大统矿业超高水充填开采制浆系统设计研究.pdf

第４２卷第７期能源与环保Ｖｏｌ  ４２Ｎｏ  ７２０２０年７月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＪｕｌ．２０２０收稿日期２０２０－０３－２０；责任编辑刘欢欢ＤＯＩ１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．０７．０４９作者简介赵位位（１９８９），男，山东济宁人，助理工程师，２０１３年毕业于山东科技大学，现从事煤矿技术管理工作。引用格式赵位位，匡磊，刘大虎．大统矿业超高水充填开采制浆系统设计研究［Ｊ］．能源与环保，２０２０，４２（７）２１６  ２２２．ＺｈａｏＷｅｉｗｅｉ，ＫｕａｎｇＬｅｉ，ＬｉｕＤａｈｕ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆｉｌｌｉｎｇｓｌｕｒｒｙｓｙｓｔｅｍｏｆｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｍｉｎｉｎｇｉｎＤａｔｏｎｇＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（７）２１６  ２２２．大统矿业超高水充填开采制浆系统设计研究赵位位１，匡磊２，刘大虎３（１．大统矿业有限公司，山东济宁２７２０００；２．青岛天安重交沥青有限公司，山东青岛２６６５００；３．山东省天安矿业有限公司星村煤矿，山东济宁２７２０００）摘要煤炭作为我国的主要能源，在国民经济发展中具有不可取代的作用。矿井面临资源枯竭的困境时，尽可能多地采出煤炭是企业存续发展的当务之急。山东省兖州市大统矿业有限公司杨庄煤矿九采区３煤层１９９７２００５年进行了开采，由于受当时设备和技术的限制，仅回采一分层２．２ｍ。为挖掘企业潜力，充分利用煤炭资源，采用超高水充填法开采剩余分层和浅部煤炭资源。结合矿井实际情况提出适应矿井的高水充填系统布置方案，在地面建设制浆站，通过专门的设备将材料骨料制成浆液，然后运用管路将浆液输送至采空区进行充填。超高水材料制浆充填系统可服务于九采区全部充填工作面，每小时制浆生产能力为３２０ｍ３，每天生产１班８ｈ，约２５００ｍ３可以满足２个工作面的充填开采需要，极大提高了制浆充填效率，取得了良好的效果和经济社会效益。关键词充填开采；超高水充填；安全高效；绿色开采；地表沉陷控制中图分类号ＴＤ８２３．７文献标志码Ａ文章编号１００３－０５０６（２０２０）０７－０２１６－０７Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆｉｌｌｉｎｇｓｌｕｒｒｙｓｙｓｔｅｍｏｆｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｍｉｎｉｎｇｉｎＤａｔｏｎｇＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．ＺｈａｏＷｅｉｗｅｉ１，ＫｕａｎｇＬｅｉ２，ＬｉｕＤａｈｕ３（１．ＤａｔｏｎｇＭｉｎｉｎｇＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎｉｎｇ２７２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＱｉｎｇｄａｏＴｉａｎ ′ ａｎＺｈｏｎｇｊｉａｏＡｓｐｈａｌｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５００，Ｃｈｉｎａ；３．