王臺(tái)鋪煤礦高水膨脹材料充填管路布置研究

顏丙雙，胡炳南，黃晉兵

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;3.晉城煤業(yè)集團(tuán)王臺(tái)鋪煤礦，山西晉城048000)

1 高水膨脹材料充填開采概況

1.1 背景

隨著我國煤炭資源的不斷開采，“三下”壓煤的合理高效開采問題已成為我國煤炭資源可持續(xù)發(fā)展和礦區(qū)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展的重要問題［1］，據(jù)對(duì)國有重點(diǎn)煤礦的統(tǒng)計(jì)，全國壓煤量約13.79Gt，其中建筑物下壓煤為8.76Gt，村莊壓煤又占建筑物下壓煤的60%。從地域上看，人口密集、村莊集中的河北、山東、河南、安徽、江蘇 (平原地區(qū))5省村莊下壓煤量占到全國村莊下壓煤量的55%以上［2－3］。

王臺(tái)鋪煤礦于1958年建井，迄今開采時(shí)間長(zhǎng)達(dá)50多年，加之近年來礦井生產(chǎn)能力的大幅度提升，在煤礦現(xiàn)有開采技術(shù)條件下的煤炭可采資源量將近枯竭，預(yù)計(jì)在2014年前半年正規(guī)綜采工作面將回采結(jié)束。剩余地質(zhì)儲(chǔ)量多數(shù)為建筑物下壓煤，可采煤層中9號(hào)煤層壓煤約19.753Mt，主采15號(hào)煤層壓煤約為37.707Mt，兩煤層具備可采條件的“三下”壓煤總量達(dá)57.46Mt。為了提高礦井采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上決定采用高水膨脹材料刀柱式充填開采技術(shù)進(jìn)行“三下”壓煤開采［4－6］。

1.2 高水膨脹材料介紹

高水膨脹材料是一種新型的充填材料，材料由基料和輔料組成?；蠟榉勖夯摇⒊嗄嗟裙栀|(zhì)材料，輔料為石膏、石灰、水泥和膨脹劑。將基料、輔料與水充分?jǐn)嚢杌旌虾?，制成水料的質(zhì)量比為(1.3～1.5)∶1左右的充填料漿。其良好的流動(dòng)性、足夠的穩(wěn)定性和較高的抗壓性，使其在回收“三下”壓煤中得到廣泛的應(yīng)用。

1.3 高水膨脹材料充填工藝

高水膨脹材料充填開采依靠材料自身良好的流動(dòng)性，在地面進(jìn)行制漿，通過管道輸送系統(tǒng)輸送至工作面，經(jīng)工作面管路輸送至采空區(qū)進(jìn)行充填，凝固后的充填體可以有效地代替原煤體支撐頂板，控制上覆巖層移動(dòng)［7］。

高水膨脹材料充填系統(tǒng)包括地面制漿系統(tǒng)、料漿輸送系統(tǒng)和工作面充填點(diǎn)3部分。地面制漿系統(tǒng)包括初漿罐、輔料罐和成漿罐，罐內(nèi)安裝有攪拌電機(jī)，初漿制備完成后和輔料一起進(jìn)入成漿罐繼續(xù)攪拌，攪拌好的成漿經(jīng)料漿輸送系統(tǒng)到工作面充填點(diǎn)進(jìn)行充填，工藝流程如圖1所示。

圖1 充填工藝流程

2 管道布置設(shè)計(jì)

2.1 干路管選取

2.1.1 管道流速計(jì)算

充填料漿屬于固液兩相流，當(dāng)流速過低時(shí)，料漿中的固體成分容易沉積在管道底部，磨損管道或造成堵管事故，影響充填作業(yè)的順利進(jìn)行;速度過大時(shí)，漿體與管道的摩擦阻力增大，對(duì)管道接頭和轉(zhuǎn)彎處損傷較大。因此存在一個(gè)臨界流速，使得漿體中所有的固體顆粒懸浮且壓力損失最小。

根據(jù)目前礦山充填中應(yīng)用較多的費(fèi)翔俊臨界流速公式來計(jì)算［8］:

式中，Vc為臨界流速;D為管道直徑，取125.0mm;Sv為料漿的體積濃度，取0.87g/ml;ρs為顆粒密度，取2.06mg/mm3;ρm為料漿密度，取1.53mg/mm3;ω－為顆粒平均沉降速度，取0.005m/s;es為懸浮效率系數(shù)，取0.90。

