王台铺煤矿高水膨胀材料充填管路布置研究

颜丙双，胡炳南，黄晋兵

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;3.晋城煤业集团王台铺煤矿，山西晋城048000)

1 高水膨胀材料充填开采概况

1.1 背景

随着我国煤炭资源的不断开采，“三下”压煤的合理高效开采问题已成为我国煤炭资源可持续发展和矿区生产稳定发展的重要问题［1］，据对国有重点煤矿的统计，全国压煤量约13.79Gt，其中建筑物下压煤为8.76Gt，村庄压煤又占建筑物下压煤的60%。从地域上看，人口密集、村庄集中的河北、山东、河南、安徽、江苏 (平原地区)5省村庄下压煤量占到全国村庄下压煤量的55%以上［2－3］。

王台铺煤矿于1958年建井，迄今开采时间长达50多年，加之近年来矿井生产能力的大幅度提升，在煤矿现有开采技术条件下的煤炭可采资源量将近枯竭，预计在2014年前半年正规综采工作面将回采结束。剩余地质储量多数为建筑物下压煤，可采煤层中9号煤层压煤约19.753Mt，主采15号煤层压煤约为37.707Mt，两煤层具备可采条件的“三下”压煤总量达57.46Mt。为了提高矿井采出率，延长矿井服务年限，在充分调研的基础上决定采用高水膨胀材料刀柱式充填开采技术进行“三下”压煤开采［4－6］。

1.2 高水膨胀材料介绍

高水膨胀材料是一种新型的充填材料，材料由基料和辅料组成。基料为粉煤灰、赤泥等硅质材料，辅料为石膏、石灰、水泥和膨胀剂。将基料、辅料与水充分搅拌混合后，制成水料的质量比为(1.3～1.5)∶1左右的充填料浆。其良好的流动性、足够的稳定性和较高的抗压性，使其在回收“三下”压煤中得到广泛的应用。

1.3 高水膨胀材料充填工艺

高水膨胀材料充填开采依靠材料自身良好的流动性，在地面进行制浆，通过管道输送系统输送至工作面，经工作面管路输送至采空区进行充填，凝固后的充填体可以有效地代替原煤体支撑顶板，控制上覆岩层移动［7］。

高水膨胀材料充填系统包括地面制浆系统、料浆输送系统和工作面充填点3部分。地面制浆系统包括初浆罐、辅料罐和成浆罐，罐内安装有搅拌电机，初浆制备完成后和辅料一起进入成浆罐继续搅拌，搅拌好的成浆经料浆输送系统到工作面充填点进行充填，工艺流程如图1所示。

图1 充填工艺流程

2 管道布置设计

2.1 干路管选取

2.1.1 管道流速计算

充填料浆属于固液两相流，当流速过低时，料浆中的固体成分容易沉积在管道底部，磨损管道或造成堵管事故，影响充填作业的顺利进行;速度过大时，浆体与管道的摩擦阻力增大，对管道接头和转弯处损伤较大。因此存在一个临界流速，使得浆体中所有的固体颗粒悬浮且压力损失最小。

根据目前矿山充填中应用较多的费翔俊临界流速公式来计算［8］:

式中，Vc为临界流速;D为管道直径，取125.0mm;Sv为料浆的体积浓度，取0.87g/ml;ρs为颗粒密度，取2.06mg/mm3;ρm为料浆密度，取1.53mg/mm3;ω－为颗粒平均沉降速度，取0.005m/s;es为悬浮效率系数，取0.90。

将以上参数带入公式 (1)，计算得临界流速Vc=0.65m/s，参照我国矿山充填开采的经验，实际流速一般为临界流速的2～3倍，考虑到王台铺煤矿充填系统最大充填能力为120m3/h和浆液输送要求，设计浆液流速为2.2m/s。根据体积流量计算公式:

式中，Q为体积流量;V为流速。将Q=120m3/h，V=2.2m/s代入得D=138.9mm，即管路内径应不小于138.9mm。

2.1.2 管道壁厚计算

充填管道壁厚δ按下式计算:

式中，P为管道所受最大压强，按公式P=ΔH·γ计算，其中ΔH为充填管道竖直段的高差，γ为料浆容重;D为管路内径，取138.9mm; ［σ］为钢材抗拉许用应力，当δ＜16mm时，［σ］一般在112～170MPa之间，取16Mn钢163MPa为例进行计算;K为磨损腐蚀量，取3.0mm。

