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摘要：对膏体充填管路的设计选型及现场布置进行了详细阐述。
关键词：充填采煤；管道输送；设计选型；现场布置
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2011）19-0266-02
作者简介：李彪（1979-），男，山东鲁泰煤业有限公司太平煤矿充填站主管技术员，助工，山东科技大学采矿工程专业，本科学历，研究方向：煤矿膏体充填采煤技术研究及应用。
1 引言
太平煤矿是我国最早开发应用膏体充填采煤技术的煤矿，截止今年8月，共充填96万方。所谓膏体充填采煤，就是利用充填泵加压把膏体料浆通过管道输送到井下，及时充填全部采空区，控制顶板垮落。如何设计和建设一套简单、可靠、实用的输送系统，是制约膏体充填采煤法的一个瓶颈。本文将该矿充填管路设计选型及现场布置的经验做法总结如下。
2 充填管路选型的基本原则
井下充填管路的选型应遵循以下几个原则：
（1）技术可行，主要指管路的输送能力满足生产需要，并且可操作性强，便于充填作业的实施；（2）经济合理，就是要综合考虑各因素；（3）安全可靠，即尽可能地降低管路的破管、堵管机率。使整个充填管路系统经济合理。
3 干路充填管选型
3.1 材质选择
在料浆管道输送工程中，由西安某大学下属公司研究并生产的KMTBCr28双金属耐磨钢管是一种耐磨、耐蚀、耐冲击性能好的输送管路，并且在金川公司二矿充填系统中得到广泛应用，效果良好。它是在普通无缝钢管内壁复合一层高耐磨合金材料，制成外层为钢管、内层为耐磨材料的复合耐磨管，既具有高合金材料的耐磨、耐腐蚀特性，又具有较高的机械强度和较高的抗冲击性能。
3.2 浆体流速及管道内径的选择确定
煤矿对充填能力的要求要大大高于金属矿山的要求，按照充填开采需要，太平煤矿设计充填系统充填能力Qj150m3/h。通过膏体充填料浆流动性能实验表明，太平矿以河砂及电厂粉煤灰为骨料的充填料浆水力坡降较小，其约为同等条件下金属矿山高浓度充填料浆的1/2。所以，最终确定充填系统设计流速vj1.8m/s。
该方案既做到充填管路重量较轻，又保证流速较小（远小于水砂充填流速）。
根据选择的流动速度，则可以计算出充填管道的内径D：
D172（mm）。
故理论选取干路充填管道的内径为172mm。
3.3 充填系统最大工作压力
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。根据流变实验分析得到，膏体充填料浆（料浆质量浓度为80%，流量为150m3/h）在D172mm管道中流动的水力坡降为i6.5kPa/m。
根据太平煤矿需要充填开采的工作面实际情况，最远时折算水平距离为1800m，计算时考虑充填系统启动压力p12MPa，所以，充填系统的最大工作压力：
PP1+L0·i-ΔH·γ2+1800×0.0065-210×0.029.5（MPa）
即在输送距离为1800m、充填能力为150m3/h时，启动时系统要求的泵送压力为9.5MPa，正常充填时要求的泵送压力为7.5MPa。
3.4 管壁厚度计算
充填管道的壁厚主要受充填系统最大工作压力、管道材质和允许磨蚀厚度等控制，管道壁厚是按浆体输送管道的压力计算的。管道壁厚按下式计算：
δ+δ1+δ2
式中，δ——管壁厚度，mm；
p——管道所承受的最大工作压力，MPa；
D——管道内径，mm；
［σ］t——管道材质的抗拉许用应力，MPa；
δ1——考虑不均匀及锈蚀等因素的附加厚度，mm；
δ2——预留磨损厚度，mm；
根据前面的材质分析，选择KMTBCr28双金属耐磨钢管作为干路充填管，其外层为无缝钢管，其级别为NM300H，抗拉强度分别为σt≥3500MPa，在计算时，无缝钢管的允许拉应力一般取其抗拉强度的40%，无缝钢管抗拉强度取σt500MPa，则允许拉应力［σ］t200MPa；另外考虑不均匀及锈蚀等因素的附加厚度δ12mm，充填管道预留磨蚀厚度δ23mm，压力按系统最大压力9.5MPa计，所以主体充填管道壁厚为：
δ+δ1+δ2+2+39.1（mm）。
