劉逸舒袁梅芳劉 棟周英烈王玉玨賓 峰

（1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院；2.飛翼股份有限公司）

眾所周知，伴隨著煤炭資源的采出，礦山井下大面積的采空區(qū)必然導(dǎo)致礦區(qū)巖層失穩(wěn)，造成地表沉陷，以及地下水與瓦斯的涌出等災(zāi)害，同時需要占用大量的土地資源來處理煤炭開采和利用過程中產(chǎn)生的固體廢棄物［1］，而膏體充填采礦是解決以上問題的有效方法。利用礦區(qū)排放的煤矸石輔以膠凝材料制成膏體［2］，然后通過管路將其輸送至井下各采空區(qū)進行充填，所以管道輸送是膏體充填工藝中的重要環(huán)節(jié)，而為了確定管道輸送的最佳工藝參數(shù)，前期必須開展管道輸送阻力測試研究。

現(xiàn)有管道輸送阻力的測試方法主要有半工業(yè)環(huán)管試驗法［3］、L管試驗法［4］以及傾斜管試驗法，其還可通過經(jīng)驗公式［5］和數(shù)值模擬軟件［6］等方法計算。其中，半工業(yè)環(huán)管試驗法可以測試料漿在不同濃度［7］、不同配比［8］、不同流速以及管徑［9］條件下的管道輸送阻力，同時因其充分考慮了膏體流動時的觸變性［10］以及管壁滑移效應(yīng)［11］，所以測試的管道輸送阻力結(jié)果與工程實際相近，在礦山行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

本研究針對某煤礦的膏體充填，通過半工業(yè)環(huán)管試驗研究了該充填料漿在管道內(nèi)的輸送性能，測試了不同流量（流速）下的管道輸送阻力，為煤礦充填管道輸送參數(shù)的設(shè)計提供參考。

1 料漿流動性研究

1.1 充填材料

煤矸石作為本次高濃度膠結(jié)充填料漿的骨料，取自山西省某煤礦，經(jīng)實驗室2PC800×700型粉碎機破碎，煤矸石骨料最大粒徑5 mm，掃描電鏡（SEM）能譜分析結(jié)果見表1。

?

從表1 可以看出，該煤矸石的主要成分為SiO2、Al2O3，另含少量K2O、Fe2O3，TiO2、CaO。煤矸石掃描電鏡（SEM）能譜分析結(jié)果表明，該煤礦產(chǎn)生的煤矸石屬于黏土巖類，而黏土巖類煤矸石比較適合作為高濃度膠結(jié)充填料漿的骨料。

試驗用粉煤灰來源于煤礦附近的發(fā)電廠，篩析結(jié)果見表2。

?

從表2 可以看出，該粉煤灰-150 μm 占98.71%，-38 μm 占75.03%，+45 μm 占22.75%，屬于Ⅱ級粉煤灰。

1.2 料漿的坍落度與泌水率

通過測試料漿的塌落度和泌水率來判斷其流動性能，結(jié)果見表3，圖1 是粉煤灰摻入量為10%（與煤矸石的質(zhì)量比10%），濃度分別為76%、78%、80%情況下的塌落度試驗結(jié)果。

?

從表3、圖1 可以看出，試驗料漿的塌落度在240～280 mm，泌水率在0.40%～2.86%；當料漿濃度為78%、粉煤灰摻入量為10%時的塌落度為270 mm，泌水率為1.45%，其流動性能較好，因此，可選用該料漿進行半工業(yè)環(huán)管試驗。

2 半工業(yè)環(huán)管試驗

2.1 試驗工藝及關(guān)鍵設(shè)備

環(huán)管試驗工藝流程見圖2，其主要設(shè)備和測量儀器有HBT80-18-200S 型活塞式輸送工業(yè)泵、2.5 m3的攪拌機、MultiSystem 5060 型液壓萬用測量裝置、ZPM317 型平面壓力變送器（安裝位置如工藝流程圖所示）、電磁流量計，其中管路采用內(nèi)徑100 mm 的鋼管，長度約300 m。

2.2 半工業(yè)環(huán)管試驗方案設(shè)計

單次環(huán)管試驗物料消耗很大，難以進行所有配比試驗，因此，試驗配比需具有代表性，可以預(yù)測相近配比料漿的管道輸送特性，通過前面料漿可泵性分析結(jié)果，本次環(huán)管試驗針對相同配比參數(shù)下的料漿，通過改變其輸送流速進行6 組試驗。采用煤矸石+粉煤灰（與煤矸石質(zhì)量比10%）+水泥（180 kg/m3）+水混合后配制成濃度為78%的充填料漿，設(shè)計流速分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m/s，流速通過調(diào)節(jié)泵送能力來改變，流速根據(jù)流量和管徑進行換算。

