大口徑固體物料垂直投料孔設計與應用

苑飛

（冀中能源邯鄲礦業集團科邁工程設計有限公司，河北邯鄲 056000）

0 引言

大規模、高強度的煤礦開采在滿足國民經濟發展需要的同時，不可避免地造成了嚴重的環境問題，其中煤矸石的露天堆放和礦區地表沉陷是核心問題之一。固體充填開采技術是隨著采煤工作面的推進，通過合理的充填技術與工藝向采空區輸送充填物料，可實現井下掘進矸石不升至地面，同時可以處理長期堆積的地面矸石山，充填體可以支撐工作面上覆采空區巖層的垮落，進一步減小地表的沉降，達到井下資源安全、綠色開采的目的。本文以邢東礦為例，通過對固體物料垂直投料孔孔徑大小計算、對投料鉆孔耐磨投料管管壁結構的分析，本著成本低、工期短、系統簡單可靠的原則，設計了邢東礦大口徑固體物料垂直投料孔，即自地面向井下開拓一個垂直鉆孔，在孔內安裝一個耐磨投料管，從而形成固體物料的運輸通道，有效實現地面固體物料合理、快速運輸至井下。

1 概況

邢東礦井田范圍內村莊及工業廣場煤柱等大量建筑物下保護煤柱的存在嚴重影響礦井的生產采掘規劃，但由于村莊搬遷費用較高、搬遷難度較大，因此礦井應用充填開采技術解放村莊壓煤，將井下矸石回填置換永久煤柱，解放了大量呆滯資源。由于礦井生產能力的提升，現有的井下掘進矸石已不能滿足充填需求，因此設計采用垂直投料孔將地面矸石物料運至井下。根據充填需求，設計充填能力450 t/h，減少地面矸石堆放帶來的生態環境影響。

2 投料方式

將固體充填物從地面輸送至井下，目前常用的方法有副井提升法、雙井筒托盤式輸送法及垂直投放法。

（1） 副井提升法。對于立井開拓的礦井，當投料量較小時，可通過副井提升的方式將固體充填料返運至井下。此方法可充分利用礦井現有生產系統，不需增加額外工程。但其主要缺點一是受副井提升能力的限制，加劇了輔助提升的壓力；另一方面副井提升不能現實固體充填料的連續化運輸，制約了井下對固體充填料的需求量。因此該方法多用于輔助提升較富裕，且井下物料需求量相對較小的礦井。

（2） 雙井筒托盤式輸送法。雙井筒托盤式輸送法主要是利用地面驅動系統帶動固體充填料投放系統運轉，固體充填料通過地面運輸系統運輸至一個投料井內，盛料托盤在井底將物料卸落在井下運輸帶式輸送機上，托盤自動翻轉進入另一個投料井。該方法可以滿足不同粒徑的物料投放需求，且結構較簡單，不易發生投放物料的堵塞。但該方法缺點為系統較復雜，當井筒較深時工程投資較大。

（3） 垂直投放法。垂直投放法是在地面向下施工一個垂直鉆孔，在該孔內安裝耐磨管道，固體充填料通過管道至井下。這種方法的主要優點是可以連續通過投放的物料，系統簡單可靠。但是由于物料自由落體運動向下，當垂深大時物料下落點速度很大，因此需設置井下緩沖倉，并安排人員協調控制，同時若發生投料孔堵塞，疏通有一定困難。

邢東礦礦井采用的固體充填料為矸石，礦井始建于1998 年，經多年升級改造，其生產能力由原設計60 萬t/a 提升至125 萬t/a，副井富裕能力已無法滿足60 萬t/a 的矸石返運能力。投料點地面距井下約766 m，若采用雙井筒托盤式輸送法則投資大，工期長。因此本著工期短，系統簡單可靠的原則，設計選用垂直投放法。

3 投料孔直徑

投料孔直徑關系著投料能力與成本投入。直徑太小將限制充填能力，增加物料與投料管的摩擦且容易造成管路堵塞；而直徑較大將增加施工難度并增加經濟成本。因此應結合邢東礦礦井實際選擇適合的直徑。投料孔直徑的選擇主要由固體料最大顆粒直徑和單位時間內所需投料量決定。

3.1 根據固體料最大顆粒直徑計算

在固體充填料投放過程中，首先要保證固體充填料不能在投料孔中形成堵塞，其次要使得固體充填料與投料孔之間的摩擦盡量少。隨著固體充填料直徑的不斷增大，在同一投放截面上，固體充填料可能形成自穩結構。通過理論分析可知，當固體充填料在投料孔中自穩結構存在2 種情況（充填固料近似為球體）。

（1） 小球粒徑r＞1/3 投料孔直徑。

當小球粒徑r＞1/3 投料孔直徑時，投料孔中同一截面小球數量小于3 個，可能形成如圖1 所示的自穩結構。

圖1 三球穩定結構Fig.1 Three-ball stable structure

根據力學分析，上述3 個小球任意一個均可滿足受力平衡。即在滿足一定摩擦系數條件下，小球可能形成自穩結構，當小球粒徑大于1/3 投料孔直徑時，投料孔可能會堵塞。

（2） 小球粒徑r＜1/3 投料孔直徑。

當小球粒徑r＜1/3 投料孔直徑時，投料孔中同一截面上小球數量大于3 個，以4 個固體料小球為例，孔內同一截面可形成如圖2 結構。

圖2 雙球接觸穩定Fig.2 Two-ball contact stability

在同一截面上，以小球1 為例，在其他小球受力平衡后，其受力狀態如圖3 所示。

圖3 1 球受力圖示Fig.3 Ball 1 force diagram

圖3 可以看出，1 球力矩不平衡，不可能達到平衡狀態。因此在忽略孔內粘附效應時，當投料孔直徑大于等于3 倍固體粒徑時，投料孔將不會發生物料堵塞。根據工程以往經驗判斷，當徑粒比為4～4.5∶1 時，投料效果最好。

