高浓度胶结充填系统管网参数及泵机选择

匡汉，于跃，傅小龙，郑伟钰

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

高浓度胶结充填系统管网参数及泵机选择

匡汉，于跃，傅小龙，郑伟钰

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

高浓度胶结充填材料具有环保、经济、安全的特点。为了设计合理的管道泵压输送系统，对汾西矿业集团新阳矿区的充填管道进行分析设计。利用新阳矿堆放的煤矸石和附近灵石县南关电厂的粉煤灰作为细骨料，42.5＃普通硅酸盐水泥为胶结材料，加入外加剂、水搅拌，试验得出适合新阳矿的高浓度料浆，充填材料配比为1︰2︰5（水泥︰粉煤灰︰煤矸石）、质量分数为78%～80%、坍落度为22.5～27.8cm。通过充填管道输送参数计算，充填料浆的流速为1.8m/s，选用内径为180mm、壁厚为18mm的耐压无缝钢管。充填料浆最大水力坡度为3.35kPa/m，总输送阻力损失为10.96MPa，选用HGBS200.14.800型充填专用工业泵能够充分满足新阳矿的充填要求，并保证充填系统的高效、稳定运行。

高浓度胶结充填系统；管网参数；输送阻力；充填泵

高浓度胶结充填是以煤矸石、粉煤灰为细骨料，42.5＃普通硅酸盐水泥为胶结材料，加入外加剂、水搅拌制成质量分数为74%～80%、坍落度为20～28 cm的高浓度料浆，由地面充填站通过工业泵，经管道输送到回采工作面的充填系统［1］。新阳矿采用高浓度胶结充填，该技术能够充分利用煤矸石、粉煤灰，为固体废弃物的资源化利用提供一条新途径，能有效避免对环境的污染，保护矿区生态环境，而且料浆输送过程全封闭，不会造成“二次污染”，是资源与环境协调绿色开采的重要组成部分［2－3］。

高浓度胶结充填过程中，管道常出现堵塞、爆裂和磨损情况，直接影响了整个充填系统的稳定性，可见管道输送技术是高浓度胶结充填的核心技术之一，管道输送系统的设计直接关系到充填系统能否正常运行［4］。然而管网参数及阻力受充填料浆性质、管道性质、输送速度等多因素影响，且各因素之间相互关联，难以确定。长期以来，管网参数多通过类比法确定，带有一定的主观性和盲目性［5］；各种理论计算方法有一定的使用条件，用于工程实践有一定的误差，必须根据不同的工程实际情况，选择合适的公式及计算参数［6］。

经过多次配比试验研究，最终确定新阳矿充填材料配比为1︰2︰5（水泥︰粉煤灰︰煤矸石），料浆质量分数为78%～80%。在此基础之上，本文对管网相关参数进行实验和计算，最终确定合适的管网参数和泵机型号，确保充填系统稳定、高效运行。

1 高浓度胶结充填技术参数

国内外矿山自流充填，充填管路的几何充填倍线不大于5～6，充填倍线的计算公式见式（1）［7］：

式中：N—充填倍线；L—充填管路总长度，m；H—管道入料口与出料口之间的高度，m。

新阳矿充填站到试验地面管路的布置路线为：地面充填站→地面管路（40m）→2＃井立管（260m）→三下集中皮带巷（1 600m）→三下集中轨道巷（800m）→10203材料巷（600m）→工作面（200m）。充填管路总长L为3 500m，其中立管管路高H为260m，水平直管长（L直）3 240m，充填倍线为13.5，必须采用泵送充填。

充填系统要求的充填能力主要决定于充填工作面的长度、采高、充填步距、采充比和完成充填作业的时间要求等，计算公式［8］见式（2）：

式中：Qf—充填系统能力，m3/h；L—工作面煤壁长度，取100m；M—采高，取2.15m；d—充填步距，取2m；Kf—采充比，工作面充填前顶板下沉量很小，可以忽略不计，Kf取1；S1、S2—工作面运输巷、材料巷断面面积，均为8.6m2；Tf—有效充填时间，4h；KP—充填泵效率系数，取0.9。

