濕噴混凝土的管道輸送研究

孟 科，韓 斌，姚 松

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濕噴混凝土的管道輸送研究

孟 科1，韓 斌1，姚 松2

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞 基特韋 22592)

目前針對(duì)濕噴混凝土管道輸送規(guī)律的研究較少，現(xiàn)有的研究多數(shù)是建立在對(duì)建筑用混凝土和高濃度充填漿體理論研究的基礎(chǔ)上。但濕噴混凝土與建筑用混凝土和高濃度充填漿體，無(wú)論在材料組成還是輸送動(dòng)力上都存在很大差異。為此，結(jié)合礦山濕噴現(xiàn)場(chǎng)管道布置特征及環(huán)管試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則開(kāi)展了濕噴混凝土的環(huán)管實(shí)驗(yàn)，探究濕噴混凝土管道輸送的阻力影響因素及規(guī)律。結(jié)果表明，管道輸送阻力與直管管道半徑、彎管曲率半徑及料漿坍落度有密切關(guān)系。為提高濕噴混凝土的可泵性，可從改善管網(wǎng)參數(shù)和提高料漿的工作性兩方面采取措施，并揭示了濕噴混凝土管道堵塞機(jī)理。

濕噴混凝土；環(huán)管實(shí)驗(yàn)；阻力；可泵性；堵塞機(jī)理

濕噴混凝土是將拌好的混凝土料由輸送泵通過(guò)噴嘴加高壓風(fēng)將混凝土噴射到受噴面，并迅速凝結(jié)，對(duì)圍巖起到一定支護(hù)作用的技術(shù)[1?2]。濕噴混凝土技術(shù)在我國(guó)得到了一定的應(yīng)用并擁有廣闊的發(fā)展前景[3?4]。大量學(xué)者對(duì)濕噴混凝土工藝進(jìn)行了研究，特別是在混凝土的流變性以及配合比方面取得了較大突破[5?6]。然而對(duì)于濕噴混凝土在管道中輸送規(guī)律及堵管機(jī)理方面的研究卻很少，嚴(yán)重制約了濕噴混凝土技術(shù)的應(yīng)用和推廣。為此，通過(guò)環(huán)管試驗(yàn)，探究濕噴混凝土管道輸送影響因素，探明堵管形成條件和堵管機(jī)理，對(duì)構(gòu)建濕噴混凝土輸送堵管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，提出堵管控制方法，進(jìn)而推進(jìn)濕噴混凝土技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成及管路布置

試驗(yàn)系統(tǒng)由混凝土攪拌機(jī)、濕噴混凝土泵送機(jī)和循環(huán)管路3部分組成(見(jiàn)圖1)。其中混凝土攪拌機(jī)為容量60 L的臥式攪拌機(jī)，濕噴混凝土泵送機(jī)為MEYCO Altera混凝土柱塞泵，最大工作泵壓7.1 MPa，工作流量為1~6 m3/h，泵輸出口內(nèi)徑為80 mm。

循環(huán)管路布置如圖2所示，循環(huán)管路由直管、變徑管、彎管和軟管4部分組成，根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦山濕噴作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和山東BASF浩珂礦業(yè)化學(xué)有限公司所生產(chǎn)的濕噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本次環(huán)管試驗(yàn)平臺(tái)所選用的直管分別為DN80 mm、DN65 mm，管壁厚度8 mm的普通無(wú)縫鋼管；變徑管為內(nèi)徑DN80 mm~DN65 mm、長(zhǎng)1000 mm、壁厚8 mm的普通無(wú)縫鋼管；彎管分別為曲率半徑R500 mm、R260 mm，內(nèi)徑為DN65 mm、壁厚8 mm的90°彎管；軟管為DN65 mm、長(zhǎng)10000 mm、壁厚8 mm的軟管。相鄰管道采用卡扣連接，流量?jī)x與管道采用法蘭連接，壓力變送器與管道通過(guò)法蘭連接，管道與混凝土泵連，料漿從混凝土泵出口蹦出后流經(jīng)管道被泵送回混凝土泵料斗。第一個(gè)儀表隔膜與混凝土泵出口之間有一段2 m長(zhǎng)的緩沖管，防止壓力過(guò)大使隔膜受損。為監(jiān)測(cè)管內(nèi)壓力，共設(shè)置差壓式壓力變送器5個(gè)，分別測(cè)定不同管網(wǎng)參數(shù)對(duì)混凝土泵送的影響。

圖1 環(huán)管系統(tǒng)

圖2 環(huán)管試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)管道布置圖

表1 各段管道參數(shù)

1.2 檢測(cè)方式

該系統(tǒng)檢測(cè)儀表包括用于檢測(cè)管道壓力的壓力變送器和檢測(cè)管道流量的流量計(jì)。在所測(cè)管道兩端安裝隔膜來(lái)檢測(cè)混凝土料漿流經(jīng)管道的壓力變化，壓力變送器采用泥漿專用型差壓變送器 T35S。流量計(jì)采用智能電磁流量計(jì)T711，主要由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，基于法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行工作，可用于測(cè)量泥漿、礦漿、制漿等固液兩相懸浮液體的體積流量。

