一種新型漿體膨脹復合材料自助化制備裝置研發

李 凱，魏修亭，石建新，邱先慧

（1.山東理工大學 機械工程學院，淄博 255049；2.淄博王煤礦業有限公司，淄博 255400）

0 引言

我國煤礦存有大量的“三下”壓煤，垮落法開采將引起覆巖層破壞和地表變形，房屋、道路、水體、管道等各種建筑設施也會被損害[1,2]。近幾年受到研究人員廣泛關注的充填采煤技術，對巖層破壞小，且具有控制巖層移動與地表沉陷的作用，成為實現“三下”壓煤的安全開采和有效利用的綠色開采技術之一[3～5]。在相對廣泛的充填方法中，充填材料的制備與輸送大都采取了機械方式，比如攪拌混合器、皮帶輸送機、柱塞泵、破碎機、搗實機等動力設備[6～8]，這就使得充填漿體制備與輸送方面存在許多制約因素：裝備落后、成本較高、工藝復雜、充填材料短缺，在一定程度上阻礙了該技術大范圍地推廣應用。因此，突破現有技術不足，研制出具有自助一體化的漿體膨脹復合材料制備裝置具有重要意義。

本文針對高產礦井充填采煤的高效率制漿需求，對粉料混合、給料規律、制漿方法等關鍵技術進行了理論分析、數值模擬和實驗研究，提出了全新的充填漿體制備工藝原理，開發出漿體膨脹復合材料自助化制備裝置。通過充填采煤實驗，對制漿裝置進行了多次結構與尺寸改進，完善了制漿裝置的功能，提高了其性能與可靠性，最后確定了產品的結構與尺寸，現已在多家煤礦投入使用，其經濟社會效益顯著。

1 裝置原理、組成及工作過程

該裝置主要由混料器、儲料倉、離心制漿器、漿體輸送管道、輔助裝置（閥門、流量計、壓力表、濃度檢測儀等）等組成，結構如圖1所示，工作過程如圖2所示，主要包含以下5個步驟。

圖1 漿體膨脹復合材料自助化制備裝置

圖2 裝置工作過程

步驟1：風力混料。在無外部動力輸入的情況下，混料器的送粉管借用粉體罐車在卸料過程中的風力余能，利用高速氣流使散粒物料呈懸浮狀沿混料器外壁切線方向飛入混料器，粉料產生螺旋運動，并相互碰撞、混合，混料器內的氣-固流場始終保持了正壓，增大粉料混亂程度并呈現出彌漫狀態，所有顆粒以布朗運動的形式發生隨機的位置交換而實現充分混合，形成復合粉料進入貯料倉。

步驟2：儲料給料、蓄水給水?；旌虾玫姆哿蟽Υ嬖趦α蟼}中，制漿時粉料通過給料管進入離心制漿器，為漿體制備給料；制漿用的清水采用抽水泵從水井抽送至蓄水池中，制漿時清水通過給水管進入離心制漿器。

步驟3：離心制漿。在給水壓能作用下，離心制漿器給水管的水流沿切線方向射入制漿器，在制漿器作渦旋式下降并形成負壓流場，復合粉料在重力及負壓雙重作用下進入制漿器，粉料垂直落入水射流形成的渦旋中，在渦旋流場和離心力的強烈擾動作用下擴散到制漿器的壁面，隨水流一起旋轉并發生隨機的位置變化，從而實現與水流的充分混合，在螺旋下落過程中進一步與水混合，形成濃度均勻的漿體進入漿體輸送管。

步驟4：漿體輸送、濃度監測。制備好的漿體，在重力作用下通過漿體輸送管流至充填工作面，漿體流經漿體采樣管時，由超聲波濃度計測量濃度，并由給水調節閥和卸料調節閥進行調節漿體濃度。

步驟5：管路清洗。充填結束，及時打開清洗水管閥門，對漿體輸送管進行清洗。

2 裝置關鍵部件及儲料倉強度分析

2.1 裝置關鍵部件

混料器：球體冠頂、短錐封底，設置4個圓管式切向進料口、1個格柵式軸向出料口，如圖3(a)所示，混料器是進行多種粉料（2～4種）均勻混合的部件，利用粉料罐車動力氣壓卸料系統的風力動能實現粉料的均勻混合。

儲料倉是儲存粉料的部件，經過混料器均勻混合的復合粉料直接下落至儲料倉，如圖3(b)所示。

離心制漿器：平板罐頂、長錐封底，設置1個可調式軸向給料管、1個圓管式切向給水口，底部設置1個圓管式軸向出漿口，如圖3(c)所示，離心制漿器是進行清水與粉料混合形成充填漿體的部件，利用蓄水池中的水壓勢能形成渦旋流場能實現渦旋制漿。

