减少充填时间，提高矿山的充填效率，更方便于管输充填系统在矿山上的推广应用，因此，本文通过计算机软件模拟自流加泵送的管道输送方式，借以确定该方式下合理压力范围内适宜的料浆浓度、管路半径。

2.1 浆体参数

本次模拟的充填料浆主要有粗粉煤灰、水、水泥、活化剂和速凝剂等组成，水泥与粉煤灰的质量比为 1∶8，常温条件下水的密度 ρ水=1 t·m－3，假如选择浆体质量浓度Cw=52%，有

2.1.1 浆体密度 ρj的计算

根据水泥与粉煤灰的质量比为1∶8，质量浓度为52%，各种活化剂和速凝剂的质量总和为0.03866 t，依据浆体的密度计算公式得

2.1.2 浆体体积浓度CV计算

充填1 m3体积料浆需要0.68 t水，水的体积为V水=0.68/1=0.68 m3，依据体积浓度计算公式得

2.1.3 料浆粘度 μm的计算

以依据托马斯方程为基础，通过大量实验室试验，粗粉煤灰料浆固体物料的特性系数k，B可分别取93，0.00273.根据以上数据计算出质量浓度为52%的料浆与清水的粘度比

在实际测定下，该充填区气温均为20℃，清水的粘度1.005 MPa·s，粗粉煤灰料浆粘度μm=96.2 MPa·s.

采用上面同样的方法，对质量浓度为48%，55%，58%料浆的密度、体积浓度和粘度进行计算，获得的参数见表1.

表1 不同质量浓度下浆体的物理参数Tab.1 Physical parameters of slurry under different mass concentration

2.2 建立模型

利用分析软件ANSYS/FLOTRAN进行数值模拟研究，桃山矿三井管道输送模型的建立以桃山矿充填系统管路铺设实际情况为原型，原型总长度为894 m，垂直高度差为300 m.基于模拟软件及计算机的局限性和矿山料浆管输系统的复杂性，考虑模型误差的影响，决定对管路系统进行简化。在假设浆体是宾汉体条件下进行料浆管道输送模拟的，认定料浆粘性是恒定不变的；不考虑热交换；不考虑地压波等振动带来的影响。

2.3 数值模拟

在模拟过程中，选定浆体流速为20 m/s，从浆体浓度、管径2方面对输送系统进行模拟优化。

2.3.1 浆体浓度的模拟

模拟4组不同浆液质量浓度48%，52%，55%和58%的流动状态，模拟结果如图2和见表2.

表2 不同质量浓度模拟的结果Tab.2 Simulation results of different concentrations

2.3.2 管径的模拟

本次模拟选用100，140，160和180 mm 4种直径进行模拟，浆液浓度定为52%，浆体流速为2.0 m/s，模拟结果如图3和见表3.

表3 不同管径模拟的结果数据Tab.3 Numerical simulations of different diameter data

从图3和图4可知，管道最大压力随着料浆质量浓度和输送速度的增加而增大，但是料浆浓度对管压的增幅较小，管道最大压力仅增大4 kPa，确立的最适宜的浓度为52%.管道直径越大，管压就越小，管径从100 mm升高到180 mm时，管道所受压力降了近40 kPa.

图2 不同浓度的管路全程压力和速度矢量图Fig.2 Different concentrations of pipeline pressure and elocity vector diagram

3 试验结果分析

充填体强度是辨别充填效果好坏的重要指标，因此，充填体的强度是充填系统计算中要考虑的重要参数。通过与以前充填项目中充填体质量的对比，本次充填项目中充填体的质量非常稳定、强度也增加了，对顶板及上覆岩层的控制取得了良好的效果，充填效果如图4所示。

图3 不同管径的沿程压力分布和弯管处速度矢量图Fig.3 Pressure distribution along different pipe diameter of the velocity vector diagram

图4 桃山矿工业试验充填前后效果对比图Fig.4 Industrial test before and after the filling effect comparison chart in Taoshan mine

4 结论

1)采用矸石电厂粉煤灰，降低了充填成本，有效地解决了当地粉煤灰的污染问题，符合生态矿山的要求，同时得到的胶结充填材料的最佳配比，即粗粉煤灰(4000)∶水(4490)∶水泥(500)∶石灰(125)∶石膏(75)∶早强剂(15)∶J85(10)∶硅酸钠(4)∶元明粉(20)。

2)管道最大压力在一定阶段内随管径增加而减小，随料浆浓度增加而增加，同时管道所受最大的压力与管径成非线性关系，但是在140～180 mm范围内的管径对管道最大压力影响程度波动最小。

3)充填体的良好密实性及高强性，不仅有效地阻止采空区有害气体的逸出，还在短时间内稳定了上覆岩层，为矿山安全开采提供了新的技术方向。

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