大口径固体物料垂直投料孔设计与应用

苑飞

（冀中能源邯郸矿业集团科迈工程设计有限公司，河北邯郸 056000）

0 引言

大规模、高强度的煤矿开采在满足国民经济发展需要的同时，不可避免地造成了严重的环境问题，其中煤矸石的露天堆放和矿区地表沉陷是核心问题之一。固体充填开采技术是随着采煤工作面的推进，通过合理的充填技术与工艺向采空区输送充填物料，可实现井下掘进矸石不升至地面，同时可以处理长期堆积的地面矸石山，充填体可以支撑工作面上覆采空区岩层的垮落，进一步减小地表的沉降，达到井下资源安全、绿色开采的目的。本文以邢东矿为例，通过对固体物料垂直投料孔孔径大小计算、对投料钻孔耐磨投料管管壁结构的分析，本着成本低、工期短、系统简单可靠的原则，设计了邢东矿大口径固体物料垂直投料孔，即自地面向井下开拓一个垂直钻孔，在孔内安装一个耐磨投料管，从而形成固体物料的运输通道，有效实现地面固体物料合理、快速运输至井下。

1 概况

邢东矿井田范围内村庄及工业广场煤柱等大量建筑物下保护煤柱的存在严重影响矿井的生产采掘规划，但由于村庄搬迁费用较高、搬迁难度较大，因此矿井应用充填开采技术解放村庄压煤，将井下矸石回填置换永久煤柱，解放了大量呆滞资源。由于矿井生产能力的提升，现有的井下掘进矸石已不能满足充填需求，因此设计采用垂直投料孔将地面矸石物料运至井下。根据充填需求，设计充填能力450 t/h，减少地面矸石堆放带来的生态环境影响。

2 投料方式

将固体充填物从地面输送至井下，目前常用的方法有副井提升法、双井筒托盘式输送法及垂直投放法。

（1） 副井提升法。对于立井开拓的矿井，当投料量较小时，可通过副井提升的方式将固体充填料返运至井下。此方法可充分利用矿井现有生产系统，不需增加额外工程。但其主要缺点一是受副井提升能力的限制，加剧了辅助提升的压力；另一方面副井提升不能现实固体充填料的连续化运输，制约了井下对固体充填料的需求量。因此该方法多用于辅助提升较富裕，且井下物料需求量相对较小的矿井。

（2） 双井筒托盘式输送法。双井筒托盘式输送法主要是利用地面驱动系统带动固体充填料投放系统运转，固体充填料通过地面运输系统运输至一个投料井内，盛料托盘在井底将物料卸落在井下运输带式输送机上，托盘自动翻转进入另一个投料井。该方法可以满足不同粒径的物料投放需求，且结构较简单，不易发生投放物料的堵塞。但该方法缺点为系统较复杂，当井筒较深时工程投资较大。

（3） 垂直投放法。垂直投放法是在地面向下施工一个垂直钻孔，在该孔内安装耐磨管道，固体充填料通过管道至井下。这种方法的主要优点是可以连续通过投放的物料，系统简单可靠。但是由于物料自由落体运动向下，当垂深大时物料下落点速度很大，因此需设置井下缓冲仓，并安排人员协调控制，同时若发生投料孔堵塞，疏通有一定困难。

邢东矿矿井采用的固体充填料为矸石，矿井始建于1998 年，经多年升级改造，其生产能力由原设计60 万t/a 提升至125 万t/a，副井富裕能力已无法满足60 万t/a 的矸石返运能力。投料点地面距井下约766 m，若采用双井筒托盘式输送法则投资大，工期长。因此本着工期短，系统简单可靠的原则，设计选用垂直投放法。

3 投料孔直径

投料孔直径关系着投料能力与成本投入。直径太小将限制充填能力，增加物料与投料管的摩擦且容易造成管路堵塞；而直径较大将增加施工难度并增加经济成本。因此应结合邢东矿矿井实际选择适合的直径。投料孔直径的选择主要由固体料最大颗粒直径和单位时间内所需投料量决定。

3.1 根据固体料最大颗粒直径计算

在固体充填料投放过程中，首先要保证固体充填料不能在投料孔中形成堵塞，其次要使得固体充填料与投料孔之间的摩擦尽量少。随着固体充填料直径的不断增大，在同一投放截面上，固体充填料可能形成自稳结构。通过理论分析可知，当固体充填料在投料孔中自稳结构存在2 种情况（充填固料近似为球体）。

（1） 小球粒径r＞1/3 投料孔直径。

当小球粒径r＞1/3 投料孔直径时，投料孔中同一截面小球数量小于3 个，可能形成如图1 所示的自稳结构。

图1 三球稳定结构Fig.1 Three-ball stable structure

根据力学分析，上述3 个小球任意一个均可满足受力平衡。即在满足一定摩擦系数条件下，小球可能形成自稳结构，当小球粒径大于1/3 投料孔直径时，投料孔可能会堵塞。

（2） 小球粒径r＜1/3 投料孔直径。

当小球粒径r＜1/3 投料孔直径时，投料孔中同一截面上小球数量大于3 个，以4 个固体料小球为例，孔内同一截面可形成如图2 结构。

图2 双球接触稳定Fig.2 Two-ball contact stability

在同一截面上，以小球1 为例，在其他小球受力平衡后，其受力状态如图3 所示。

图3 1 球受力图示Fig.3 Ball 1 force diagram

图3 可以看出，1 球力矩不平衡，不可能达到平衡状态。因此在忽略孔内粘附效应时，当投料孔直径大于等于3 倍固体粒径时，投料孔将不会发生物料堵塞。根据工程以往经验判断，当径粒比为4～4.5∶1 时，投料效果最好。