采用的充填矸石經邢東礦取樣測定平均粒徑為50 mm，最大離散粒徑為100 mm，根據上述計算，投料孔內徑控制在400～450 mm 為宜。

3.2 根據單位時間內所需投料量計算

在實際投料過程中，將連續投料體視為整體考慮。在投料孔內不形成堵塞的投料直徑為等效直徑，投料孔直徑應大于等效直徑。材料等效直徑與固體充填料實際投放能力有關。

（1） 平均投料量。

式中：Q1為平均投料量，t/h；α 為夯實后的充填物與原煤容重比，為2.5/1.75=1.45；A 為年生產能力，取60 萬t；t 為日有效投料時間，取7 h。經計算，平均投料量為376.6 t/h。

（2） 瞬時投料量。

瞬時投料量為投料口輸送機總輸送能力之和，一般考慮1.2 不穩定系數，即Q=1.2，Q1=452 t/h。

（3） 充填物料初速度。

根據現場應用情況，投料管往往高出地面一定距離，從帶式輸送機運送至孔口的固體充填料，從水平運動變為垂直運動，充填料至投料口的初速度為：

式中：h 為帶式輸送機到井口的垂直高度，取0.3 m；V 為帶式輸送機速度，取1 m/s。

（4） 充填料下落等效直徑。

式中：γ 為投料流量不均衡系數，取1.2；ρ 為投料孔中固體料平均密度，取1.6 t/m3。經計算，得d0=213 mm。

（5） 等效直徑修正。

考慮投料孔垂直度、投料孔壁粘附效應、潮濕固體料粘聚作用，對計算等效直徑進行修正：

式中：r1為垂直度修正系數，取1.2；r2為粘附效應修正系數，取1.3；r3為固體料粘聚修正系數，取1.3。經計算d=432 mm。

通過上述計算，同時滿足固體料最大顆粒直徑及單位時間內所需投料量的計算投料孔內徑應大于等于450 mm。

3.3 工程類比

郭二莊礦二坑生產能力60 萬t/a，投料孔深度330 m，最大投料粒徑100 mm，投料能力400 t/h，投料孔內徑495 mm，服務年限6 a。

邢臺礦生產能力210 萬t/a，投料孔深度350 m，最大投料粒徑80 mm，投料能力不小于450 t/h，投料孔內徑486 mm。服務年限大于15 a。

唐山礦生產能力420 萬t/a，投料孔深度597 m，最大投料粒徑50 mm，投料能力不小于550 t/h，投料孔內徑486 mm。服務年限大于15 a。

類比上述工程，考慮礦井實際孔深垂直度要求和標準管管徑等方面，設計邢東礦固體物料投料孔內徑為486 mm。

4 耐磨管結構

投料孔失效形式類似于外壓薄壁容器，根據殼體力學米塞斯公式，應保證圓筒體臨界壓力Pcr高于設計壓力P。固體物料在投放時以一定的水平速度平拋，做自由落體運動，必然會與管壁發生碰撞，進而對管道有一定的摩擦損耗，碰撞軌跡如圖4 所示。管道磨損程度的大小主要有受物料的水平運動初始速度和與投料管的碰撞傾角影響。因此要調整好物料的初始投放速度和拋出點的位置，減小物體碰撞次數。

圖4 固體料與管壁碰撞示意Fig.4 Collision between solid material and pipe wall

（1） 耐磨管結構。

考慮摩擦碰撞的因素，設計在投料孔內安裝雙層耐磨投料管，管道基體為低碳鋼或低合金等韌性材料，內層采用消失模真空吸鑄復合工藝將高鉻耐磨合金在高溫熱鑄狀態下整體復合，可以實現耐磨層抵抗磨損介質的磨損，基體承受介質的載荷，具有良好的耐磨性和抗沖擊韌性的雙重優點。

（2） 耐磨管壁厚。

耐磨管厚度直接影響管道價格和使用年限。而耐磨性與總投放量有關，根據實測數據，一般每百萬噸充填量磨損厚度為2 mm，設計投料孔使用年限為15 a，經計算投放矸石量為1305 萬t。因此耐磨層厚度應不小于26.1 mm?？紤]一定富裕系數后，設計取耐磨層厚度為30 mm。

通過對孔徑及耐磨層厚度計算，考慮標準管徑等因素，設計耐磨管采用φ586 mm×50 mm（耐磨層壁厚30 mm，外管壁厚20 mm） 雙層耐磨管結構，選用耐磨材料為高鎳鉻鉬合金。

5 結語

邢東礦礦井投料孔于2021 年正式建成并投入使用，運行過程中矸石的儲、裝、運等各個環節步調一致、上下聯動，各系統無縫銜接，投料孔未發生堵管現象，物料通過量大，輸送簡單可靠。大口徑固體物料垂直投料孔可以有效實現地面固體物料合理、快速運輸至井下，實現固體物料的高效輸送，滿足了礦井井下充填系統的正常運行，確保了礦井綠色可持續發展。