超高水材料充填系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用研究

黃 峰

（山西焦煤集團(tuán)店坪煤礦，山西 呂梁 033199）

1 工程概況

超高水材料為無機(jī)雙液組分，綠色無污染且充填的成本低，逐漸被廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著煤礦發(fā)展，充填效率對(duì)煤礦效益有直接的影響，而現(xiàn)有的充填系統(tǒng)無法滿足日益提高的充填量需求[4-5]。本文結(jié)合店坪村煤礦2319 工作面的實(shí)際工程需求，展開超高水材料充填系統(tǒng)的優(yōu)化研究以及應(yīng)用。2319 工作面位于工業(yè)廣場(chǎng)西側(cè)，工作面走向長度約427 m，傾向長度200 m，開采16 號(hào)煤，平均煤厚1.23 m。煤層直接頂是5.5 m 厚的灰?guī)r，底板是1.2 m 的鋁質(zhì)黏土。

已知2319 工作面采高1.2 m，采煤機(jī)日進(jìn)尺約為3.6 m，故充填空間在500 m3，按照每天充填8 h，制漿量按照1.3 倍系數(shù)計(jì)算，超高水材料制漿站的生產(chǎn)能力約為80 m3/h，單液的漿液生產(chǎn)量約為40 m3/h。綜上分析，為滿足充填制漿量的需求，對(duì)超高水充填制漿系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高制漿效率。根據(jù)工作面的地質(zhì)情況，結(jié)合超高水材料的特點(diǎn)，本次充填開采計(jì)劃采用開放式充填和包式充填結(jié)合的方法，提高回采和充填的效率。

2 超高水地面制漿充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超高水地面制漿充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本著設(shè)備簡化、占用空間小、人員使用少、管路輸送布置簡單、管路易沖洗的原則，設(shè)計(jì)了地面制漿、管路輸送及沖洗系統(tǒng)。

制漿系統(tǒng)是充填系統(tǒng)的核心部分，在工業(yè)廣場(chǎng)建造，制漿系統(tǒng)采用電和氣動(dòng)結(jié)合的方式，將粉料與水混合制造成單種漿液，通過管路輸送至充填工作面處混合。由于超高水材料是雙液組分，因此制漿系統(tǒng)也是A、B 兩個(gè)系統(tǒng)，但兩種系統(tǒng)完全相同，其中主要包括材料的儲(chǔ)存、粉料輸送、輸水、單液制造以及存儲(chǔ)。制漿站系統(tǒng)如圖1，以漿液A 為例，超高水材料制漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單，所需設(shè)備少，減少了工人日常檢修工作。稱量系統(tǒng)主要采用斗稱和監(jiān)控系統(tǒng)，保證漿液的配比精準(zhǔn)，進(jìn)而確保超高水材料充填體的性能。

以A 漿液為例，對(duì)從上料到制漿最后到輸送的工藝過程展開簡單的闡述，工藝過程示意圖如圖2。

（1）儲(chǔ)料系統(tǒng)。超高水材料呈粉末狀，因此儲(chǔ)存在封閉的儲(chǔ)料倉中，防止揚(yáng)塵產(chǎn)生并有利于環(huán)保，同時(shí)也便于粉料儲(chǔ)量的計(jì)量。A、B 兩種粉料的儲(chǔ)存罐體積均為50 m3，AA 和BB 添加劑儲(chǔ)存?zhèn)}體積為5 m3。

圖1 超高水材料制漿站示意圖

（2）儲(chǔ)水系統(tǒng)。超高水材料每日充填量為500 m3，根據(jù)1.2 倍水量蓄水計(jì)算，儲(chǔ)水倉水量應(yīng)不小于600 m3。流量和總水量主要通過流量器和水量計(jì)算儀進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，保證每日的供水量，進(jìn)而保證材料的水灰比。

（3）上料系統(tǒng)。材料主要是粉料，輸送材料時(shí)主要使用螺旋輸送機(jī)，長度根據(jù)到制漿機(jī)的距離設(shè)計(jì)。粉料A 在輸送過程中，主要利用動(dòng)態(tài)稱重螺旋稱重，添加劑AA 主要由失重秤計(jì)量，控制系統(tǒng)主要采用PLC 設(shè)計(jì)完成。