将相关数据代入式（2）得：

因此要求的充填系统充填能力应大于129m3/h。

1.1 料浆输送速度的确定

一般高浓度料浆在管道内的流速控制在1.5 m/s以内，考虑到煤矿对充填能力的要求要大大高于金属矿的要求，充填系统设计流速相对较大。新阳矿以煤矸石作为高浓度充填料浆的骨料，输送阻力相对较小，所以，新阳矿充填系统流速按以下原则进行设计：在充填泵最大充填能力时，保证高浓度料浆流速为1.8m/s左右。

1.2 充填管径的确定

高浓度胶结充填管径的选择，主要根据所要求的输送能力和选定的料浆输送速度确定，一般可按式（3）选择，按照新阳矿充填系统流速的设计原则，充填系统能力为Qj＝150m3/h，根据选择的流动速度最大为vj＝1.8m/s＝6 480m/h，则可以计算出充填管道允许的最小内径［9］：

将数据代入式（3）得：

即新阳矿干线充填管道的内径应大于171.7 mm，为留有一定的安全系数，新阳矿充填管道的内径定为180mm。

1.3 管道壁厚的确定

管道壁厚是按料浆输送管道的压力计算的，对于长距离浆体输送管道，计算壁厚普遍采用的公式［10］为：

式中：t—输送管道壁厚，mm；k—压力系数；p—钢管允许最大工作压力，MPa；D—管径，mm；［δ］—钢管的抗拉许用应力，MPa；E—焊接系数；F—地区设计系数；T—服务年限，a；C1—年磨损余量，mm/a；C2—附加厚度。

k取正常压力系数1；D根据前面的计算取180 mm；充填泵正常充填时，管道允许最大工作压力p为14MPa；我国生产的耐压无缝钢管抗拉强度一般为500MPa，计算时无缝钢管的抗拉许用应力一般取其抗拉强度的40%，［δ］＝500×40%＝200MPa；E取0.9，F取0.78；C1为年磨损余量，取0.03，矿井服务年限为80年，所以充填管道的服务年限T为80年，C2取2mm。将参数代入式（4）得管道壁厚t＝13.4mm，因此，选取壁厚为16mm的管道能够满足要求。

2 阻力损失计算

由于本研究中充填料浆的管道输送采用泵压输送，在正常充填阶段，可近似地认为高浓度胶结充填料浆属于稳定流［11］，因此，按照均质流体导出伯努利方程为：

式中：Z1和Z2分别是充填管道入口和出口的海拔高度，m；P1和P2分别是充填管道入口和出口的压强，Pa；v1和v2分别是入口和出口的充填料浆平均速度，m/s；PP—泵送压力，Pa；H总—管道沿路总的阻力损失，Pa。

对于管道的总阻力损失H总由充填料浆输送的水平直管段阻力H直与充填料浆输送的局部阻力H局和充填料浆输送时高程引起的阻力损失H高组成［12］，即：

2.1 水平直管段沿程阻力的确定

设计一套管道输送系统，首先必须预计在给定条件下的最基本参数水平直管段的沿程阻力，只有研究清楚沿程阻力，才能进行设备的选型和能耗计算。新阳煤矿充填系统的设计和充填泵的选择非常重要，沿程阻力值必须准确可靠，为得到准确的沿程阻力值，下面进行沿程阻力的理论计算和环管试验。2.1.1 理论计算水平直管的水力坡度

水平直管段的阻力也叫水力坡度，常用的充填料浆的水力坡度计算理论有扩散理论、重力理论和重力扩散理论［13－14］。基于以上理论的水力坡度计算公式有很多，生产实践和充填实例证明，金川水力坡度的经验计算公式相对误差较小，可以作为水力输送固体物料的计算公式［10］。金川公式如下：

式中：i—水平直管料浆水力坡度，kPa/m；i0—水平直管清水水力坡度，kPa/m，清水水力坡度的计算是比较熟悉的，一般采用Darcy公式i0＝λv2/2gD；Cv—料浆的体积浓度，Cv＝55.8%；g—重力加速度，取9.8m/s2；D—管径，D＝0.18m；ρg—固体混合料密度，ρg＝2.74g/cm3；v—料浆流速，v＝1.8m/s；Cx—颗粒沉降阻力系数，Cx＝7.91。