漿體輸送管道把漿體從離心制漿器輸送至充填工作面，輸送管道長度可達數百米（根據煤井深度不同），漿體利用重力自動輸送，如圖3(d)所示。

圖3 裝置關鍵部件

2.2 儲料倉強度分析

儲料倉是用來儲料、卸料的大型容器，其存儲容量巨大，是一種特殊的鋼結構系統。儲料倉的圓柱倉筒與卸料錐用鋼板卷制成型，儲料倉與底座相連，整個系統結構復雜且特殊。儲料倉系統載荷包括三部分[9]：儲料倉系統自重、粉料對倉體內壁的正壓力與摩擦力、風載。

粉料對倉壁的正壓力：

壓力系數：

風載荷：

式中：Pa為垂直筒壁方向上的粉料壓力，h為粉料的堆放高度，Ka為壓力系數；φ為粉料的內摩擦角，α為儲料倉錐體及倉筒的傾斜角（與鉛垂面夾角），β為粉料坡角（與水平面夾角），δ為粉料于筒體之間的摩擦角；Pw為作用在儲料倉上的風載荷，單位N；C為風力系數；Kh為風壓高度變化系數；Q為計算風壓，N/m2；A為粉料垂直于風向的迎風面積，m2。表1為參數值。

表1 參數取值

由式(1)～式(3)得出相應載荷，ANSYS分析結果如圖4、圖5所示，儲料倉的圓錐與圓柱連接處總位移量（0.02827mm）、總應力（22.516MPa），遠小于儲料倉材料的屈服極限和彈性變形，滿足強度設計要求。

圖4 ANSYS分析總位移圖

圖5 ANSYS分析總應力圖

3 裝置主要技術特征

3.1 裝置特征與技術指標

本裝置與國內外同類裝置的漿體制備與輸送工藝鏈如圖6所示。相比國內外同類裝置省去了操作復雜的計量工序，提高了運行可靠性。

圖6 工藝連對比

3.2 主要性能指標對比及應用

本裝置與國內外同類裝置的主要性能指標對比見表2。與現有的漿體制備與輸送系統相比，漿體膨脹復合材料自助化制備裝置具有以下技術特征：

表2 國內外同類產品主要性能指標對比

1）制漿能力強：本制漿裝置可以實現4000噸的日制漿量，年制漿能力120萬噸，單臺制漿裝置可滿足年產480萬噸煤礦井的充填采煤要求；

2）混料種類多：本制漿裝置可以實現4種粉料混合，可以滿足1種基體材料+3種輔助材料的混粉要求，有利于提高漿體質量和充填體強度；

3）制漿連續性：制漿裝置的關鍵部件（混料器、儲料倉、離心制漿器、漿體輸送管道）連接在一起，漿體制備為連續流程，滿足了充填采煤連續生產的需要；

4）制漿與輸送一體化：制漿裝置的制漿與輸送為一體化工藝和連續流程，省去了操作復雜的計量工序與轉運工序，生產流程的工藝鏈短，提高了運行可靠性；

5）制漿與輸送的自助化：在漿體制備與輸送的環節充分利用剩余風能、水壓勢能、位置勢能自助工作，不需要額外的混粉動力、供料動力、制漿動力、漿體輸送動力；

6）節省投資：現有的漿體制備與輸送系統建設總投資一般在2000萬元左右，本制漿裝置只需要500萬元，節約建設投資效果明顯。

3.3 工程應用

基于UG NX系統設計了裝置的全3D模型，首套裝置制造完成后，安裝并進行制漿與充填實驗。通過半年100多小時的充填采煤實驗，對制漿裝置進行了多次結構與尺寸改進，完善了制漿裝置的功能，提高了其性能與可靠性，最后確定了產品的結構與尺寸，裝置工程應用如圖7所示。

圖7 制漿裝置工程應用

4 結束語

1）在漿體膨脹復合材料的“原料配制、漿體制備”等領域進行了深入研究，開發出適應于高產礦井充填采煤需要的充填漿體制備裝置，并提出了全新的充填漿體制備工藝，可實現充填漿體的連續、高產制備，節能環保，減少投資；

2）今后改進方向：進一步提高制漿裝置的自動化水平，實現漿體濃度檢測與調節的自動化；進一步調研各地煤礦的充填采煤需求，合理制定產品的規格型號，實現制漿裝置的系列化。

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