將以上參數(shù)帶入公式 (1)，計(jì)算得臨界流速Vc=0.65m/s，參照我國礦山充填開采的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際流速一般為臨界流速的2～3倍，考慮到王臺(tái)鋪煤礦充填系統(tǒng)最大充填能力為120m3/h和漿液輸送要求，設(shè)計(jì)漿液流速為2.2m/s。根據(jù)體積流量計(jì)算公式:

式中，Q為體積流量;V為流速。將Q=120m3/h，V=2.2m/s代入得D=138.9mm，即管路內(nèi)徑應(yīng)不小于138.9mm。

2.1.2 管道壁厚計(jì)算

充填管道壁厚δ按下式計(jì)算:

式中，P為管道所受最大壓強(qiáng)，按公式P=ΔH·γ計(jì)算，其中ΔH為充填管道豎直段的高差，γ為料漿容重;D為管路內(nèi)徑，取138.9mm; ［σ］為鋼材抗拉許用應(yīng)力，當(dāng)δ＜16mm時(shí)，［σ］一般在112～170MPa之間，取16Mn鋼163MPa為例進(jìn)行計(jì)算;K為磨損腐蝕量，取3.0mm。

代入得δ=4.52mm。因充填料漿會(huì)對(duì)管路造成較大的磨損，壁厚考慮2倍的富余量［9］，則管路的壁厚不小于9.04mm，因此，設(shè)計(jì)管道壁厚為10mm。

2.1.3 管道型號(hào)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，參考《熱軋無縫鋼管品種》(GB8163，GB17395)，選取管道規(guī)格為 φ159mm×10mm的16Mn無縫鋼管做為井下充填干管的充填管路。

2.2 干路管布置

2.2.1 管道輸送水力損失分析

漿體在進(jìn)行管道輸送時(shí)，除了漿液與管道的摩擦損失之外，每當(dāng)直線流動(dòng)受到管路元件的擾動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部水里損失，疊加在直管段的沿程損失上，因此管道的水力損失包括沿程損失和局部損失2部分。由能量方程:

式中，f為沿程阻力系數(shù)，L為管路長(zhǎng)度，D為管路直徑，K為管件局部損失因數(shù)。由式 (4)可知，當(dāng)充填鉆孔位置和工作面位置確定以后，其輸送距離是一定的，水力損失由局部損失決定，管道部分元件的局部損失系數(shù)如表1，表2。

表1 彎頭局部損失因數(shù)

表2 3種常用閥門的局部損失因數(shù)

由表1，表2可知，當(dāng)閥門開口較小時(shí)，其損失因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿程損失因數(shù)和彎頭損失因數(shù)，例如對(duì)于直徑150mm的閘閥，開度為1/8時(shí)，其局部損失因數(shù)為74;對(duì)于轉(zhuǎn)彎角度為180°彎頭，當(dāng)螺紋連接時(shí)局部損失因數(shù)僅為1.5，相差甚大。因此，應(yīng)合理選擇管路型號(hào)，避免長(zhǎng)期使用閥門調(diào)節(jié)流量，這樣一方面減小料漿輸送阻力，另一方面避免閥門磨損，閥門在使用過程中應(yīng)盡量保持較大的開度。當(dāng)閥門開度為100%時(shí)，局部損失:閘閥＜蝶閥。

2.2.2 干路管布置

充填干路管從鉆孔底部沿最近的開拓巷道路線布置到工作面，管路布置時(shí)應(yīng)保持平直，避免管路的起伏波動(dòng)。為不影響巷道的使用，管道可沿頂板進(jìn)行布置，當(dāng)煤層采高較大時(shí)，考慮到管道維修處理方便，可布置在巷幫。王臺(tái)鋪煤礦充填開采試驗(yàn)區(qū)煤層采高為2.6m，故管路沿頂板進(jìn)行布置;水平段管路長(zhǎng)度為501m，只在管路進(jìn)口和工作面處安裝閥門，減小管路輸送阻力。

