矿井膏体充填泵送工艺的设计与研究

陈玉泰

（山西潞安工程有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

随着国家不断出台煤炭绿色开采政策，大力支持矿井投建绿色开采项目，作为技术相对完善的膏体充填工艺技术得到各煤矿企业的青睐，煤矿膏体充填项目大量投建，2019—2022 年仅山西省内就有十多家煤矿企业筹建投产，但泵送工艺控制一直是各膏体充填项目急需优化的技术难点，充填过程中堵管、废孔时常发生，造成极大的经济损失。

1 矿井膏体充填泵送工艺设计

矿井充填泵送工艺流程分为：管道注水→灰浆推水→充填料推灰浆→正常（轮流）充填→灰浆推充填料→水推灰浆→打风。

管路注水：管道充满水后，关闭排气阀，充填泵处于待运转状态，完成管路、阀门漏水检查。

灰浆推水：搅拌楼生产的灰浆通过布料斗进入充填泵储浆斗，灰浆料位大于充填储浆斗的2/3 后，开始泵送，生产时通过控制布料斗下料速度保持充填泵储浆斗料位一直高于2/3 处。

充填料推灰浆：灰浆泵送完设计方量，管道输送正常，紧跟生产泵送充填料。充填面条带口见到灰浆后（被水稀释的灰浆）切换布料阀，使灰浆充入隔离好的条带。

正常（轮流）充填：充填料通过充填泵加压后，经过充填管路系统，充入已布置好的条带内。全程由地面集控系统下达充填方量任务和设定材料配方，自动按照填充流程完成后续各阶段的充填工作，直至充填结束[1]。

灰浆推矸石浆：充填计划方量完成后，开始生产灰浆，灰浆生产量大于总管路容量的2/3。灰浆推矸石浆的目的是隔离水和矸石浆，避免因水和矸石浆混合造成矸石浆离析，发生堵管事故。

水推灰浆：开始打灰浆后，关注背压阀压力示数，并在打完灰浆后紧跟打水。当背压阀压力示数升高时，打开连接排污软管的布料阀，待排污软管开始流出水（灰水混合物），关闭充填管末端充填阀门，断开与充填软管的连接。继续打水，开始清洗管道，并对主管路末端的阀门进行清洗。

打风：在充填条带充填侧巷道口见到清水后汇报集控中心开始打风。直至井下管路不见水后，汇报至集控中心关闭打风阀门，确认地面充填站停风以后，关闭充填管路所有阀门，结束冲洗工作。

膏体充填管路系统的功能是在充填泵泵送压力或自重压力作用下将膏体充填材料安全输送至待充填区，主要由地面工业泵、地面充填管路、充填干线管路、管路压力在线检测系统、充填工作面管路、排水管路及其配套阀组等组成。整个工艺通过智能控制系统联动控制，保证充填膏体正常充入采空区。

2 管路设计

2.1 地面管路布置

地面充填管路是充填泵与充填立管连接的通道，与充填泵出口高度基本保持同一水平，通过弯管与立管连接，沿途设置放气孔、清管阀。

2.2 充填立管布置

充填立管是输送膏体井上下联系通道，由安装在立孔内耐磨无缝钢管组成，根据各矿井煤层深度决定立孔深度。

2.3 充填干线管路系统

充填干线管路系统由充填干线管、保障阀、三通泄浆阀、压力监测阀、清管阀、伸缩阀等其他辅助配件组成。

2.4 充填干线管路参数设计

影响充填管路壁厚、管径及耐压强度等参数选取的因素主要有膏体特性、流量、流速、输送距离、高差、管道特性等。设计参考类似条件下管输膏体长期观测经验数据及国家相关规范标准确定流速参数、并根据设备性能、输送能力等选择管径、壁厚、压力等参数。

2.4.1 管内充填料浆的流速

充填膏体材料在充填管内输送时，最理想的充填状态是“柱塞状”流态，当材料性能条件达到时，充填材料可以达到无临界流速，根据管壁材质及充填料性能，充填料在管道内输送克服管道摩擦阻力和势能。充填膏体流速越快，消耗的动能越大，管道壁承受的静压越大，因此合理的选择充填料的流速，是保证充填膏体的流速，根据实验室膏体压力泌水测试、管道内径和布料出口压力，在充填方量保证在150m3/h 以上，选择最佳流速1.8m/s[2]。