最终，根据KMTBCr28双金属耐磨钢管的规格，实际选取了外层为Φ203×8mm无缝钢管、内衬耐磨层厚度为8mm的双金属耐磨钢管作为干路充填管路，其外径为203mm，内径为171mm，重量约为75kg/m。
4 充填钻孔布置
充填钻孔布置考虑有二个方案，即一点布置方案和多点布置方案。所谓一点钻孔布置方案，就是在合适位置布置一个充填钻孔，为太平煤矿充填采区——八采区所有充填工作面服务，特点是集中布置，便于管理，但是，充填管路不可避免地较长，需要充填泵有较高的泵送压力。
而多点钻孔布置方案，就是把八采区分成几个部分，根据系统需要，在多点布置充填钻孔，使充填系统管路水平折算长度较短。多点钻孔布置方案优点是充填管路较短，需要充填泵的压力较低，单位体积充填体的电耗较低，便于充填泵的选择，缺点是地面充填站需要搬迁，要多次建充填站。
根据八采区的实际条件，采用一点钻孔布置，充填站到最远充填点的水平距离基本不超过1800m，考虑还有从地面到井下的钻孔管落差210m左右，充填泵的能力能达到要求，所以充填钻孔按照一点钻孔布置在东总回风巷与830轨道巷交点附近。同时为了保证充填工作的顺利进行，避免因钻孔突发事故而影响工作面生产，故布置了2个充填钻孔，1个使用，1个备用。
5 工作面内的充填管选型
随着采充循环作业，工作面内的管路几乎每天要安装、拆卸和移动一次，工作量较大。根据调研和借鉴金属矿山的充填经验做法，工作面充填管选择F168′5mm规格耐磨无缝钢管，该种规格钢管每米重量为19.50kg/m。布料管选用F168′5mm规格煤矿用聚乙烯管，其具有良好的抗冲击强度和柔韧性，是一种抗静电、抗阻燃的复合压力管道，该管每米重量为11.30kg/m。
6 充填管路附件的选择
充填管路附件的耐压性是保证充填系统可靠运行的关键因素。干线管路法兰、旁通管法兰选用公称压力10MPa的钢制法兰或钢制法兰盖。除法兰外充填管路的附件还包括柔性连接器、三通、闸阀等管路附件，干线管路上的附件承压能力10MPa，工作面管路附件承压能力不低于2MPa。
由于充填弯管对料浆输送会产生较大的局部压力，并且在相同的管路内径情况下，弯管的弯曲半径越小，局部阻力越大，而且对于膏体这样的高浓度料浆，弯曲半径过小，还容易引起堵塞。因此，在井下条件适合、弯管加工工艺可靠的情况下，弯管的弯曲半径应尽可能取大值。据此，取弯管的弯曲半径R1.5m。
7 充填管路现场布置
7.1 工作面概况
8307充填工作面位于3号煤区东翼，工作面长度120m，由东向西回采。工作面东开切眼接8301工作面巷道保护煤柱边界，西停采线到830轨道巷保护煤柱边界，工作面南接东总回风巷，北接8309区段工作面边界保护煤柱边界。
7.2 管路现场布置
为了保证充填料浆接顶质量，必要时能够实施二次补充充填，干路充填管要求由相对标高低的巷道进入工作面。对于8307工作面，应该从充填钻孔底部沿东总回风巷布置干路充填管，然后经下顺槽进入工作面，干路管总长为1080m。KMTBCr28双金属耐磨钢管管长6m，铺设过程中每两根钢管之间设一个法兰三通，以便检查、清洗管路及进行相关处理。
工作面充填管3m一根，布置在充填支架的后立柱与后插板之间，铺设在支架底坐上，且充填管用细油绳固定在充填支架后立柱上，防止其在充填过程中摆动。
布料管每根长2m，从溜头向溜尾方向布置布料管，全面共布置4个布料管，间距约为30m，布料管具体数目、间距还可根据现场实际情况及时调整。工作面充填管在每个设置布料管的地方接一个闸阀，利用闸阀切换控制充填料浆按照由低端向高端的顺序依次进行充填。前一个布料管充填达到与下一个布料管之间距离的中部已经接顶以后，再开始进行下一个布料管充填，而终止前一个布料管充填。
在干路充填管过渡到工作面充填管之前设置1个液压闸板阀，起到截止与连通作用。随着工作面前移，为了便于干路充填管与工作面充填管之间的正常连接，需要预先准备3-5个过渡弯头和短节充填管。
为了便于尽量减少充填管路清洗水对回采工作面和巷道的不良影响，工作面两巷均布置排水管，在需要时排水管可以与工作面充填管快速连接，以便于充填管道清洗水绝大部分能够通过两巷排水管外排到能够自流的巷道排水沟。
参考文献
［1］刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2001.