ＸｉｎｇｃｕｎＣｏａｌＭｉｎｅ，ＳｈａｎｄｏｎｇＴｉａｎ ′ ａｎＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎｉｎｇ２７２０００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｔｈｅｍａｉｎｅｎｅｒｇｙｉｎＣｈｉｎａ，ｃｏａｌｐｌａｙｓａｎｉｒｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅｒｏｌｅｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎａｔｉｏｎａｌｅｃｏｎｏｍｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｉｓｆａｃｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｌｉｇｈｔｏｆｒｅｓｏｕｒｃｅｅｘｈａｕｓｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｕｒｇｅｎｔｔｏｍｉｎｅａｓｍｕｃｈｃｏａｌａｓｐｏｓｓｉｂｌｅｆｏｒｔｈｅｓｕｒｖｉｖａｌａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｎｔｅｒｐｒｉ  ｓｅｓ．ＴｈｅＮｏ．３ｃｏａｌｓｅａｍｉｎＮｏ．９ｍｉｎｉｎｇａｒｅａｏｆＹａｎｇｚｈｕａｎｇＣｏａｌＭｉｎｅｏｆＹａｎｚｈｏｕＤａｔｏｎｇＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．ｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅｗａｓｍｉｎｅｄｆｒｏｍ１９９７ｔｏ２００５．Ｄｕｅｔｏｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｔｔｈａｔｔｉｍｅ，ｏｎｌｙｏｎｅｌａｙｅｒｏｆ２．２ｍｗａｓｍｉｎｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔａｐｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓａｎｄｍａｋｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｔｈｅｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｍｉｎｅｔｈｅｒｅｍａｉｎｉｎｇｓｌｉｃｉｎｇａｎｄｓｈａｌｌｏｗｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｎｅ，ｔｈｅｌａｙｏｕｔｓｃｈｅｍｅｏｆｈｉｇｈｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｍｉｎｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｌｕｒｒｙｓｔａｔｉｏｎｗａｓｂｕｉｌｔｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌａｇｇｒｅｇａｔｅｗａｓｍａｄｅｉｎｔｏｓｌｕｒｒｙｂｙｓｐｅｃｉａｌｅｑｕｉｐ  ｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｓｌｕｒｒｙｗａｓｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｄｔｏｔｈｅｇｏａｆｆｏｒｆｉｌｌｉｎｇｂｙｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｔｈｅｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈｗａｔｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｌｕｒｒｙｆｉｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｎｓｅｒｖｅａｌｌｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｓｉｎＮｏ．９ｍｉｎｉｎｇａｒｅａ．Ｔｈｅｐｕｌｐｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｐｅｒｈｏｕｒｗａｓ３２０ｍ３，ａｎｄｔｈｅｄａｉｌｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｏｎｅｓｈｉｆｔ８ｈｏｕｒｓ，ａｂｏｕｔ２５００ｍ３．Ｉｔｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｍｉｎｉｎｇｏｆｔｗｏｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｓ．Ｉｔｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｐｕｌｐｆｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄａｃｈｉｅｖｅｄｇｏｏｄｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｓｏｃｉａｌｂｅｎｅｆｉｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｆｉｌｌｉｎｇｍｉｎｉｎｇ；ｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇ；ｓａｆｅｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｇｒｅｅｎｍｉｎｉｎｇ；ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌ０引言能源是人类社会赖以生存和发展不可或缺的重要基石，能源在人类社会中一直扮演着极其重要的角色［１  ３］。根据能源专家对我国能源结构的统计分析，到２１世纪中叶前后，我国一次能源结构中，煤炭６１２２０２０年第７期赵位位，等大统矿业超高水充填开采制浆系统设计研究第４２卷仍然将占有极大比例，我国在相当长的一段时期仍是以煤炭为主要能源的国家［４  ９］。虽然我国具有相对丰富的煤炭资源，但伴随着社会发展，我国煤炭产出和消费与日俱增，浅部煤炭资源面临枯竭的处境。同时，我国现有煤炭储量中极大一部分由于“ 三下” 问题无法安全开采，这些压煤大多集中在如江苏、山东、安徽、河南、河北等东部经济发达省份，由于村庄规模的不断扩大，村庄趋于密集化、人口分布复杂等特点而无法采出。因此，保证可持续绿色发展是 “ 三下” 采煤矿区面临的最大挑战。随着资源枯竭的趋势日益严重，专家和学者对新的开采技术进行不断研究。自超高水材料发明以来，先后在冀中能源、山东潞安矿区得到大量推广和应用。近几年大量学者和工程技术人员对超高水材料的充填机理以及材料特性进行了研究，但是对于某特定矿区采用超高水材料充填的充填系统布置的研究仍需进一步加强。为了对超高水材料充填浆体制备及充填系统优化进行研究，对山东省兖州市大统矿业有限公司杨庄煤矿九采区进行超高水材料充填开采。本文以此为背景，在地面建设制浆站，通过专门的设备将材料骨料制成浆液，然后运用管路将浆液输送至采空区进行充填。杨庄煤矿地面超高水材料制浆充填系统主要服务于九采区全部充填工作面，基于该矿九采区超高水材料充填开采工艺，充填开采需通过在地面建设充填站，将超高水充填材料各组分按照一定的比例加水配制成浆液，然后运用管路将浆液输送至采空区充填。九采区原已开采一层，已采区域及村庄、泗河下剩余煤炭资源量较大，超高水开采充填制浆系统的成功建设为九采区充填开采提供可靠保证，使杨庄煤矿松散层下３煤层超高水充填开采技术处于国内先进水平。同时，提升矿井安全生产水平，确保资源开采过程中及采后地面房屋不受损害及建筑物附近地表移动变形值不大于Ⅰ级，增强煤矿工人的安全感和自豪感，提高工人生产积极性，保证矿井经济效益和社会效益的同步提高。１工程概况１．１工程地质条件Ｃ９３０１工作面开采煤层为二叠系山西组３层煤，３煤层为灰黑色，以暗煤为主，夹亮煤条带，块状，贝壳状断口，树脂光泽，内生节理发育，常夹黄铁矿及方解石薄膜，煤质较硬。