采用的充填矸石经邢东矿取样测定平均粒径为50 mm，最大离散粒径为100 mm，根据上述计算，投料孔内径控制在400～450 mm 为宜。

3.2 根据单位时间内所需投料量计算

在实际投料过程中，将连续投料体视为整体考虑。在投料孔内不形成堵塞的投料直径为等效直径，投料孔直径应大于等效直径。材料等效直径与固体充填料实际投放能力有关。

（1） 平均投料量。

式中：Q1为平均投料量，t/h；α 为夯实后的充填物与原煤容重比，为2.5/1.75=1.45；A 为年生产能力，取60 万t；t 为日有效投料时间，取7 h。经计算，平均投料量为376.6 t/h。

（2） 瞬时投料量。

瞬时投料量为投料口输送机总输送能力之和，一般考虑1.2 不稳定系数，即Q=1.2，Q1=452 t/h。

（3） 充填物料初速度。

根据现场应用情况，投料管往往高出地面一定距离，从带式输送机运送至孔口的固体充填料，从水平运动变为垂直运动，充填料至投料口的初速度为：

式中：h 为带式输送机到井口的垂直高度，取0.3 m；V 为带式输送机速度，取1 m/s。

（4） 充填料下落等效直径。

式中：γ 为投料流量不均衡系数，取1.2；ρ 为投料孔中固体料平均密度，取1.6 t/m3。经计算，得d0=213 mm。

（5） 等效直径修正。

考虑投料孔垂直度、投料孔壁粘附效应、潮湿固体料粘聚作用，对计算等效直径进行修正：

式中：r1为垂直度修正系数，取1.2；r2为粘附效应修正系数，取1.3；r3为固体料粘聚修正系数，取1.3。经计算d=432 mm。

通过上述计算，同时满足固体料最大颗粒直径及单位时间内所需投料量的计算投料孔内径应大于等于450 mm。

3.3 工程类比

郭二庄矿二坑生产能力60 万t/a，投料孔深度330 m，最大投料粒径100 mm，投料能力400 t/h，投料孔内径495 mm，服务年限6 a。

邢台矿生产能力210 万t/a，投料孔深度350 m，最大投料粒径80 mm，投料能力不小于450 t/h，投料孔内径486 mm。服务年限大于15 a。

唐山矿生产能力420 万t/a，投料孔深度597 m，最大投料粒径50 mm，投料能力不小于550 t/h，投料孔内径486 mm。服务年限大于15 a。

类比上述工程，考虑矿井实际孔深垂直度要求和标准管管径等方面，设计邢东矿固体物料投料孔内径为486 mm。

4 耐磨管结构

投料孔失效形式类似于外压薄壁容器，根据壳体力学米塞斯公式，应保证圆筒体临界压力Pcr高于设计压力P。固体物料在投放时以一定的水平速度平抛，做自由落体运动，必然会与管壁发生碰撞，进而对管道有一定的摩擦损耗，碰撞轨迹如图4 所示。管道磨损程度的大小主要有受物料的水平运动初始速度和与投料管的碰撞倾角影响。因此要调整好物料的初始投放速度和抛出点的位置，减小物体碰撞次数。

图4 固体料与管壁碰撞示意Fig.4 Collision between solid material and pipe wall

（1） 耐磨管结构。

考虑摩擦碰撞的因素，设计在投料孔内安装双层耐磨投料管，管道基体为低碳钢或低合金等韧性材料，内层采用消失模真空吸铸复合工艺将高铬耐磨合金在高温热铸状态下整体复合，可以实现耐磨层抵抗磨损介质的磨损，基体承受介质的载荷，具有良好的耐磨性和抗冲击韧性的双重优点。

（2） 耐磨管壁厚。

耐磨管厚度直接影响管道价格和使用年限。而耐磨性与总投放量有关，根据实测数据，一般每百万吨充填量磨损厚度为2 mm，设计投料孔使用年限为15 a，经计算投放矸石量为1305 万t。因此耐磨层厚度应不小于26.1 mm。考虑一定富裕系数后，设计取耐磨层厚度为30 mm。

通过对孔径及耐磨层厚度计算，考虑标准管径等因素，设计耐磨管采用φ586 mm×50 mm（耐磨层壁厚30 mm，外管壁厚20 mm） 双层耐磨管结构，选用耐磨材料为高镍铬钼合金。

5 结语

邢东矿矿井投料孔于2021 年正式建成并投入使用，运行过程中矸石的储、装、运等各个环节步调一致、上下联动，各系统无缝衔接，投料孔未发生堵管现象，物料通过量大，输送简单可靠。大口径固体物料垂直投料孔可以有效实现地面固体物料合理、快速运输至井下，实现固体物料的高效输送，满足了矿井井下充填系统的正常运行，确保了矿井绿色可持续发展。