高濃度膠結(jié)充填系統(tǒng)管網(wǎng)參數(shù)及泵機(jī)選擇

匡漢，于躍，傅小龍，鄭偉鈺

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

高濃度膠結(jié)充填系統(tǒng)管網(wǎng)參數(shù)及泵機(jī)選擇

匡漢，于躍，傅小龍，鄭偉鈺

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

高濃度膠結(jié)充填材料具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全的特點(diǎn)。為了設(shè)計(jì)合理的管道泵壓輸送系統(tǒng)，對(duì)汾西礦業(yè)集團(tuán)新陽(yáng)礦區(qū)的充填管道進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。利用新陽(yáng)礦堆放的煤矸石和附近靈石縣南關(guān)電廠的粉煤灰作為細(xì)骨料，42.5＃普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料，加入外加劑、水?dāng)嚢?，試?yàn)得出適合新陽(yáng)礦的高濃度料漿，充填材料配比為1︰2︰5（水泥︰粉煤灰︰煤矸石）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%～80%、坍落度為22.5～27.8cm。通過(guò)充填管道輸送參數(shù)計(jì)算，充填料漿的流速為1.8m/s，選用內(nèi)徑為180mm、壁厚為18mm的耐壓無(wú)縫鋼管。充填料漿最大水力坡度為3.35kPa/m，總輸送阻力損失為10.96MPa，選用HGBS200.14.800型充填專用工業(yè)泵能夠充分滿足新陽(yáng)礦的充填要求，并保證充填系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

高濃度膠結(jié)充填系統(tǒng)；管網(wǎng)參數(shù)；輸送阻力；充填泵

高濃度膠結(jié)充填是以煤矸石、粉煤灰為細(xì)骨料，42.5＃普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料，加入外加劑、水?dāng)嚢柚瞥少|(zhì)量分?jǐn)?shù)為74%～80%、坍落度為20～28 cm的高濃度料漿，由地面充填站通過(guò)工業(yè)泵，經(jīng)管道輸送到回采工作面的充填系統(tǒng)［1］。新陽(yáng)礦采用高濃度膠結(jié)充填，該技術(shù)能夠充分利用煤矸石、粉煤灰，為固體廢棄物的資源化利用提供一條新途徑，能有效避免對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，而且料漿輸送過(guò)程全封閉，不會(huì)造成“二次污染”，是資源與環(huán)境協(xié)調(diào)綠色開采的重要組成部分［2－3］。

高濃度膠結(jié)充填過(guò)程中，管道常出現(xiàn)堵塞、爆裂和磨損情況，直接影響了整個(gè)充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可見(jiàn)管道輸送技術(shù)是高濃度膠結(jié)充填的核心技術(shù)之一，管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到充填系統(tǒng)能否正常運(yùn)行［4］。然而管網(wǎng)參數(shù)及阻力受充填料漿性質(zhì)、管道性質(zhì)、輸送速度等多因素影響，且各因素之間相互關(guān)聯(lián)，難以確定。長(zhǎng)期以來(lái)，管網(wǎng)參數(shù)多通過(guò)類比法確定，帶有一定的主觀性和盲目性［5］；各種理論計(jì)算方法有一定的使用條件，用于工程實(shí)踐有一定的誤差，必須根據(jù)不同的工程實(shí)際情況，選擇合適的公式及計(jì)算參數(shù)［6］。

經(jīng)過(guò)多次配比試驗(yàn)研究，最終確定新陽(yáng)礦充填材料配比為1︰2︰5（水泥︰粉煤灰︰煤矸石），料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%～80%。在此基礎(chǔ)之上，本文對(duì)管網(wǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，最終確定合適的管網(wǎng)參數(shù)和泵機(jī)型號(hào)，確保充填系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

1 高濃度膠結(jié)充填技術(shù)參數(shù)

國(guó)內(nèi)外礦山自流充填，充填管路的幾何充填倍線不大于5～6，充填倍線的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）［7］：

式中：N—充填倍線；L—充填管路總長(zhǎng)度，m；H—管道入料口與出料口之間的高度，m。

新陽(yáng)礦充填站到試驗(yàn)地面管路的布置路線為：地面充填站→地面管路（40m）→2＃井立管（260m）→三下集中皮帶巷（1 600m）→三下集中軌道巷（800m）→10203材料巷（600m）→工作面（200m）。充填管路總長(zhǎng)L為3 500m，其中立管管路高H為260m，水平直管長(zhǎng)（L直）3 240m，充填倍線為13.5，必須采用泵送充填。

充填系統(tǒng)要求的充填能力主要決定于充填工作面的長(zhǎng)度、采高、充填步距、采充比和完成充填作業(yè)的時(shí)間要求等，計(jì)算公式［8］見(jiàn)式（2）：