煤层结构简单无分叉、无尖灭现象，局部发育有夹矸，煤层倾角３～８，平均６。煤层坚固性系数ｆ＝１．８。工作面初采长度约６３ｍ范围及已采区域间留设煤柱为实体煤，煤厚约８．５ｍ；其余部分已采一分层，剩余煤厚４．９～６．３ｍ；局部受断层、漏顶影响煤厚可能变薄。Ｃ９３０１充填工作面位于原９３０５、９３０２、９３０１、９３００、９３０３面已采区域和９３０６面实体煤区域，工作面煤岩层总体为一向斜构造。轨道巷实际揭露了落差为２．０ｍ的Ｆ１２断层，断层可能向面内延展发育。原９３０６南巷道（老巷）、９３０２辅助巷道（老巷）及煤柱边缘掘进期间实际揭露煤体松散破碎、易漏顶。根据采面区域回采和巷道实际揭露情况分析，工作面内没有陷落柱或火成岩侵入等对回采有影响的其他地质现象。１．２水文地质条件三灰含水层上距煤层底板厚度约４５ｍ，大统矿及相邻矿井三灰含水层静止水位约＋４０．２ｍ，本工作面开采最深标高约－１９２．８ｍ，分析计算突水系数为０．０５ＭＰａ／ｍ，小于正常块段０．１ＭＰａ／ｍ的临界值。工作面回采区域将直接揭露Ｙ６、Ｋ２０１１  ２、Ｙ２、６９钻孔，采后裂隙波及到Ｋ２０１１  １、Ｋ２０１１  ３钻孔（与回采巷道间隔煤柱较窄，可能受扰动影响），经查阅６处钻孔水文地质资料，均封孔质量合格、可靠，正常情况采面不受钻孔水威胁。巷道施工期间已疏放了老空水，现局部仅有少量渗水，预计回采期间可能出现少量涌水，但不会出现大量对采面有威胁的老空水。９３０１面轨道巷揭露Ｆ１２断层，落差２．０ｍ，无水，预计回采期间受断层导水威胁不大。预计回采期间正常涌水量５５ｍ３／ｈ左右，最大涌水量１１０ｍ３／ｈ左右。２超高水材料基本性能分析超高水充填材料因其浆体中水的体积占到总体积的９５％以上而得名，该种充填材料具有固体成分低、充填成本低等优点，适用于采空区大体积充填。（１）材料简介。超高水充填材料主要由以铝土矿与石膏等独立炼制而成的主料Ａ，由石膏、石灰等构成的主料Ｂ和辅料组成，辅料为超缓凝分散剂ＡＡ料、复合速凝剂ＢＢ。Ａ与ＡＡ、Ｂ与ＢＢ分别加水制成Ａ、Ｂ单浆，２种单浆在充填区域混合，以１ ∶ １比例配合使用。（２）力学特性。超高水充填材料具有很好的快７１２２０２０年第７期能源与环保第４２卷速凝固达到早期强度的特点，可以达到及时控制岩层运动的目的。同时其力学强度随着水的体积分数的增加而降低，在实际施工中可以根据需要来调整水的体积，以适应工程现场。（３）变形特性。超高水充填材料的主要成分为水，由于液体具有体积不可压缩的特性，所以超高水充填材料在承受压力时的体积变形非常小，根据实验结果显示，其体积应变为０．０７５％～０．３００％。对于控制采空区上覆岩层的运动具有极好的控制作用，但在其未充分反应时会有少许的游离水析出，故在实际充填过程中需要协调工作面的推进速度。（４）凝结时间。超高水充填材料凝结时间是确定充填工艺的基本参数。该材料属于早强、快硬型胶结材料，初凝与终凝时间很近。一般情况下，在其他条件相同的前提下，超高水材料的凝结主要受水灰比与外加剂的影响。水灰比越大，凝结时间越长，反之则短。凝结时间一般可在８～４５ｍｉｎ进行调整。但单浆不凝结，可满足远距离输送的需求。３总体工艺流程分析超高水材料充填开采系统主要包括４个子系统（图１），分别为浆体制备系统，浆体输送、混合与清洗系统，工作面充填系统和供水供电与通信系统。图１超高水材料充填开采总体工艺流程Ｆｉｇ  １Ｏｖｅｒａｌｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆｉｌｌｉｎｇｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈｗａｔｅｒｍａｔｅｒｉａｌ其总体工艺流程为浆体制备系统负责Ａ、Ｂ两种单浆体的制备，制备好的浆体先存放于各自的储浆池中；然后由浆体输送系统把两种单浆体按１ ∶ １的体积量输送到充填区域附近，经混合后进入工作面采空区充填系统完成充填工作；工作面采空区充填系统的构成主要取决于充填基本方法的选择；供水供电与通信系统为整个系统的辅助支持与协调子系统，保证充填工作根据需求进行运转。