2.1.2 环管试验确定水平直管的水力坡度

由于粉煤灰的形成受较多因素影响，即使同一批次的粉煤灰需水量变化也较大，导致了粉煤灰在料浆中的比例变化较大，为了增强环管试验的准确性和适应性，粉煤灰含量取18%、20%、22%，高浓度料浆浓度被控制在更小的范围（78%～80%）内。

环管试验测定水平直管段和弯管段的水力损失，用于采集沿程阻力损失的2个传感器之间的管路长度为6m（如图1），用于采集局部阻力损失的2个传感器之间为一段弯管（如图2）。

图1 测定直管段的阻力损失Fig.1 Resistance loss measurement along the straight pipe

图2 测定弯管段的阻力损失Fig.2 Resistance loss measurement along the bended pipe

表1 环管试验结果Table 1 Results of round－pipe test

根据表1的数据可知，当粉煤灰含量为20%，料浆浓度为78.5%时，沿程阻力损失最大为20.12 kPa，则单位长度的沿程阻力损失即水力坡度i′＝20.12/6＝3.35kPa/m；理论计算与环管试验测得的数据误差为12.5%，在允许误差范围以内，因此试验数据可靠。

结合理论计算与环管试验的结果，取最大值得到料浆管道输送的水力坡度大小为3.35kPa/m。

水平直管段的沿程阻力损失：

2.2 管道局部阻力计算

对于管道的局部阻力，主要包括管道弯头阻力、管径突变阻力、安装阻力。管路的局部阻力损失一般为沿程阻力损失的0.05～0.15倍［15］。结合环管试验中局部阻力损失和沿程阻力损失的比例关系，这里取

2.3 高程引起的阻力损失计算

H高的值决定于充填站与采空区充填位置的相对关系。垂高260m的自然势头相当于充填料浆输送水平长度的1.5倍［5］，即390m的水平距离，又因料浆由高向低输送，高程引起的阻力损失为负值。

将H直、H局、H高值代入式（6）：

3 充填工业泵的选择

充填工业泵的型号选择主要根据以下三个数据：1）充填泵最小输送压力；2）工作面要求的充填能力；3）坍落度的允许范围。按工作面的充填能力要求，充填系统的最低泵送量为129m3/h，按最大流速计算得充填系统的泵送量最大值为150m3/h；充填工业泵的最小输送压力和充填料浆的坍落度范围按下面的方法进行确定。

3.1 充填工业泵的输送压力计算

充填工业泵的输送压力初步计算按式（5）的变化式计算：

其中，充填管道的入口和出口的海拔高差为260m；充填管道的入口和出口压强变化较小，相对于管道的总阻力，入口和出口的压强变化可以忽略不计；入口和出口的速度，v1＝vj＝1.8m/s，v2＝0.5m/s；根据式（6）的计算知H总＝10.96MPa。

将数值代入式（8）得：

考虑工业泵2MPa的启动压力［16］，充填工业泵的输送压力不能低于8MPa。选用输出压力为10 MPa的输送泵可以保证料浆输送的安全平稳进行，同时为今后进一步扩大输送能力留有足够的空间。

3.2 充填料浆坍落度的测定

坍落度是判别充填料浆可泵性能的综合性指标。坍落度的高低直接反映充填料浆的流动性和摩擦阻力大小。充填料浆的坍落度过小，充填工业泵输送时吸入困难，且摩擦阻力大，要求有较高的泵送压力；若坍落度过大，料浆过稀，泵送时容易发生离析［17］。

以78.5%、79%和80%的胶结充填料浆为例，分别测定不同粉煤灰含量下的坍落度值，坍落度的测试方法如图3所示。

图3 坍落度的测量Fig.3 Measurement of the slump

粉煤灰含量不变的情况下，随着料浆浓度的增加，料浆的整体流动性减弱，即管道输送阻力增加，这与环管试验管输阻力损失（见表1）的结果可以相互验证，不同料浆浓度下粉煤灰含量与坍落度的关系见图6。