式中：Qf—充填系統(tǒng)能力，m3/h；L—工作面煤壁長(zhǎng)度，取100m；M—采高，取2.15m；d—充填步距，取2m；Kf—采充比，工作面充填前頂板下沉量很小，可以忽略不計(jì)，Kf取1；S1、S2—工作面運(yùn)輸巷、材料巷斷面面積，均為8.6m2；Tf—有效充填時(shí)間，4h；KP—充填泵效率系數(shù)，取0.9。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）得：

因此要求的充填系統(tǒng)充填能力應(yīng)大于129m3/h。

1.1 料漿輸送速度的確定

一般高濃度料漿在管道內(nèi)的流速控制在1.5 m/s以內(nèi)，考慮到煤礦對(duì)充填能力的要求要大大高于金屬礦的要求，充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)流速相對(duì)較大。新陽(yáng)礦以煤矸石作為高濃度充填料漿的骨料，輸送阻力相對(duì)較小，所以，新陽(yáng)礦充填系統(tǒng)流速按以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：在充填泵最大充填能力時(shí)，保證高濃度料漿流速為1.8m/s左右。

1.2 充填管徑的確定

高濃度膠結(jié)充填管徑的選擇，主要根據(jù)所要求的輸送能力和選定的料漿輸送速度確定，一般可按式（3）選擇，按照新陽(yáng)礦充填系統(tǒng)流速的設(shè)計(jì)原則，充填系統(tǒng)能力為Qj＝150m3/h，根據(jù)選擇的流動(dòng)速度最大為vj＝1.8m/s＝6 480m/h，則可以計(jì)算出充填管道允許的最小內(nèi)徑［9］：

將數(shù)據(jù)代入式（3）得：

即新陽(yáng)礦干線充填管道的內(nèi)徑應(yīng)大于171.7 mm，為留有一定的安全系數(shù)，新陽(yáng)礦充填管道的內(nèi)徑定為180mm。

1.3 管道壁厚的確定

管道壁厚是按料漿輸送管道的壓力計(jì)算的，對(duì)于長(zhǎng)距離漿體輸送管道，計(jì)算壁厚普遍采用的公式［10］為：

式中：t—輸送管道壁厚，mm；k—壓力系數(shù)；p—鋼管允許最大工作壓力，MPa；D—管徑，mm；［δ］—鋼管的抗拉許用應(yīng)力，MPa；E—焊接系數(shù)；F—地區(qū)設(shè)計(jì)系數(shù)；T—服務(wù)年限，a；C1—年磨損余量，mm/a；C2—附加厚度。

k取正常壓力系數(shù)1；D根據(jù)前面的計(jì)算取180 mm；充填泵正常充填時(shí)，管道允許最大工作壓力p為14MPa；我國(guó)生產(chǎn)的耐壓無(wú)縫鋼管抗拉強(qiáng)度一般為500MPa，計(jì)算時(shí)無(wú)縫鋼管的抗拉許用應(yīng)力一般取其抗拉強(qiáng)度的40%，［δ］＝500×40%＝200MPa；E取0.9，F(xiàn)取0.78；C1為年磨損余量，取0.03，礦井服務(wù)年限為80年，所以充填管道的服務(wù)年限T為80年，C2取2mm。將參數(shù)代入式（4）得管道壁厚t＝13.4mm，因此，選取壁厚為16mm的管道能夠滿足要求。

2 阻力損失計(jì)算

由于本研究中充填料漿的管道輸送采用泵壓輸送，在正常充填階段，可近似地認(rèn)為高濃度膠結(jié)充填料漿屬于穩(wěn)定流［11］，因此，按照均質(zhì)流體導(dǎo)出伯努利方程為：

式中：Z1和Z2分別是充填管道入口和出口的海拔高度，m；P1和P2分別是充填管道入口和出口的壓強(qiáng)，Pa；v1和v2分別是入口和出口的充填料漿平均速度，m/s；PP—泵送壓力，Pa；H總—管道沿路總的阻力損失，Pa。

對(duì)于管道的總阻力損失H總由充填料漿輸送的水平直管段阻力H直與充填料漿輸送的局部阻力H局和充填料漿輸送時(shí)高程引起的阻力損失H高組成［12］，即：

2.1 水平直管段沿程阻力的確定

設(shè)計(jì)一套管道輸送系統(tǒng)，首先必須預(yù)計(jì)在給定條件下的最基本參數(shù)水平直管段的沿程阻力，只有研究清楚沿程阻力，才能進(jìn)行設(shè)備的選型和能耗計(jì)算。新陽(yáng)煤礦充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和充填泵的選擇非常重要，沿程阻力值必須準(zhǔn)確可靠，為得到準(zhǔn)確的沿程阻力值，下面進(jìn)行沿程阻力的理論計(jì)算和環(huán)管試驗(yàn)。2.1.1 理論計(jì)算水平直管的水力坡度