2.3 工作面管路布置

充填倍線是指充填管路總長(zhǎng)度與豎直段的長(zhǎng)度之比，高水膨脹材料具有良好的流動(dòng)性，試驗(yàn)證明其充填倍線可達(dá)到10以上。當(dāng)充填倍線大于10時(shí)，為增加出漿口壓力，應(yīng)考慮管道口做變徑處理。工作面管路根據(jù)實(shí)際情況，可選擇多條布置或單條布置;根據(jù)支巷的頂板條件，充填管出漿口位置分為巷口布置和頂板最大標(biāo)高點(diǎn)布置，如圖2。

工作面管路布置有4種方式:

(1)單條管路布置在巷口 優(yōu)點(diǎn)為:管路布置簡(jiǎn)單，容易操控。缺點(diǎn)為:無備用管路，對(duì)頂板高差變化較大的支巷適用性差，可靠性降低。適用條件為:充填倍線小，一次充填，支巷頂板起伏不大。

圖2 支巷內(nèi)充填管路布置

(2)多條管路布置在巷口 優(yōu)點(diǎn)為:具有備用管路，可靠性高。缺點(diǎn)為:管路布置復(fù)雜，無法控制各管路內(nèi)的漿液流速一致，存在堵管風(fēng)險(xiǎn)。適用條件為:充填倍線大，分次充填，支巷頂板起伏不大。

(3)單條管路布置在最高點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)為:管路布置簡(jiǎn)單，容易操控。缺點(diǎn)為:無備用管路。適用條件為:充填倍線小，一次充填，支巷頂板起伏較大。

(4)多條管路布置在最高點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)為:具有備用管路，可靠性高。缺點(diǎn)為:管路布置復(fù)雜。適用條件為:充填倍線大，分次充填，支巷頂板起伏較大。

3 充滿率影響因素

充填開采是依靠充填體來代替原煤層支撐頂板，控制地表下沉。要使充填體起支撐作用，應(yīng)保證至少部分充填體接頂［10］。如果空間未充滿，造成頂板大面積懸空，勢(shì)必影響作業(yè)安全。而近水平煤層進(jìn)行充填開采時(shí)，由于煤層本身傾角較小，不利于高水膨脹材料的流動(dòng)，更難保證采空區(qū)充滿接頂。以下從幾個(gè)影響因素分析近水平煤層高水充填體接頂情況。

3.1 支巷傾角

近水平煤層支巷充填對(duì)采空區(qū)的充滿率要求更高，同等的充滿率，近水平煤層支巷的欠接頂距離遠(yuǎn)大于傾斜支巷。例如當(dāng)支巷最高點(diǎn)充填體欠接頂量為300mm時(shí)，傾角為10°的支巷欠接頂距離為1.70m;傾角為 0.5°的支巷欠接頂距離則為34.4m。

3.2 材料泌水率

高水膨脹材料在固化反應(yīng)以后，其固結(jié)體表面會(huì)泌出一層清水，泌水量與料漿含水量之比，稱為高水膨脹材料的泌水率。理想狀態(tài)下，高水膨脹材料的泌水率為0時(shí)，采空區(qū)可以完全充滿，但高水膨脹材料的泌水率是客觀存在的，一般控制在3%以下。材料泌水的存在減小了支巷的有效充填體積，泌水率越大，采空區(qū)充滿率越低。

3.3 支巷頂板起伏

支巷頂板起伏是影響支巷充填率的不可改變因素。支巷的頂板起伏變化，不利于漿液的充滿，起伏越大，頂板凸起空間越不易被充滿，采空區(qū)的充填效果越差。

3.4 出漿口位置

管路充填出漿口位置的合理選擇，可以保證充填作業(yè)的順利進(jìn)行。在近水平煤層充填中，如上所述，較小的欠接頂量可以造成較大的欠接頂距離，充填管路本身直徑也是一個(gè)不可忽略的因素。

為了保證近水平煤層支巷充填順利進(jìn)行，必須采取各種措施提高支巷充滿率。管路布置作為一個(gè)可控因素，以下將通過工業(yè)性試驗(yàn)進(jìn)行分析。

4 試驗(yàn)區(qū)管路布置及充填試采效果分析

4.1 試驗(yàn)工作面管路布置

充填干路管布置如圖3所示。工作面管路只對(duì)多條管路的布置方式進(jìn)行了試驗(yàn)比較，分別在1號(hào)、2號(hào)支巷進(jìn)行。其中1號(hào)支巷布置在巷口，2號(hào)支巷布置在最大標(biāo)高處，每條支巷內(nèi)布置3條充填管路。工作面充填管選用φ120mm鋼絲纏繞塑料管，沿頂板吊掛。試驗(yàn)各支巷參數(shù)如表3所示。