关键词：充填采煤；管道输送；设计选型；现场布置
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2011）19-0266-02
作者简介：李彪（1979-），男，山东鲁泰煤业有限公司太平煤矿充填站主管技术员，助工，山东科技大学采矿工程专业，本科学历，研究方向：煤矿膏体充填采煤技术研究及应用。
1 引言
太平煤矿是我国最早开发应用膏体充填采煤技术的煤矿，截止今年8月，共充填96万方。所谓膏体充填采煤，就是利用充填泵加压把膏体料浆通过管道输送到井下，及时充填全部采空区，控制顶板垮落。如何设计和建设一套简单、可靠、实用的输送系统，是制约膏体充填采煤法的一个瓶颈。本文将该矿充填管路设计选型及现场布置的经验做法总结如下。
2 充填管路选型的基本原则
井下充填管路的选型应遵循以下几个原则：
（1）技术可行，主要指管路的输送能力满足生产需要，并且可操作性强，便于充填作业的实施；（2）经济合理，就是要综合考虑各因素；（3）安全可靠，即尽可能地降低管路的破管、堵管机率。使整个充填管路系统经济合理。
3 干路充填管选型
3.1 材质选择
在料浆管道输送工程中，由西安某大学下属公司研究并生产的KMTBCr28双金属耐磨钢管是一种耐磨、耐蚀、耐冲击性能好的输送管路，并且在金川公司二矿充填系统中得到广泛应用，效果良好。它是在普通无缝钢管内壁复合一层高耐磨合金材料，制成外层为钢管、内层为耐磨材料的复合耐磨管，既具有高合金材料的耐磨、耐腐蚀特性，又具有较高的机械强度和较高的抗冲击性能。
3.2 浆体流速及管道内径的选择确定
煤矿对充填能力的要求要大大高于金属矿山的要求，按照充填开采需要，太平煤矿设计充填系统充填能力Qj150m3/h。通过膏体充填料浆流动性能实验表明，太平矿以河砂及电厂粉煤灰为骨料的充填料浆水力坡降较小，其约为同等条件下金属矿山高浓度充填料浆的1/2。所以，最终确定充填系统设计流速vj1.8m/s。
该方案既做到充填管路重量较轻，又保证流速较小（远小于水砂充填流速）。
根据选择的流动速度，则可以计算出充填管道的内径D：
D172（mm）。
故理论选取干路充填管道的内径为172mm。
3.3 充填系统最大工作压力
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。根据流变实验分析得到，膏体充填料浆（料浆质量浓度为80%，流量为150m3/h）在D172mm管道中流动的水力坡降为i6.5kPa/m。
根据太平煤矿需要充填开采的工作面实际情况，最远时折算水平距离为1800m，计算时考虑充填系统启动压力p12MPa，所以，充填系统的最大工作压力：
PP1+L0·i-ΔH·γ2+1800×0.0065-210×0.029.5（MPa）
即在输送距离为1800m、充填能力为150m3/h时，启动时系统要求的泵送压力为9.5MPa，正常充填时要求的泵送压力为7.5MPa。
3.4 管壁厚度计算
充填管道的壁厚主要受充填系统最大工作压力、管道材质和允许磨蚀厚度等控制，管道壁厚是按浆体输送管道的压力计算的。管道壁厚按下式计算：
δ+δ1+δ2
式中，δ——管壁厚度，mm；
p——管道所承受的最大工作压力，MPa；
D——管道内径，mm；
［σ］t——管道材质的抗拉许用应力，MPa；
δ1——考虑不均匀及锈蚀等因素的附加厚度，mm；
δ2——预留磨损厚度，mm；
根据前面的材质分析，选择KMTBCr28双金属耐磨钢管作为干路充填管，其外层为无缝钢管，其级别为NM300H，抗拉强度分别为σt≥3500MPa，在计算时，无缝钢管的允许拉应力一般取其抗拉强度的40%，无缝钢管抗拉强度取σt500MPa，则允许拉应力［σ］t200MPa；另外考虑不均匀及锈蚀等因素的附加厚度δ12mm，充填管道预留磨蚀厚度δ23mm，压力按系统最大压力9.5MPa计，所以主体充填管道壁厚为：
δ+δ1+δ2+2+39.1（mm）。
最终，根据KMTBCr28双金属耐磨钢管的规格，实际选取了外层为Φ203×8mm无缝钢管、内衬耐磨层厚度为8mm的双金属耐磨钢管作为干路充填管路，其外径为203mm，内径为171mm，重量约为75kg/m。