1.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用智能數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)將流量計(jì)和差壓變送器的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接，通過(guò)采集軟件將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成流量和壓力信號(hào)并采集輸出數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 配合比

選取5組具有代表性的配合比進(jìn)行環(huán)管實(shí)驗(yàn)，它們的配合比和坍落度分別如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 料漿制備。料漿制備采用人工稱料，然后倒入攪拌機(jī)攪拌5 min。攪拌機(jī)額定容量為60 L，由于環(huán)管系統(tǒng)所需的料漿為120 L，故分為兩次拌料。

(2) 系統(tǒng)準(zhǔn)備及潤(rùn)管。將流量?jī)x和壓力變送器與數(shù)據(jù)采集卡相連，將數(shù)據(jù)采集卡與電腦相連，通過(guò)電腦中的數(shù)據(jù)采集軟件采集數(shù)據(jù)。打開(kāi)電源及軟件，在空管的情況下，將所有的壓力變送器調(diào)零。為了防止混凝土料漿粘在管道內(nèi)壁而造成堵管，環(huán)管實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，需要用水泥漿潤(rùn)管。實(shí)驗(yàn)前將水泥和水按照1:1的比例制備水泥漿60 L，倒入混凝土泵的料斗，開(kāi)啟混凝土泵讓水泥漿在循環(huán)管路中循環(huán)5 min。

(3) 管路循環(huán)。待料漿制備好后，排除循環(huán)管路中的水泥漿，然后將濕噴料漿轉(zhuǎn)移到混凝土泵的料斗中。開(kāi)啟混凝土泵送機(jī)，將管道中剩余的水泥漿排除循環(huán)管路外，待系統(tǒng)穩(wěn)定后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)定數(shù)據(jù)采集的頻率為每秒1次。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)混凝土泵的泵速改變流量，并測(cè)量不同流量條件下的管內(nèi)阻力變化。

(4) 管路清理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需立即將混凝土泵送機(jī)和循環(huán)管路清理干凈，以防混凝土凝結(jié)在管道內(nèi)壁對(duì)下次實(shí)驗(yàn)造成影響。首先將混凝土泵送劑料斗中的料通過(guò)環(huán)管排除，然后將清洗球放置在柱塞口內(nèi)，通過(guò)擺管進(jìn)入到循環(huán)管內(nèi)，然后在料斗中注入水，通過(guò)水壓清洗球的方式將管道中的混凝土排出管道。隨后將環(huán)管拆解，將管道和儀器清理干凈。

3 環(huán)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 管內(nèi)差壓與流速的關(guān)系

選取坍落度為150 mm的第四組作為標(biāo)準(zhǔn)組，用來(lái)分析不同管道內(nèi)差壓與流速的關(guān)系。經(jīng)過(guò)分析整理，各段管道的差壓如表3所示。將表3的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單位長(zhǎng)度(1 m)的差壓，結(jié)果如表4。

表3 各段管道的差壓

表4 各段管道單位長(zhǎng)度(1 m)差壓

從圖3可以看出，單位長(zhǎng)度D80 mm直管的管內(nèi)差壓＜D80~65 mm的變徑管管內(nèi)差壓＜D65 mm直管管內(nèi)差壓。隨著管內(nèi)流速的增加管道內(nèi)的差壓幾乎呈線性增加，且D65 mm增長(zhǎng)最快，D80~65 mm次之，D80 mm增長(zhǎng)最慢。因此管道阻力與管道半徑有著密切的關(guān)系，管道半徑越小，管內(nèi)阻力越大，增加管道半徑有助于降低管內(nèi)阻力。

圖3 單位長(zhǎng)度直管差壓與流速的關(guān)系

從圖4可以看出，單位長(zhǎng)度的R260 mm彎管的差壓明顯高于R500 mm彎管的差壓，因此曲率半徑較小的彎管明顯大于曲率半徑較大的彎管，隨著流速的增大，管內(nèi)差壓呈線性增加，且管徑較小的彎管內(nèi)差壓增長(zhǎng)較快。因此增大彎管的曲率半徑有助于降低管內(nèi)阻力。

圖4 單位長(zhǎng)度彎管差壓與流速的關(guān)系

3.2 不同管道壓力與坍落度的關(guān)系

對(duì)各組不同坍落度時(shí)的管道內(nèi)的差壓進(jìn)行分 析，結(jié)果如表5，轉(zhuǎn)換為單位長(zhǎng)度(1 m)的差壓，結(jié)果如表6。

從圖5可知，當(dāng)料漿坍落度相同時(shí)，D80 mm管道差壓明顯大于D80~65 mm變徑管和D65管道差壓，當(dāng)料漿坍落度增大時(shí)管內(nèi)差壓明顯降低，且對(duì)不同管網(wǎng)參數(shù)的管道內(nèi)差壓的區(qū)別變小。因此，提高料漿的坍落度有助于降低濕噴混凝土管道輸送阻力，也有助于提高料漿輸送對(duì)不同管網(wǎng)的適應(yīng)性。