圖3 試驗(yàn)工作面充填干路管布置

表3 試驗(yàn)充填支巷參數(shù)

正常充填時(shí)，料漿溫度在40～60℃之間，工作面充填軟管會(huì)受熱伸長(zhǎng)，為保證其懸掛牢靠，在密閉墻外側(cè)，采用鋼板托槽對(duì)軟管進(jìn)行吊掛，支巷內(nèi)采用鋼鏈加塑料扎帶進(jìn)行加密吊掛。每趟管路都平行鋪設(shè)1條排氣管，排氣管管口吊掛在充填軟管管口的后上方，距離不小于1m，防止充填過程中漿液進(jìn)入將其堵塞。試驗(yàn)工作面管路布置及支巷內(nèi)軟管布置如圖4所示。

圖4 工作面端頭管路布置形式

4.2 充填試采效果

4.2.1 充填數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

此次充填試驗(yàn)共進(jìn)行4d，累計(jì)充填量2500m3，累計(jì)充填時(shí)間26h，最大充填能力127m3/h，平均充填能力96m3/h。各支巷充填量及日充填量如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)支巷充填量統(tǒng)計(jì)

充填試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)處于調(diào)試階段，故只對(duì)初漿體積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。根據(jù)材料性能，初漿漿液加入輔料攪拌后，凝固體體積較初漿會(huì)增大10% ～20%。1號(hào)支巷實(shí)際充填初漿量1105m3，理論充填體體積為1215.5～1326m3，1號(hào)支巷實(shí)際需充填量約1350m3。2號(hào)支巷實(shí)際充填初漿量1140m3，理論充填體體積約1254～1368m3，2號(hào)支巷實(shí)際需充填量約1300m3。

充填時(shí)，1號(hào)支巷排氣管沒有溢流漿液，2號(hào)支巷掛在頂板最高點(diǎn)的排氣管已經(jīng)開始溢流漿液，說明2號(hào)支巷內(nèi)已經(jīng)充滿，即停止充填。根據(jù)2號(hào)支巷數(shù)據(jù)計(jì)算加入輔料后初漿的體積變化率約為14%，則1號(hào)支巷約充填1259.7m3。

4.2.2 應(yīng)用效果分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，1號(hào)支巷充填率為93.3%，2號(hào)支巷充填率為100%，可以看出，對(duì)于頂板有起伏的近水平支巷，2號(hào)支巷的管路布置方式更有利于支巷的充滿。在充填過程控制方面，1號(hào)支巷在即將充滿時(shí)，需對(duì)管路閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免發(fā)生堵管，2號(hào)支巷則不需要此操作。

對(duì)于頂板有起伏的近水平支巷，管路出漿口布置在巷口和最高點(diǎn)都具有較高的充滿率，但管路出漿口布置在最高點(diǎn)更優(yōu)，且在充填過程控制及管理方面簡(jiǎn)單，更適合此種地質(zhì)采礦條件下的充填開采。

5 結(jié)論

通過對(duì)管路布置的技術(shù)理論分析及充填試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:

(1)通過理論計(jì)算，對(duì)王臺(tái)鋪煤礦充填試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了管道選型，規(guī)格為φ159mm×10mm，并對(duì)干路管和工作面充填管路布置進(jìn)行了初步技術(shù)分析，通過工業(yè)性試驗(yàn)，證明管道布置達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)工作面管路布置方式是影響近水平煤層支巷充滿率的一個(gè)重要因素，管路出漿口布置在頂板最大標(biāo)高點(diǎn)對(duì)于頂板起伏較大的水平支巷具有更好的適應(yīng)性。充填試采結(jié)果表明，在王臺(tái)鋪煤礦的地質(zhì)采礦條件下，管路布置在巷口的充滿率可達(dá)93.3%，管路布置在最高點(diǎn)的充滿率可達(dá)100%。

(3)工作面管路布置方式及位置的選擇，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)條件并合理選用管路型號(hào)，對(duì)于造價(jià)較高的耐壓膠管，深入支巷內(nèi)過長(zhǎng)會(huì)造成較大的浪費(fèi)，漿液到達(dá)工作面后水頭壓力已經(jīng)不大，可選擇經(jīng)濟(jì)合理的塑料膠管。

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