4 充填钻孔布置
充填钻孔布置考虑有二个方案，即一点布置方案和多点布置方案。所谓一点钻孔布置方案，就是在合适位置布置一个充填钻孔，为太平煤矿充填采区——八采区所有充填工作面服务，特点是集中布置，便于管理，但是，充填管路不可避免地较长，需要充填泵有较高的泵送压力。
而多点钻孔布置方案，就是把八采区分成几个部分，根据系统需要，在多点布置充填钻孔，使充填系统管路水平折算长度较短。多点钻孔布置方案优点是充填管路较短，需要充填泵的压力较低，单位体积充填体的电耗较低，便于充填泵的选择，缺点是地面充填站需要搬迁，要多次建充填站。
根据八采区的实际条件，采用一点钻孔布置，充填站到最远充填点的水平距离基本不超过1800m，考虑还有从地面到井下的钻孔管落差210m左右，充填泵的能力能达到要求，所以充填钻孔按照一点钻孔布置在东总回风巷与830轨道巷交点附近。同时为了保证充填工作的顺利进行，避免因钻孔突发事故而影响工作面生产，故布置了2个充填钻孔，1个使用，1个备用。
5 工作面内的充填管选型
随着采充循环作业，工作面内的管路几乎每天要安装、拆卸和移动一次，工作量较大。根据调研和借鉴金属矿山的充填经验做法，工作面充填管选择F168′5mm规格耐磨无缝钢管，该种规格钢管每米重量为19.50kg/m。布料管选用F168′5mm规格煤矿用聚乙烯管，其具有良好的抗冲击强度和柔韧性，是一种抗静电、抗阻燃的复合压力管道，该管每米重量为11.30kg/m。
6 充填管路附件的选择
充填管路附件的耐压性是保证充填系统可靠运行的关键因素。干线管路法兰、旁通管法兰选用公称压力10MPa的钢制法兰或钢制法兰盖。除法兰外充填管路的附件还包括柔性连接器、三通、闸阀等管路附件，干线管路上的附件承压能力10MPa，工作面管路附件承压能力不低于2MPa。
由于充填弯管对料浆输送会产生较大的局部压力，并且在相同的管路内径情况下，弯管的弯曲半径越小，局部阻力越大，而且对于膏体这样的高浓度料浆，弯曲半径过小，还容易引起堵塞。因此，在井下条件适合、弯管加工工艺可靠的情况下，弯管的弯曲半径应尽可能取大值。据此，取弯管的弯曲半径R1.5m。
7 充填管路现场布置
7.1 工作面概况
8307充填工作面位于3号煤区东翼，工作面长度120m，由东向西回采。工作面东开切眼接8301工作面巷道保护煤柱边界，西停采线到830轨道巷保护煤柱边界，工作面南接东总回风巷，北接8309区段工作面边界保护煤柱边界。
7.2 管路现场布置
为了保证充填料浆接顶质量，必要时能够实施二次补充充填，干路充填管要求由相对标高低的巷道进入工作面。对于8307工作面，应该从充填钻孔底部沿东总回风巷布置干路充填管，然后经下顺槽进入工作面，干路管总长为1080m。KMTBCr28双金属耐磨钢管管长6m，铺设过程中每两根钢管之间设一个法兰三通，以便检查、清洗管路及进行相关处理。
工作面充填管3m一根，布置在充填支架的后立柱与后插板之间，铺设在支架底坐上，且充填管用细油绳固定在充填支架后立柱上，防止其在充填过程中摆动。
布料管每根长2m，从溜头向溜尾方向布置布料管，全面共布置4个布料管，间距约为30m，布料管具体数目、间距还可根据现场实际情况及时调整。工作面充填管在每个设置布料管的地方接一个闸阀，利用闸阀切换控制充填料浆按照由低端向高端的顺序依次进行充填。前一个布料管充填达到与下一个布料管之间距离的中部已经接顶以后，再开始进行下一个布料管充填，而终止前一个布料管充填。
在干路充填管过渡到工作面充填管之前设置1个液压闸板阀，起到截止与连通作用。随着工作面前移，为了便于干路充填管与工作面充填管之间的正常连接，需要预先准备3-5个过渡弯头和短节充填管。
为了便于尽量减少充填管路清洗水对回采工作面和巷道的不良影响，工作面两巷均布置排水管，在需要时排水管可以与工作面充填管快速连接，以便于充填管道清洗水绝大部分能够通过两巷排水管外排到能够自流的巷道排水沟。
参考文献
［1］刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2001.