４制浆系统组成及特点４．１制浆系统特点超高水充填制浆系统设计必须紧紧围绕超高水充填材料特性及充填开采工艺流程需求进行研究设计。充填开采过程中，需要较多充填物料，并在额定时间内完成充填。因为，充填开采充填制浆系统必须满足以下条件 ①制浆能力大，能够满足所服务工作面的生产能力需要； ②所设计的制浆系统必须充８１２２０２０年第７期赵位位，等大统矿业超高水充填开采制浆系统设计研究第４２卷分考虑超高水材料本身的材料特性，满足高精度、高效率、简便易操作的要求； ③系统生产制浆时不得影响工作面开采； ④初期投入低； ⑤能有效利用矿井废水，实现绿色开采。４．２制浆系统组成超高水充填制浆系统是将固体粉料制成液态浆体，便于管道长距离输送。该系统是充填系统的核心关键，应具备性能稳定、制浆配比精确且易于调节、操作简单的特点。浆体制备系统由Ａ、Ｂ两套子系统组成。其中，Ａ、Ｂ制浆系统设备完全相同，每条生产线均由上料装置、储料装置、卸料装置、配料装置、添加剂（辅料ＡＡ、ＢＢ）配制装置、搅拌主机、储浆池、气路控制系统、电器控制系统等组成。浆体制备系统生产工艺流程如图２所示。图２浆体制备系统生产工艺流程Ｆｉｇ  ２Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｕｌｐｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ５制浆系统选址、布置浆体制备位于制浆站，其主要由制浆设备组成，负责将超高水材料的粉料与水按比例进行充分混合，分别制成Ａ、Ｂ两种浆体；浆体输送系统由单浆输送泵（或依靠自然压力输送）、单浆输送管路组成，负责Ａ、Ｂ单浆体的输送；浆体混合系统由混合三通、混合器、混合管及到工作面充填袋的分支管路组成，实现２种单浆的１ ∶ １混合；管路清洗系统是维持输浆管路长期使用和防止堵管的保证及控制系统。对整个系统的基本要求是在输送能力满足生产要求的前提下，各环节运行可靠平稳，且系统简单，易于管理。５．１选址根据制浆系统用地的需求，该矿初步确定制浆站的候选地址有２个候选地址一是布置于九采区地面的原黄泥灌浆站处；候选地址二是布置于该矿工广矸石山用地处。以下结合具体的选址探讨系统９１２２０２０年第７期能源与环保第４２卷的构成关系。５．２管路布置方案制浆站布置于工业场地方案（图３）相对于候选地址一（九采区地面黄泥灌浆站）方案，其管路铺设路径增加了九采区进风大巷段的管路铺设量，每个单浆管路长度增加约１６００ｍ，具体见首采面充填管路布置（图４）。图３制浆站工广方案方位Ｆｉｇ  ３Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｐｕｌｐｍａｋｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ图４首采面充填管路布置示意Ｆｉｇ  ４Ｌａｙｏｕｔｏｆｆｉｌｌｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ５．２．１管路铺设路径此时首采面管路铺设路径为制浆站Ａ、Ｂ单浆储浆池→制浆站Ａ、Ｂ单浆钻孔套管→井下钻孔硐室→九采回风大巷→１号联系巷（穿层钻孔）→ Ｆ９３０１轨道联络巷→Ｆ９３０１工作面轨道巷Ａ、Ｂ单浆管→Ｆ９３０１工作面轨道巷混合三通（位于工作面煤壁前１００ｍ内，由此Ａ、Ｂ两种单浆开始混合）→混合器→工作面分支充填管（位于工作面煤壁处，暂定５个充填分支管，每个对应１个充填袋）→工作面各充填袋内。５．２．２管路长度需求（１）首采面充填管路路需求。首采工作面为Ｆ９３０１，Ａ、Ｂ单浆管路共需长度合计为５８８０ｍ，混合管１６０ｍ，为保证混合效果，要求混合管路第１个分支管路至混合三通的距离不低于１００ｍ。（２）最远工作面充填管路需求。最远工作面位于九采区东南角，其Ａ、Ｂ单浆管路共需长度合计约为７４００ｍ，混合管同首采面要求。６浆体输送管路系统选型超高水材料浆体通过管路输送到充填地点，故应结合浆体输送需求，首先确定管路的规格尺寸。