2.4.2 充填干线管路内径

充填主线路管径的选择主要根据流速的选择和泵送方量的设定，选定流速1.8m/s，根据充填系统设计能力，计算管道内径。同时为达到充填管道“满管流”的先决条件，管径选择越小越好，管道内不宜产生气泡、射流，立孔空管等问题，管道铺设更加便捷[3]。

按照充填能力和流速，可根据式（1）计算出充填管路内径。

式中：D——充填管路内径，mm；Qj——充填系统能力，m3/h；Vj——管路内充填料的流速，m/s，取1～2m/s。

假设矿井充填系统能力150m3/h，根据计算：充填管路的理论最小内径为163～230mm。

2.4.3 泵送工作压力

充填系统压力与充填料浆的流动性能、充填系统管路长度成正比关系。

根据《混凝土泵送施工技术规程》（JGJT 10—2011），泵送压力与泵送能力、管径的关系的计算如式（2）至式（4）所示。

式中：Lmax——充填管路最远距离，山西某矿充填管路=地面管道+立管+井下干线管道=50+580+2870+1000=4500m，地面管路约50m，立管580m，斜巷管道长2870m向上倾角约6°，水平距离约1000m；P——充填泵泵送压力，Pa；R0——充填管内半径，m；K2——速度系数；τ2/τ1——膏体分配阀切换时间与推压时间之比，取0.3；Q——泵送能力，m3/h，取150m3/h；α2——径向压力与轴向压力之比，对普通混凝土取0.9；S1——坍落度，mm，取280mm；γ——膏体密度，kg/m3，取1800kg/m3；ΔH——管路进出口高差，580-300=280m；g——常数，取9.8。

依据充填能力的要求及充填开采方案设计，膏体充填能力按照150m3/h 验算泵送压力及管径，充填能力一定前提下，泵送压力随充填距离增大而增大，泵送压力与管径大小呈反向增长趋势。为选取管径与泵送压力最佳匹配参数，满足矿井后期及输送最困难条件需要，按照最远输送当量距离4500m、对应高度落差280m 计算，泵送压力与充填管径关系如表1 所示。

表1 最远端输送泵送压力与充填管径关系

表1 数据显示，在工程条件（输送距离、高差、料浆流动性能）相同的情况下，管径偏小会造成充填系统压力过高，膏体输送难度加大，充填泵长时间高压工作，对安全运行不利。

根据充填泵运行时工作压力在15MPa 以下时，充填工作可安全、高效、持续性进行，依据公式（2）计算结果可知，此矿井充填管路的内径值不应小于210mm。

2.4.4 管路壁厚计算

计算管道的壁厚，选取矿井最低点标高作为计算参数，最低标高点位于立孔下端，井上下高差为280m，取膏体料浆比重为1.8t/m3，则膏体自重静压力为5.04MPa。充填系统最远输送压力选定为15MPa，充填管路的最危险工况点承受压力值为20.04MPa。

根据充填工程经验，年充填30 万m3的充填管道在最初阶段的磨损速度是0.7mm/年，经过初期的磨损后，管道内壁呈现出光滑的表面，磨损率降低至0.1mm/年。设计充填开采能力100 万t/年（约74 万m3），干线充填管设计寿命6 年，6 年内磨损率为0.7+0.1×（74/30）×6=2.18mm。六年后可根据管壁剩余厚度，作为支充填管使用。

根据《压力管道规范 工业管道 第3 部分：设计和计算》（GB/T 20801.3—2020），充填管道壁厚δ 的计算如式（5）所示。

式中：P——管道所受最大压强，20.04MPa；D——管路内径，210mm；[σ]——钢材抗拉许用应力，Q345B 钢管为490MPa，参照矿山充填经验，无缝钢管的允许拉应力一般取其抗拉强度的40%，则Q345 钢管允许拉应力为196MPa；K——磨损腐蚀量，取2.18mm。

