邢東礦超高水漿體自流輸送系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

【摘要】超高水充填是在水中添加超高水材料，配制成兩種以水為主要成分的、具有高流動(dòng)性的漿體（水含量90%以上），通過(guò)管路輸送到采空區(qū)控制頂板下沉。針對(duì)原超高水漿體輸送系統(tǒng)誤差大、故障率高、輸送能力小、噪音大、設(shè)備耗能高等問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)了超高水漿體自流輸送系統(tǒng)，采用PLC對(duì)管路中漿體流量進(jìn)行監(jiān)控，使得超高水漿體輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、高流速、低噪音、低耗能，從而提高超高水充填開(kāi)采的效率。

【關(guān)鍵詞】超高水充填；自流輸送；流量控制；PLC

超高水充填開(kāi)采是近年來(lái)礦山充填技術(shù)的發(fā)展方向。超高水材料由A、B兩種組份組成。使用時(shí)，分別與水混合后通過(guò)管道獨(dú)立輸送。兩種流體在混合前、后的流體行為不同。混合前物性基本不隨時(shí)間改變，而混合后則發(fā)生水化作用，并在一定時(shí)間內(nèi)失去流動(dòng)性。原超高水料漿輸送系統(tǒng)由泥漿泵、輸送管路以及各種閥門和混合系統(tǒng)組成。通過(guò)泥漿泵控制A、B兩種料漿流量一致，防止兩種漿體流速不一致導(dǎo)致配比失調(diào)。但由于泥漿泵對(duì)流量控制精度低、操作性低、噪音大、能耗高等特點(diǎn)，使得充填效率低、混合后漿體達(dá)不到要求，進(jìn)而影響超高水充填開(kāi)采的效果。

1、超高水漿體自流輸送可行性分析

1.1A、B料漿的流變特性

超高水材料在應(yīng)用過(guò)程中，漿體經(jīng)歷物理流動(dòng)及化學(xué)反應(yīng)固結(jié)的過(guò)程。這些變化對(duì)設(shè)備選型、管道形式確定、管路轉(zhuǎn)換關(guān)鍵點(diǎn)處置以及采空區(qū)充填方式與技術(shù)方案的確定都有直接影響。

對(duì)超高水材料漿體性能的研究表明：?jiǎn)螡{流體流變性基本屬無(wú)粘性料漿，材料的體積濃度0.1左右，為極稀懸浮液，粘度均較小，可視為牛頓流體，見(jiàn)表1。

1.2A、B料漿的流動(dòng)性

（1）超高水材料管道輸送阻力計(jì)算

漿體輸送考慮流體流動(dòng)阻力由兩部分構(gòu)成，即直管沿程阻力損失與局部阻力損失。其中直管阻力由流體粘性與管壁發(fā)生摩擦而產(chǎn)生，局部阻力由管道突然擴(kuò)大、縮小及各管件與閥門等造成流道的改變而產(chǎn)生。超高水材料管道阻力損失與管道流速的關(guān)系可用下式表示：

式中：L-管道長(zhǎng)度，m；

-管線總阻力損失，m；

D-管道直徑，m；

-管道局部損失系數(shù)；

u-流速，m/s；

λ-沿程阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)及管壁粗糙度有關(guān)；

△-管壁絕對(duì)粗糙度，mm；

在等直徑管道長(zhǎng)距離輸送時(shí)，若漿體流速變大，阻力損失呈二次方增長(zhǎng)，即流速增加會(huì)使流動(dòng)阻力迅速升高。因此，漿體在管道內(nèi)的流速在滿足漿體不沉降下的流速是最佳流速。

（2）超高水材料漿體流動(dòng)阻力特性

A、B單漿屬液固兩相流。在一定管徑、一定濃度時(shí)其流動(dòng)阻力隨兩相流量的變化可表述成圖1所示。圖中的光滑曲線為單相流體的流動(dòng)阻力隨流量變化的情況，是均勻增加的，而超高水材料漿體流動(dòng)的阻力曲線要比單相流復(fù)雜，如圖1所示。

（3）管道輸送的臨界流速

超高水材料漿體流動(dòng)阻力特性表明，點(diǎn)4是臨界狀態(tài)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)流速即為臨界流速，此時(shí)顆粒完全處于懸浮狀態(tài)。因此，在超高水材料的輸送過(guò)程中，若顆粒下沉將會(huì)凝聚固結(jié)，臨界流速為最低流速，以超臨界流速輸送最合適。

對(duì)給定的管路，特定漿體的臨界流速是一定的。超高水材料A、B單漿及混合漿體有其特性。A、B料漿屬牛頓流體，對(duì)水體積為88～93%的料漿進(jìn)行分析，輸送管按無(wú)縫鋼管，絕對(duì)粗糙度為0.3mm，分別對(duì)平均粒徑為60mm及極限粒徑0.2mm，輸送管徑100mm進(jìn)行計(jì)算，得到不淤臨界流速不得小于2.0m/s。

1.3漿體壓力損失的計(jì)算

本充填漿體輸送管路分立井管和井下管路，立井管采用兩路DN150無(wú)縫鋼管，井下采用DN100無(wú)縫鋼管，其中立井管長(zhǎng)度為820m，井下管路長(zhǎng)度為1600m。

井下管路1600m壓力損失：

（m水柱）

其中：H---管路壓力損失；

k---管路局部損失增加系數(shù)；

λ---沿程阻力系數(shù)；

L---井下管路長(zhǎng)度；

---漿體流速；

g---重力加速度；

d---管路內(nèi)徑；

自然高差產(chǎn)生的壓頭820（m水柱）>482.11（m水柱），所以用自流方式可以保證從注漿站到充填工作面的漿體輸送。

2、漿體輸送流量控制系統(tǒng)

超高水漿體輸送流量控制系統(tǒng)：漿體輸送流量控制設(shè)備正常運(yùn)行或停止由控制系統(tǒng)完成，控制系統(tǒng)由PLC集中控制操作臺(tái)、控制器、工控機(jī)、繼電器、數(shù)據(jù)采集模塊以及相應(yīng)傳感器等組成，實(shí)現(xiàn)超高水漿體輸送流量控制系統(tǒng)功能操作、故障保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)視以及自動(dòng)化控制。系統(tǒng)操作主界面如圖3所示。

系統(tǒng)在自動(dòng)控制下A料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、B料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用關(guān)聯(lián)運(yùn)行方式。根據(jù)設(shè)定A料與B料的配比，B料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度隨A料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的改變而改變。

3、結(jié)論

利用超高水漿體自流輸送并通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)漿體流量的控制。與原超高水漿體輸送方案相比，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，控制精度高。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，設(shè)備故障率低，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、操作全過(guò)程的自動(dòng)控制，大大減少了人為的誤操作，并且每班充填作業(yè)減少兩個(gè)人工，減少用電720Kw.h，得到較高的經(jīng)濟(jì)效益。

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