考虑到矿井的产能需求同方案一，故候选地址二方案下制浆系统最大能力仍为３２０ｍ３／ｈ，每个单浆系统能力为１６０ｍ３／ｈ。６．１管径选择按介质预定流速来确定管径时，一般采用下式初选管径ｄ＝１８８１Ｖ０．５０ｕ－０．５（１）式中，ｄ为管道的内径；Ｖ０为管内介质的体积流量，按１００～１６０ｍ３／ｈ，平均１２０ｍ３／ｈ；ｕ为介质在管内的平均流速，取２ｍ／ｓ。要使超高水材料单浆输送时在管内不发生沉淀淤积（单浆流速要求大于２ｍ／ｓ），根据式（１），按实际输送需求体积流量为１００～１６０ｍ３／ｈ计算，取最小体积流量计算，则单浆管内径应小于１３３ｍｍ，暂取单浆无缝钢管内径为１３３ｍｍ。混合输送管体积流量为２条单浆管流量的总和，为２００～３２０ｍ３／ｈ。虽然混合浆液在２／３初凝时间内充入工作面即可，但为防止混合浆液中的部分颗粒物沉淀附着管壁，此次设计也同样将混合浆液的流速控制在２ｍ／ｓ以上。根据式（１）取最小体积流量计算得混合管内径应小于１８８．１ｍｍ，暂取混合管内径为１８０ｍｍ。６．２管路水头损失计算充填系统要服务于九采区全部充填工作面，管路水头损失计算需根据开采方案的工作面布置，分２种情况进行分析 ①最远输送距离； ②最大高差，即使用点与制浆系统所在位置高低不同需克服的自然压力。经初步分析，由于制浆站布置于地面，九采区待充区域的最远充填地点将是影响制浆系统管路０２２２０２０年第７期赵位位，等大统矿业超高水充填开采制浆系统设计研究第４２卷与设备选型的关键，如其自然压差能够克服管路输送阻力，则在充填站无需使用额外输送动力，否则应选择相应的柱塞泵进行浆体的输送；同时为了验证制浆系统的能力，对于首采面浆体输送所需克服阻力Ｐｊ也进行了计算分析。６．２．１Ｐｊ的计算浆体最远输送距离是位于九采区东南角的工作面，单浆管所需长度约为３７００ｍ，混合管取１６０ｍ。由于流量大，沿程阻力大，故进行阻力计算时按系统单管体积流量最大值Ｑ＝１６０ｍ３／ｈ进行计算，单浆管管路长ｌ＝３７００ｍ，钢管内径Ｄ＝１３３ｍｍ，由式（１）反算流速为ｖ＝３．２０ｍ／ｓ；混浆管流量Ｑ＝３２０ｍ３／ｈ，混浆管管路长ｌ＝１６０ｍ，内径Ｄ＝１８０ｍｍ，由式（１）反算流速为ｖ＝３．４９ｍ／ｓ。查表得９０标准弯头局部阻力系数 ξ ＝０．７５，１３５标准弯头局部阻力系数 ξ ＝０．３５，全开闸阀局部阻力系数 ξ ＝０．１７，无缝钢管的当量粗糙高度 Δ＝０．０４６ｍｍ。预计管路铺设沿程有５处拐弯，均按９０参与计算；有３个闸阀，则全管路局部阻力系数 ξ ＝４．２６。（１）局部水头损失ｈｊ＝ ξν ２ｇ＝２．２３ｍ（２）（２）沿程水头损失。对于圆管，有压流，一般用达西韦斯巴赫公式进行计算。由莫迪图查得 λ＝０．０３２，则计算为，则单浆管沿程水头损失ｈｆ单＝ λ ｌｄｖ２２ｇ＝４６５．１９ｍ（３）混浆管沿程水对损失ｈｆ混＝ λ ｌｄｖ２２ｇ＝１７．６８ｍ（４）（３）总水头损失ｈｗ＝ｈｊ＋ｈｆ单＋ｈｆ混＝４８１．５ｍ（５）式中，ｌ为管长；ｄ为管径；ｖ为断面浆液平均流速；ｇ为重力加速度，９．８ｍ／ｓ； λ为沿程阻力系数； ξ 为局部阻力系数。（４）输送浆体所需克服压力计算。所需压力计算公式Ｐｊ＝ ρ ｇｈｗ＝５．２３ＭＰａ（６）式中，Ｐｊ为输送浆体所需克服压力； ρ 为浆液密度，取超高水材料单浆密度１１００ｋｇ／ｍ３；ｈｗ为管路总水头损失。由已知资料可知，制浆站处标高约为＋４６ｍ；最远工作面处标高约为－２５０ｍ；两处自然压差ＰＺ＝ ρ ｇｈｗ＝３．１９ＭＰａ。故从最远充填工作面来看，ＰＺ＜Ｐｊ，制浆站输送浆体进行充填时需要提供额外输送动力。６．２．２Ｐｇ的计算预计首采面管路铺设沿程有５处拐弯，均按９０参与计算，３个闸阀，则全管路局部阻力系数与局部水头损失同前，分别为４．２６和２．２３ｍ。①单浆管沿程水头损失ｈｆ单＝３６９．６４ｍ； ②混浆管沿程水头损失为１７  ６８ｍ； ③总水头损失ｈｗ＝３８９  ８１ｍ； ④输送浆体所需克服阻力计算Ｐｇ＝ρ ｇｈｗ＝４  ２０ＭＰａ。由已知资料可知，充填站处标高约为＋４６ｍ；首采工作面处标高约为－１８０ｍ；两处自然压差ＰＺ＝２．４４ＭＰａ。故从首采充填工作面来看，ＰＺ＜Ｐｇ，充填站输送浆体进行充填时也需要提供额外输送动力。