表5 不同管道管內(nèi)差壓與坍落度的關(guān)系

表6 不同管道單位長(zhǎng)度(1 m)管內(nèi)差壓與坍落度的關(guān)系

圖5 單位長(zhǎng)度直管差壓與坍落度的關(guān)系

從圖6可知，當(dāng)料漿坍落度相同時(shí)，曲率半徑較小的彎管其管內(nèi)差壓大于曲率半徑較大的彎管，而隨著料漿坍落度的增大，不同曲率半徑的彎管內(nèi)的差壓都隨之降低，二者之間的差別逐漸縮小，因此，提高料漿的坍落度有助于降低濕噴混凝土在彎管內(nèi)的管道輸送阻力，也有助于提高料漿輸送對(duì)不同管網(wǎng)的適 應(yīng)性。

因此為了提高濕噴混凝土的可輸送性，可從兩方面采取措施：一是通過(guò)增大管道半徑和彎管的曲率來(lái)改善管網(wǎng)參數(shù)；二是通過(guò)提高料漿的坍落度來(lái)提高料漿對(duì)不同參數(shù)管網(wǎng)的適應(yīng)性。

圖6 單位長(zhǎng)度彎管差壓與坍落度的關(guān)系

4 濕噴混凝土管道堵塞機(jī)理

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)第1組和第5組發(fā)生多次堵管事故，表明砂石比過(guò)小或者料漿有離析現(xiàn)象時(shí)就易產(chǎn)生管道堵塞。當(dāng)砂石比過(guò)小時(shí)，由于粗骨料過(guò)多，容易造成骨料擠軋卡阻，向管壁四周膨脹，進(jìn)而破壞了砂漿潤(rùn)滑層形成骨料的集結(jié)，在泵送壓力的作用下，灰漿被從這些集結(jié)物的縫隙中擠出，最終形成失漿狀態(tài)的粗細(xì)骨料嚴(yán)重鑲嵌的拱，致使混凝土與管壁摩擦阻力迅速增大，再大的泵送壓力也無(wú)法進(jìn)行泵送，形成了管道堵塞[7?8]。當(dāng)濕噴混凝土產(chǎn)生離析現(xiàn)象時(shí)，產(chǎn)生離析的砂漿在泵壓作用下，漿體很快被“送走”，將粗骨料滯留在管道中，隨著骨料的不斷沉積，沒(méi)有了漿體的潤(rùn)滑作用便易發(fā)生堵管[9?10]。

除了濕噴混凝土料漿制備不合理容易造成管道堵塞外，管網(wǎng)參數(shù)不合理也會(huì)造成堵管現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)變徑管和彎管是最容易發(fā)生管道堵塞的地方，在變徑管中，隨著管道直徑的變小，骨料容易發(fā)生卡阻，漿液在泵送壓力的作用下被泵出，留下粗骨料集結(jié)在變徑管中造成管道堵塞。在彎管中固體栓的前進(jìn)方向需要改變，容易破壞潤(rùn)滑層從而造成管道堵塞。

5 結(jié) 論

(1) 對(duì)于直管，隨著管內(nèi)流速的增加管道內(nèi)的差壓幾乎呈線性增加，管道阻力與管道半徑有著密切的關(guān)系，管道半徑越小，管內(nèi)阻力越大，增加管道半徑有助于降低管內(nèi)阻力。

(2) 對(duì)于彎管，隨著流速的增大，管內(nèi)差壓呈線性增加，且管徑較小的彎管內(nèi)差壓增長(zhǎng)較快，因此增大彎管的曲率半徑有助于降低管內(nèi)阻力。

(3) 提高料漿的坍落度有助于降低濕噴混凝土管道輸送阻力，也有助于提高料漿輸送對(duì)不同管網(wǎng)的適應(yīng)性。

(4) 為了提高濕噴混凝土的可輸送性，可從兩方面采取措施：一是通過(guò)增大管道半徑和彎管的曲率來(lái)改善管網(wǎng)參數(shù)；二是通過(guò)提高料漿的坍落度來(lái)提高料漿對(duì)不同參數(shù)管網(wǎng)的適應(yīng)性。

(5) 揭示了當(dāng)砂石比過(guò)小和料漿離析時(shí)管道堵塞的機(jī)理，前者由于粗骨料過(guò)多，容易造成骨料擠軋卡阻，向管壁四周膨脹，進(jìn)而破壞砂漿潤(rùn)滑層形成骨料的集結(jié)，后者由于料漿離析造成骨料沉積而產(chǎn)生堵管。

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(2018?10?04)

孟 科(1994—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事金屬礦開(kāi)采技術(shù)、不良巖體巷道支護(hù)工作，Email: 2454304880@qq. com。