代入式（5），得立孔下端充填管道最小壁厚应不小于12.92mm。

2.4.5 充填干线管路选型

依据内径及壁厚计算公式可知，充填管路理论内径值不应小于210mm，立孔下端充填管道最小壁厚应不小于12.92mm。D=210+12.92×2=235.84mm。

根据无缝钢管规格标准，选用外径245mm 无缝钢管，壁厚为17mm，材质16Mn。

3 充填膏体性能研究

充填料的工作性能直接决定着充填能否成功，主要性能参数有：材料均质性、受压泌水率、流动度、坍落度保持时间等。

3.1 均质性

充填膏体均质性主要与搅拌时间有关，目前大部分膏体充填站使用强制搅拌机拌和，为提高搅拌效率采用卧式双轴强制搅拌机搅拌，一般搅拌时间30～60s，投料顺序为骨料→胶结料→外加剂和水，骨料和胶结料预先搅拌均匀更有利于充填膏体均质，避免搅拌形成疙瘩和干粉粘壁，外加剂在称量完成后预先添加到提前称量好的水里，稀释溶解后共同掺入混合料中加速充填膏体搅拌成功[4]。通过实验投料顺序极大影响充填膏体均质性。投料顺序和搅拌时间不同产生结块重量如表2 所示。

表2 投料顺序和搅拌时间不同产生结块重量 单位：kg

从表2 数据可得出搅拌时间越长，产生的结块重量越少，均质性越好，以骨→胶→水的顺序投料产生结块重量最少，均质性最好。充填膏体中的结块越少，充填泵送越容易成功。

3.2 受压泌水率

泌水率充填膏体泌水与混凝土泌水原理基本一致主要有骨料颗粒集配、水泥粉煤灰用量、增稠剂的选择，受压泌水主要原因是物料整体粒度级配缺陷，粗细分离导致分层、泌水，可直接造成管道堵塞。在水泥和粉煤灰细度确定的情况下，提高充填膏体保水性能的方法如下。

（1）增加水泥用量，提高充填膏体的整体胶结能力，初始水泥水化反应提高整体性能粘聚力。增加保水性能，但后期水化收缩比例增大。

（2）增加骨料含粉量，粉尘颗粒水润后更容易吸附在大颗粒表面，极大的比表面积提供更大表面吸附力，牢牢锁住水分流失，降低泌水概率。

（3）增加增稠外加剂，纤维醚、糊精等增稠剂提供混合料液相不溶物悬浮力，使充填膏体均质性更好，降低泌水比例。

（4）增加引气剂含量，适当的在充填膏体中引入气泡，有助于搅拌成品充填膏体固-液-气三相比例稳定性，降低泌水概率。

3.3 流动性

充填膏体流动性能主要影响充填接顶率，当充填膏体运送至采空区时，通过自流充满采空区，流动性越大，充填接顶成功率越高，但充填膏体流动性越大，用水量越高，充填体强度越低，同时流动性越大，充填料更不容易形成“柱塞状”流态，不利于充填工艺理论的实现。所以充填膏体在保证能接顶的前提下，尽可能增加稠度，降低流动性，减少用水量，可以有效的降低堵管风险，有利于充填膏体后期强度的提升。

3.4 坍落度保持时间

充填膏体设计为水泥胶结材料，水泥与水水化产生水泥石，降低充填膏体流动性增加塑性，随着水泥水化的不断进行，产生的水泥石越多，充填膏体流动性逐渐丧失，形成有一定强度的充填体，自立与支撑矿井采空区顶板。由于充填膏体经地面管道输送至井下距离较远，时间较长，因此充填膏体保持一定的流动性至关重要，参考混凝土泵送经验，长距离泵送，坍落度保持在220～280mm。假设输送距离4km，膏体流速1.8m/s，充填膏体输送至工作面需要37min，考虑实际充填膏体搅拌后布料、管道摩擦压力损失、出口布料等因素影响，坍落度保持时间应大于1h，才能正常泵送至矿井采空区[5]。

4 结语

目前，国内暂无膏体矿井充填泵送相关技术标准，膏体矿井充填作为一个新型行业，不仅需要在工艺设计上研究开拓，还需逐步完善自动化控制，优化管理制度，同时需要政府部门的政策推进，在保证矿井企业经济效益的同时兼顾国家能源节约、资源绿色开发、提升行业环保形象，肩负起绿色发展的社会责任。