代入得δ=4.52mm。因充填料浆会对管路造成较大的磨损，壁厚考虑2倍的富余量［9］，则管路的壁厚不小于9.04mm，因此，设计管道壁厚为10mm。

2.1.3 管道型号

根据以上计算结果，参考《热轧无缝钢管品种》(GB8163，GB17395)，选取管道规格为 φ159mm×10mm的16Mn无缝钢管做为井下充填干管的充填管路。

2.2 干路管布置

2.2.1 管道输送水力损失分析

浆体在进行管道输送时，除了浆液与管道的摩擦损失之外，每当直线流动受到管路元件的扰动时，就会产生一个局部水里损失，叠加在直管段的沿程损失上，因此管道的水力损失包括沿程损失和局部损失2部分。由能量方程:

式中，f为沿程阻力系数，L为管路长度，D为管路直径，K为管件局部损失因数。由式 (4)可知，当充填钻孔位置和工作面位置确定以后，其输送距离是一定的，水力损失由局部损失决定，管道部分元件的局部损失系数如表1，表2。

表1 弯头局部损失因数

表2 3种常用阀门的局部损失因数

由表1，表2可知，当阀门开口较小时，其损失因数远远大于沿程损失因数和弯头损失因数，例如对于直径150mm的闸阀，开度为1/8时，其局部损失因数为74;对于转弯角度为180°弯头，当螺纹连接时局部损失因数仅为1.5，相差甚大。因此，应合理选择管路型号，避免长期使用阀门调节流量，这样一方面减小料浆输送阻力，另一方面避免阀门磨损，阀门在使用过程中应尽量保持较大的开度。当阀门开度为100%时，局部损失:闸阀＜蝶阀。

2.2.2 干路管布置

充填干路管从钻孔底部沿最近的开拓巷道路线布置到工作面，管路布置时应保持平直，避免管路的起伏波动。为不影响巷道的使用，管道可沿顶板进行布置，当煤层采高较大时，考虑到管道维修处理方便，可布置在巷帮。王台铺煤矿充填开采试验区煤层采高为2.6m，故管路沿顶板进行布置;水平段管路长度为501m，只在管路进口和工作面处安装阀门，减小管路输送阻力。

2.3 工作面管路布置

充填倍线是指充填管路总长度与竖直段的长度之比，高水膨胀材料具有良好的流动性，试验证明其充填倍线可达到10以上。当充填倍线大于10时，为增加出浆口压力，应考虑管道口做变径处理。工作面管路根据实际情况，可选择多条布置或单条布置;根据支巷的顶板条件，充填管出浆口位置分为巷口布置和顶板最大标高点布置，如图2。

工作面管路布置有4种方式:

(1)单条管路布置在巷口 优点为:管路布置简单，容易操控。缺点为:无备用管路，对顶板高差变化较大的支巷适用性差，可靠性降低。适用条件为:充填倍线小，一次充填，支巷顶板起伏不大。

图2 支巷内充填管路布置

(2)多条管路布置在巷口 优点为:具有备用管路，可靠性高。缺点为:管路布置复杂，无法控制各管路内的浆液流速一致，存在堵管风险。适用条件为:充填倍线大，分次充填，支巷顶板起伏不大。

(3)单条管路布置在最高点 优点为:管路布置简单，容易操控。缺点为:无备用管路。适用条件为:充填倍线小，一次充填，支巷顶板起伏较大。

(4)多条管路布置在最高点 优点为:具有备用管路，可靠性高。缺点为:管路布置复杂。适用条件为:充填倍线大，分次充填，支巷顶板起伏较大。

3 充满率影响因素

充填开采是依靠充填体来代替原煤层支撑顶板，控制地表下沉。要使充填体起支撑作用，应保证至少部分充填体接顶［10］。如果空间未充满，造成顶板大面积悬空，势必影响作业安全。而近水平煤层进行充填开采时，由于煤层本身倾角较小，不利于高水膨胀材料的流动，更难保证采空区充满接顶。以下从几个影响因素分析近水平煤层高水充填体接顶情况。

3.1 支巷倾角

近水平煤层支巷充填对采空区的充满率要求更高，同等的充满率，近水平煤层支巷的欠接顶距离远大于倾斜支巷。例如当支巷最高点充填体欠接顶量为300mm时，倾角为10°的支巷欠接顶距离为1.70m;倾角为 0.5°的支巷欠接顶距离则为34.4m。