６．２．３管路承受压力及壁厚确定当最远输送距离时，浆体输送所需克服阻力Ｐｊ大于首采面浆体输送所需克服阻力Ｐｇ，所以进行浆体输送时，管路所需耐压强度按最远输送距离确定，其耐压强度应大于５．２３ＭＰａ。对于Ａ、Ｂ单浆液输送管路初选  １６７ｍｍ无缝钢管，钢管内径１３１ｍｍ，钢管外径１４０ｍｍ。对于混浆管，为了便于在工作面进行移动和适度拐弯，建议采用耐压胶管，其内径不超过１８０ｍｍ，耐压强度不低于５．２３１ＭＰａ（极端情况耐压要求，可适当放小），考虑管路材质和使用寿命，建议不低于４ＭＰａ。一般混浆管选用海洋高压输油胶管，根据目前标准选用２ＳＰ  １５２  ８型。（１）承受压力。根据输送流体用无缝钢管用途材质执行标准及规格用途，钢管材质（牌号）选２０。牌号２０属优质碳素结构钢（ＧＢ／Ｔ８１６３２００８输送流体用无缝钢管），屈服强度为２４５ＭＰａ，抗拉强度为４１０～５３０ＭＰａ。根据制浆站和工作面最大高差、管路水头损失及考虑一定的安全系数，单浆输送管实际承受压力不会超过５．５ＭＰａ。（２）钢管壁厚计算。钢管壁厚计算公式 δ ＝（ＰＤＳ）／（２Ｒｍ）（７）式中，Ｐ为钢管承受压力；Ｄ为钢管外径；Ｓ为钢管压力系数，压力Ｐ＜７ＭＰａ时，安全系数一般用Ｓ取值８，但考虑到充填过程中，管路不存在全程封装状态，安全系数取６；Ｒｍ为钢管材质抗拉强度，取４１０１２２２０２０年第７期能源与环保第４２卷ＭＰａ。参照ＧＢ１７３９５２００８无缝钢管尺寸外形及允许偏差，根据式（７），单浆输送管管壁需要壁厚为５．６３ｍｍ，所选管路壁厚为６ｍｍ。故管路最终选型结果为 ①单浆管为外径１４０ｍｍ、壁厚为６ｍｍ的无缝钢管（牌号２０）。②混合管为内径不超过１８０ｍｍ、耐压强度不低于４ＭＰａ的胶管。一般混浆管选用海洋高压输油胶管，根据目前标准选用２ＳＰ  １５２  ８型。６．３输送泵选型输送泵的输送能力应满足充填要求。由于超高水材料需输送Ａ、Ｂ两种浆体，且按１ ∶ １进行混合；制浆系统单浆最大能力为１６０ｍ３／ｈ。基于匹配原则和浆体特点，确定选择单泵实际输送能力不低于１６０ｍ３／ｈ的柱塞泵。其额定输送压力由输送浆体所需克服阻力和自然压差综合确定，即能提供足够的输送压力克服浆体输送时的阻力，因此确定额定输送压力不低于２．０４１ＭＰａ。推荐型号５Ｗ１７５  １６０  ３活塞泵（图５）。大统矿业有限公司选用其他活塞泵，关键参数为要求实际输送能力不低于１５０ｍ３／ｈ，即４６  ５４Ｌ／ｓ；额定输送压力不低于３ＭＰａ。图５５Ｗ１７５  １６０  ３活塞泵Ｆｉｇ  ５Ｐｉｓｔｏｎｐｕｍｐｏｆ５Ｗ１７５  １６０  ３７结论通过对工作面采空区实施超高水充填可有效控制地表岩层沉降，本文设计的超高水充填系统可有效简化充填步骤，提高了配料的精度，满足实际工程的高精度、高速度和高智能化配料需要，提高充填效率，最大限度减缓采空区上覆岩层的沉降，控制地表变形，可以更好保护地表水土，具有良好的经济和社会效益，可为相近开采条件的矿井提供参考依据。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］张新国，郭惟嘉，张涛，等．浅部开采尾砂膏体巷采设计与地表沉陷控制［Ｊ］．煤炭学报，２０１５，４０（６）１３２６  １３３２．ＺｈａｎｇＸｉｎｇｕｏ，ＧｕｏＷｅｉｊｉａ，ＺｈａｎｇＴａｏ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｒｏａｄｗａｙｍｉｎｉｎｇｆｉｌｌｅｄｂｙｔａｉｌｉｎｇｓｐａｓｔｅａｎｄｓｔｕｄｙｏｎｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃｏｎ  ｔｒｏｌｉｎｓｈａｌｌｏｗｓｅａｍｍｉｎｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１５，４０（６）１３２６  １３３２．［２］戴华阳，郭俊廷，阎跃观，等． “ 采充留”

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