图4 不同料浆浓度下粉煤灰含量与坍落度的关系曲线Fig.4 Relationship between fly ash amounts and slump with different slurry concentrations

分析图4可知，料浆浓度为78%时，充填料浆的坍落度范围为26.6～27.8cm；料浆浓度为79%时，坍落度范围为24.0～26.5cm；料浆浓度为80%时，坍落度范围为22.5～24.1cm。可以确定的是工作面正常充填时，充填料浆质量百分数浓度控制在78%～80%，粉煤灰质量百分数浓度（粉煤灰质量与充填料浆质量的比值）为18%～22%，这种情况下充填料浆坍落度为22.5～27.8cm。

3.3 充填工业泵的确定

根据以上计算可知：1）充填泵最小输送压力为10MPa；2）工作面要求的最小充填能力为129m3/h，最大充填能力为150m3/h；3）坍落度的允许范围为19.5～28.5cm。经市场调研分析，湖南飞翼股份有限公司研制的HGBS200.14.800充填泵能够保证料浆输送的安全平稳进行，同时为今后进一步扩大输送能力留有足够的空间。充填泵实物图见图5。

图5 HGBS200.14.800充填泵Flg.5 HGBS200.14.800filling pump

充填工业泵的具体参数见表2。为了防止充填过程中泵机发生故障和实现连续充填，选择2台HGBS200.14.800型充填泵，一备一用，以提高充填系统的抗风险能力。

表2 充填泵的主要参数Table 2 Main parameters of the filling pump

4 结论

1）利用新阳矿堆放的煤矸石和附近灵石县南关电厂的粉煤灰作为细骨料，普通硅酸盐水泥为胶结材料，加入外加剂、水搅拌，通过配比和工业试验得出适合新阳矿的充填材料配比为1︰2︰5（水泥︰粉煤灰︰煤矸石），充填料浆的质量浓度为77%～80%，粉煤灰含量18%～25%，坍落度为19.5～28.5cm。

2）充填系统要求的最小泵送量为129m3/h，按充填料浆最大流速1.8m/s计算，得充填系统要求的最大泵送量为150m3/h。通过充填管道输送参数计算，选用内径为180mm、壁厚为16mm的耐压无缝钢管进行料浆输送。

3）根据金川公式得出理论水力坡度i＝2.93 kPa/m，根据环管试验得出最大水力坡度imax＝3.35kPa/m，为了确保充填料浆的正常运输，选取最大水力坡度3.35kPa/m进行沿程阻力损失的计算，管道的总阻力损失为10.96MPa。

4）充填泵的启动压力为2MPa，得出充填泵的最小压力值为10MPa，选用HGBS200.14.800型充填专用工业泵，该泵为充填系统的可靠运行提供了保障。

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Selection of pipeline parameters and pump for the high concentrated cementing filling system

KUANG Han，YU Yue，FU Xiaolong，ZHENG Weiyu
（School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

The high－concentrated cementing filling materials have characteristics of environmental，economical and safe.To design a reasonable pipe pumping transportation system，the pipe system of Xinyang Mine is analyzed and designed.By using the fly ash and gangue as fine aggregate，42.5＃portland cement as cementing material and mixing them with admixture and water，the suitable filling material ratio is obtained.The ratio is 1︰2︰5（cement︰fly ash︰gangue）.The filling material concentration is 78%～80%，and collapsed slump is 22.5～27.8cm.According to the calculation of the pipe parameters，the appropriate velocity of the filling materials is 1.8m/s.A withstand seamless steel tube with 180mm inside diameter and 18mm wall thickness is selected.The maximum hydraulic gradient is 3.35kPa/m，and total resistance loss reaches 10.96MPa.The HGBS200.14.800filling pump can satisfy the filling request，and ensure the efficient and stable operation of the filling system.

high－concentrated cementing filling system；pipeline parameter；transportation resistance；filling pump

TD853.34＋.3

Α

1671－4172（2015）05－0005－05

“十一五”国家科技支撑计划项目（2009BAB48B02）

匡汉（1988－），男，硕士研究生，采矿工程专业，主要研究方向为“绿色开采”、充填材料和煤矿环境保护。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.002