3.2 材料泌水率

高水膨胀材料在固化反应以后，其固结体表面会泌出一层清水，泌水量与料浆含水量之比，称为高水膨胀材料的泌水率。理想状态下，高水膨胀材料的泌水率为0时，采空区可以完全充满，但高水膨胀材料的泌水率是客观存在的，一般控制在3%以下。材料泌水的存在减小了支巷的有效充填体积，泌水率越大，采空区充满率越低。

3.3 支巷顶板起伏

支巷顶板起伏是影响支巷充填率的不可改变因素。支巷的顶板起伏变化，不利于浆液的充满，起伏越大，顶板凸起空间越不易被充满，采空区的充填效果越差。

3.4 出浆口位置

管路充填出浆口位置的合理选择，可以保证充填作业的顺利进行。在近水平煤层充填中，如上所述，较小的欠接顶量可以造成较大的欠接顶距离，充填管路本身直径也是一个不可忽略的因素。

为了保证近水平煤层支巷充填顺利进行，必须采取各种措施提高支巷充满率。管路布置作为一个可控因素，以下将通过工业性试验进行分析。

4 试验区管路布置及充填试采效果分析

4.1 试验工作面管路布置

充填干路管布置如图3所示。工作面管路只对多条管路的布置方式进行了试验比较，分别在1号、2号支巷进行。其中1号支巷布置在巷口，2号支巷布置在最大标高处，每条支巷内布置3条充填管路。工作面充填管选用φ120mm钢丝缠绕塑料管，沿顶板吊挂。试验各支巷参数如表3所示。

图3 试验工作面充填干路管布置

表3 试验充填支巷参数

正常充填时，料浆温度在40～60℃之间，工作面充填软管会受热伸长，为保证其悬挂牢靠，在密闭墙外侧，采用钢板托槽对软管进行吊挂，支巷内采用钢链加塑料扎带进行加密吊挂。每趟管路都平行铺设1条排气管，排气管管口吊挂在充填软管管口的后上方，距离不小于1m，防止充填过程中浆液进入将其堵塞。试验工作面管路布置及支巷内软管布置如图4所示。

图4 工作面端头管路布置形式

4.2 充填试采效果

4.2.1 充填数据统计

此次充填试验共进行4d，累计充填量2500m3，累计充填时间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图5所示。

图5 试验支巷充填量统计

充填试验时，系统自动化控制系统处于调试阶段，故只对初浆体积进行了统计。根据材料性能，初浆浆液加入辅料搅拌后，凝固体体积较初浆会增大10% ～20%。1号支巷实际充填初浆量1105m3，理论充填体体积为1215.5～1326m3，1号支巷实际需充填量约1350m3。2号支巷实际充填初浆量1140m3，理论充填体体积约1254～1368m3，2号支巷实际需充填量约1300m3。

充填时，1号支巷排气管没有溢流浆液，2号支巷挂在顶板最高点的排气管已经开始溢流浆液，说明2号支巷内已经充满，即停止充填。根据2号支巷数据计算加入辅料后初浆的体积变化率约为14%，则1号支巷约充填1259.7m3。

4.2.2 应用效果分析

根据以上数据，1号支巷充填率为93.3%，2号支巷充填率为100%，可以看出，对于顶板有起伏的近水平支巷，2号支巷的管路布置方式更有利于支巷的充满。在充填过程控制方面，1号支巷在即将充满时，需对管路阀门进行调节，避免发生堵管，2号支巷则不需要此操作。

对于顶板有起伏的近水平支巷，管路出浆口布置在巷口和最高点都具有较高的充满率，但管路出浆口布置在最高点更优，且在充填过程控制及管理方面简单，更适合此种地质采矿条件下的充填开采。

5 结论

通过对管路布置的技术理论分析及充填试验研究，得出以下结论:

(1)通过理论计算，对王台铺煤矿充填试验区进行了管道选型，规格为φ159mm×10mm，并对干路管和工作面充填管路布置进行了初步技术分析，通过工业性试验，证明管道布置达到设计要求。

(2)工作面管路布置方式是影响近水平煤层支巷充满率的一个重要因素，管路出浆口布置在顶板最大标高点对于顶板起伏较大的水平支巷具有更好的适应性。充填试采结果表明，在王台铺煤矿的地质采矿条件下，管路布置在巷口的充满率可达93.3%，管路布置在最高点的充满率可达100%。

(3)工作面管路布置方式及位置的选择，应充分考虑现场条件并合理选用管路型号，对于造价较高的耐压胶管，深入支巷内过长会造成较大的浪费，浆液到达工作面后水头压力已经不大，可选择经济合理的塑料胶管。

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