試驗開始前首先沖洗管路，然后開啟柱塞泵動力裝置（不啟動活塞），打開出料閥，待料漿進入泵料斗，且達到2/3 處后啟動活塞。為了保證料漿濃度的穩(wěn)定，料漿需在系統(tǒng)中連續(xù)運轉(zhuǎn)一段時間（一般10～20 min），然后開始壓力測試工作。調(diào)節(jié)泵送控制系統(tǒng)來改變流量，泵送頻率（排量）范圍為38%～72%，對應(yīng)理論流量為30～58 m3/h，每種流量條件下有效測試時間不少于5 min；通過測量直管段的壓力變送器P3 與P4 兩點和彎管段壓力變送器P2 與P3 兩點的壓力數(shù)據(jù)，從而分別計算出水平直管段與彎管段的壓力損失，其中P3 與P4 間的距離為95 m，P2 與P3 間的距離為3 m。

3 高濃度料漿環(huán)管試驗結(jié)果與分析

環(huán)管試驗可進行不同物料配比、濃度及流速條件下的全尺寸試驗，相對于其他流變學(xué)試驗方法，環(huán)管試驗?zāi)芨鼫蚀_地獲得不同輸送料漿在不同工況條件下的流變參數(shù)及管輸阻力，在試驗精度上具有不可替代的優(yōu)勢。本次環(huán)管試驗主要的研究內(nèi)容是煤礦高濃度料漿在不同流速條件下管輸阻力的變化，并開展流變特性研究，得出相應(yīng)的流變參數(shù)（包括屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)）。

試驗采用MultiSystem 5060型液壓萬用表采集各點的壓力數(shù)值，并導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件。結(jié)果顯示，不同流速下各壓力測試點的壓力變化與時間呈周期函數(shù)關(guān)系，泵在換向間隔狀態(tài)時各測點壓力不大，且波動偏?。划斕幱诒盟蜖顟B(tài)時，各測點壓力會出現(xiàn)驟增現(xiàn)象。試驗取各測點的壓力平均值為試驗結(jié)果。當料漿流速為1.0 m/s時，P1、P2、P3、P4的壓力值分別為1.127、0.966、0.906、0.456 MPa；當料漿流速為1.2 m/s時，P1、P2、P3、P4的壓力值分別為1.295、1.138、1.092、0.602 MPa；當料漿流速為1.4 m/s時，P1、P2、P3、P4 的壓力值分別為1.298、1.148、1.099、0.581 MPa；當料漿流速為1.6 m/s 時，P1、P2、P3、P4 的壓力值分別為1.550、1.355、1.300、0.679 MPa；當料漿流速為1.8 m/s 時，P1、P2、P3、P4 的壓力值分別為1.776、1.559、1.506、0.824 MPa；當料漿流速為2.0 m/s時，P1、P2、P3、P4 的壓力值分別為1.811、1.741、1.678、0.911 MPa。

通過計算壓力差與管道測點的距離的比值，得出料漿濃度為78%時的管路沿程壓力損失，見表4（測試時間為料漿均質(zhì)后在環(huán)管中循環(huán)的有效測試時間，不少于300 s），料漿流速與直管沿程壓力損失的關(guān)系模型見圖3。

?

從表4 可以看出，當料漿流速為1.0 m/s 時，直管沿程壓力損失為4.737 MPa/km；料漿流速為2.0 m/s時，直管沿程壓力損失增大到8.081 MPa/km，為料漿流速為1.0 m/s 時的1.7 倍；在相同料漿流速下，彎管段的沿程壓力損失是直管段的2～5 倍。因此，在滿足實際生產(chǎn)的前提下，應(yīng)該設(shè)計合適的充填流速，且充填管路應(yīng)盡量減少彎管段，還可以增大彎管的曲率半徑，從而減少充填管道的壓力損失。

從圖3可以看出，管道沿程壓力損失與料漿流速成正相關(guān)關(guān)系，符合賓漢流體模型。因此，在礦山充填設(shè)計選擇管道輸送參數(shù)時可適當調(diào)節(jié)泵的排量來降低料漿流速，從而減少管道內(nèi)部壓力，達到減少充填管道的磨損、延長管道使用壽命的目的。

4 結(jié) 論

（1）以山西某煤矸石（-5 mm）和附近發(fā)電廠的粉煤灰為主要原料的充填料漿塌落度在240～280 mm，泌水率在0.40%～2.86%；濃度為78%、粉煤灰摻入量為10%的料漿塌落度為270 mm，泌水率為1.45%，流動性能滿足料漿半工業(yè)環(huán)管試驗要求。

（2）半工業(yè)環(huán)管試驗結(jié)果表明，管道輸送阻力隨流量（流速）的增大而增大，且呈正相關(guān)關(guān)系；彎管段的壓力損失是直管段的2～5 倍，因此在工程應(yīng)用中可以適當降低流速、減少彎管的使用，從而降低管道內(nèi)部壓力，減少充填管道的磨損。