水平直管段的阻力也叫水力坡度，常用的充填料漿的水力坡度計(jì)算理論有擴(kuò)散理論、重力理論和重力擴(kuò)散理論［13－14］?；谝陨侠碚摰乃ζ露扔?jì)算公式有很多，生產(chǎn)實(shí)踐和充填實(shí)例證明，金川水力坡度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式相對(duì)誤差較小，可以作為水力輸送固體物料的計(jì)算公式［10］。金川公式如下：

式中：i—水平直管料漿水力坡度，kPa/m；i0—水平直管清水水力坡度，kPa/m，清水水力坡度的計(jì)算是比較熟悉的，一般采用Darcy公式i0＝λv2/2gD；Cv—料漿的體積濃度，Cv＝55.8%；g—重力加速度，取9.8m/s2；D—管徑，D＝0.18m；ρg—固體混合料密度，ρg＝2.74g/cm3；v—料漿流速，v＝1.8m/s；Cx—顆粒沉降阻力系數(shù)，Cx＝7.91。

2.1.2 環(huán)管試驗(yàn)確定水平直管的水力坡度

由于粉煤灰的形成受較多因素影響，即使同一批次的粉煤灰需水量變化也較大，導(dǎo)致了粉煤灰在料漿中的比例變化較大，為了增強(qiáng)環(huán)管試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，粉煤灰含量取18%、20%、22%，高濃度料漿濃度被控制在更小的范圍（78%～80%）內(nèi)。

環(huán)管試驗(yàn)測(cè)定水平直管段和彎管段的水力損失，用于采集沿程阻力損失的2個(gè)傳感器之間的管路長(zhǎng)度為6m（如圖1），用于采集局部阻力損失的2個(gè)傳感器之間為一段彎管（如圖2）。

圖1 測(cè)定直管段的阻力損失Fig.1 Resistance loss measurement along the straight pipe

圖2 測(cè)定彎管段的阻力損失Fig.2 Resistance loss measurement along the bended pipe

表1 環(huán)管試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of round－pipe test

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)粉煤灰含量為20%，料漿濃度為78.5%時(shí)，沿程阻力損失最大為20.12 kPa，則單位長(zhǎng)度的沿程阻力損失即水力坡度i′＝20.12/6＝3.35kPa/m；理論計(jì)算與環(huán)管試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差為12.5%，在允許誤差范圍以內(nèi)，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

結(jié)合理論計(jì)算與環(huán)管試驗(yàn)的結(jié)果，取最大值得到料漿管道輸送的水力坡度大小為3.35kPa/m。

水平直管段的沿程阻力損失：

2.2 管道局部阻力計(jì)算

對(duì)于管道的局部阻力，主要包括管道彎頭阻力、管徑突變阻力、安裝阻力。管路的局部阻力損失一般為沿程阻力損失的0.05～0.15倍［15］。結(jié)合環(huán)管試驗(yàn)中局部阻力損失和沿程阻力損失的比例關(guān)系，這里取

2.3 高程引起的阻力損失計(jì)算

H高的值決定于充填站與采空區(qū)充填位置的相對(duì)關(guān)系。垂高260m的自然勢(shì)頭相當(dāng)于充填料漿輸送水平長(zhǎng)度的1.5倍［5］，即390m的水平距離，又因料漿由高向低輸送，高程引起的阻力損失為負(fù)值。

將H直、H局、H高值代入式（6）：

3 充填工業(yè)泵的選擇

充填工業(yè)泵的型號(hào)選擇主要根據(jù)以下三個(gè)數(shù)據(jù)：1）充填泵最小輸送壓力；2）工作面要求的充填能力；3）坍落度的允許范圍。按工作面的充填能力要求，充填系統(tǒng)的最低泵送量為129m3/h，按最大流速計(jì)算得充填系統(tǒng)的泵送量最大值為150m3/h；充填工業(yè)泵的最小輸送壓力和充填料漿的坍落度范圍按下面的方法進(jìn)行確定。

3.1 充填工業(yè)泵的輸送壓力計(jì)算

充填工業(yè)泵的輸送壓力初步計(jì)算按式（5）的變化式計(jì)算：

其中，充填管道的入口和出口的海拔高差為260m；充填管道的入口和出口壓強(qiáng)變化較小，相對(duì)于管道的總阻力，入口和出口的壓強(qiáng)變化可以忽略不計(jì)；入口和出口的速度，v1＝vj＝1.8m/s，v2＝0.5m/s；根據(jù)式（6）的計(jì)算知H總＝10.96MPa。

將數(shù)值代入式（8）得：

考慮工業(yè)泵2MPa的啟動(dòng)壓力［16］，充填工業(yè)泵的輸送壓力不能低于8MPa。選用輸出壓力為10 MPa的輸送泵可以保證料漿輸送的安全平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)為今后進(jìn)一步擴(kuò)大輸送能力留有足夠的空間。

3.2 充填料漿坍落度的測(cè)定

坍落度是判別充填料漿可泵性能的綜合性指標(biāo)。坍落度的高低直接反映充填料漿的流動(dòng)性和摩擦阻力大小。充填料漿的坍落度過(guò)小，充填工業(yè)泵輸送時(shí)吸入困難，且摩擦阻力大，要求有較高的泵送壓力；若坍落度過(guò)大，料漿過(guò)稀，泵送時(shí)容易發(fā)生離析［17］。

以78.5%、79%和80%的膠結(jié)充填料漿為例，分別測(cè)定不同粉煤灰含量下的坍落度值，坍落度的測(cè)試方法如圖3所示。

圖3 坍落度的測(cè)量Fig.3 Measurement of the slump

粉煤灰含量不變的情況下，隨著料漿濃度的增加，料漿的整體流動(dòng)性減弱，即管道輸送阻力增加，這與環(huán)管試驗(yàn)管輸阻力損失（見(jiàn)表1）的結(jié)果可以相互驗(yàn)證，不同料漿濃度下粉煤灰含量與坍落度的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖4 不同料漿濃度下粉煤灰含量與坍落度的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between fly ash amounts and slump with different slurry concentrations

分析圖4可知，料漿濃度為78%時(shí)，充填料漿的坍落度范圍為26.6～27.8cm；料漿濃度為79%時(shí)，坍落度范圍為24.0～26.5cm；料漿濃度為80%時(shí)，坍落度范圍為22.5～24.1cm?？梢源_定的是工作面正常充填時(shí)，充填料漿質(zhì)量百分?jǐn)?shù)濃度控制在78%～80%，粉煤灰質(zhì)量百分?jǐn)?shù)濃度（粉煤灰質(zhì)量與充填料漿質(zhì)量的比值）為18%～22%，這種情況下充填料漿坍落度為22.5～27.8cm。

3.3 充填工業(yè)泵的確定

根據(jù)以上計(jì)算可知：1）充填泵最小輸送壓力為10MPa；2）工作面要求的最小充填能力為129m3/h，最大充填能力為150m3/h；3）坍落度的允許范圍為19.5～28.5cm。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研分析，湖南飛翼股份有限公司研制的HGBS200.14.800充填泵能夠保證料漿輸送的安全平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)為今后進(jìn)一步擴(kuò)大輸送能力留有足夠的空間。充填泵實(shí)物圖見(jiàn)圖5。

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

充填工業(yè)泵的具體參數(shù)見(jiàn)表2。為了防止充填過(guò)程中泵機(jī)發(fā)生故障和實(shí)現(xiàn)連續(xù)充填，選擇2臺(tái)HGBS200.14.800型充填泵，一備一用，以提高充填系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

表2 充填泵的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the filling pump

4 結(jié)論

1）利用新陽(yáng)礦堆放的煤矸石和附近靈石縣南關(guān)電廠的粉煤灰作為細(xì)骨料，普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料，加入外加劑、水?dāng)嚢?，通過(guò)配比和工業(yè)試驗(yàn)得出適合新陽(yáng)礦的充填材料配比為1︰2︰5（水泥︰粉煤灰︰煤矸石），充填料漿的質(zhì)量濃度為77%～80%，粉煤灰含量18%～25%，坍落度為19.5～28.5cm。

2）充填系統(tǒng)要求的最小泵送量為129m3/h，按充填料漿最大流速1.8m/s計(jì)算，得充填系統(tǒng)要求的最大泵送量為150m3/h。通過(guò)充填管道輸送參數(shù)計(jì)算，選用內(nèi)徑為180mm、壁厚為16mm的耐壓無(wú)縫鋼管進(jìn)行料漿輸送。

3）根據(jù)金川公式得出理論水力坡度i＝2.93 kPa/m，根據(jù)環(huán)管試驗(yàn)得出最大水力坡度imax＝3.35kPa/m，為了確保充填料漿的正常運(yùn)輸，選取最大水力坡度3.35kPa/m進(jìn)行沿程阻力損失的計(jì)算，管道的總阻力損失為10.96MPa。

4）充填泵的啟動(dòng)壓力為2MPa，得出充填泵的最小壓力值為10MPa，選用HGBS200.14.800型充填專用工業(yè)泵，該泵為充填系統(tǒng)的可靠運(yùn)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，F(xiàn)U 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”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2009BAB48B02）

匡漢（1988－），男，碩士研究生，采礦工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)椤熬G色開采”、充填材料和煤礦環(huán)境保護(hù)。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.002