圖2 超高水材料制漿工藝流程

（4）制漿系統(tǒng)。由圖2 可以看出，A、B 兩種漿液的制作過程完全相同。制漿的整體核心在于，如何在完成精確的材料和水的配比后，使?jié){料混合均勻，并且充分?jǐn)嚢?。漿液的攪拌效率對(duì)充填能力有直接影響，漿料是否混合均勻直接影響超高水材料充填體的固結(jié)效果，進(jìn)而影響采空區(qū)的充填效果。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要通過自主研發(fā)的高速渦流制漿機(jī)，提供內(nèi)外循環(huán)攪拌功能，能高效持續(xù)地制出漿液，實(shí)現(xiàn)攪拌的高效性。從下料口進(jìn)入渦流式攪拌泵的漿體，自底端的出漿口流出，經(jīng)電機(jī)抽送至上部進(jìn)漿口再次進(jìn)入泵中，以實(shí)現(xiàn)漿體的內(nèi)外循環(huán)。泵體內(nèi)壁焊接有不同角度的割刀，進(jìn)漿口與泵內(nèi)壁相切，自進(jìn)漿口進(jìn)入桶內(nèi)的漿體，以旋流形式攪拌，在割刀的作用下，調(diào)整旋流角度并使大塊體分割為小塊體，讓漿體各組分趨于均勻。通過渦流泵，下部的漿體可被抽送達(dá)上部，有效控制傳統(tǒng)攪拌中漿液上下成分不均現(xiàn)象。攪拌過程速度快，可快速制得均勻的漿體。漿液充分混合后，經(jīng)氣動(dòng)閥調(diào)節(jié)，關(guān)閉進(jìn)漿口，開啟放漿口，漿體輸送至低速攪拌罐。

（5）儲(chǔ)漿系統(tǒng)。為了保證充填漿液的連續(xù)充填，應(yīng)該要保證有一定的漿液儲(chǔ)存量，因此設(shè)計(jì)了低速的攪拌罐，讓漿液不會(huì)發(fā)生沉淀或者固結(jié)，在保證漿液滿管流動(dòng)的同時(shí)減小了地面盛漿池挖掘，節(jié)省了基建的費(fèi)用，能達(dá)到簡潔高效的目的。

3 充填工藝設(shè)計(jì)及工程效果

3.1 充填方案設(shè)計(jì)

2319 工作面采用全包式充填和開放式充填相結(jié)合的充填法。由圖3 可以看出，包式充填主要是為了提供一個(gè)密閉的充填空間，其主要部分是構(gòu)筑板墻和充填包的放置，并且要設(shè)計(jì)擋煤板，便于開放式充填的展開。充填包主要分為工作面的充填包和順槽的充填包，其中工作面充填包為圓柱體，直徑3 m，長30 m，順槽充填包為長方體，長3.8 m，寬3 m，高2.5 m。根據(jù)工作面的推進(jìn)量，每3.6 m 為一個(gè)充填循環(huán)。

圖3 2319 工作面充填方案示意圖

通過兩種充填方式結(jié)合的綜合充填法，可以解決完全包式充填存在未接頂空間的問題，同時(shí)可以減少充填包之間擋板的基建工作，能提高充填效率。

3.2 工程效果分析

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，為了檢驗(yàn)超高水材料的充填效果，通過在2319工作面中順槽安裝頂板下沉檢測(cè)儀，統(tǒng)計(jì)充填后順槽的頂板下沉量。測(cè)點(diǎn)距離工作面停采線約200 m，通過數(shù)據(jù)整理，繪制出隨著時(shí)間變化頂板的下沉速率曲線，如圖4。

圖4 頂板下沉速率曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)整理可知，2319 工作面中順槽的頂板最終下沉量約為150.5 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況，根據(jù)時(shí)間變化，大致可以把充填后頂板下沉分為三個(gè)階段。

（1）在0～24 h 內(nèi)是第一階段，由于設(shè)備安裝在充填前一天，此時(shí)是未充填巷道頂板在采動(dòng)影響下的變形特征。由圖中可以看出平均下沉速率約在2.5 mm/h，該階段累計(jì)下沉量為60 mm。

（2）在24～192 h 是頂板下沉的第二個(gè)階段，主要是超高水材料強(qiáng)度的增長階段，頂板下沉速率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。起初充填體的強(qiáng)度較低，頂板下沉速率較快但略小于未充填頂板下沉速率，隨著充填體強(qiáng)度增長，頂板下沉逐漸降低。該階段頂板共下沉88.5 mm。

（3）大于192 h 后為第三階段，此時(shí)超高水材料充填體的強(qiáng)度穩(wěn)定，能有效支撐頂板，保證頂板基本不下沉。該階段的頂板下沉量共計(jì)為2 mm。

根據(jù)三個(gè)階段的頂板變形特征可知，頂板發(fā)生變形主要集中在前兩個(gè)階段，主要是未充填和充填體強(qiáng)度的增長階段。當(dāng)充填體強(qiáng)度增大到峰值強(qiáng)度的90%以上，頂板變形就趨于穩(wěn)定。超高水材料充填能夠較好地充填采空區(qū)，能夠控制頂板的變形，但需要給充填體足夠的強(qiáng)度增長空間，因此應(yīng)用中應(yīng)該適當(dāng)在兩次充填期間留出適當(dāng)時(shí)機(jī)供充填體性能發(fā)育，可以有更好的充填效果。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)超高水材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能夠自動(dòng)上料、稱重、連續(xù)放漿并能實(shí)現(xiàn)高效內(nèi)外循環(huán)攪拌制漿于一體的充填系統(tǒng)，在保證超高水材料配比的同時(shí)，提高制漿效率和充填效果。

（2）采用設(shè)計(jì)的超高水材料充填系統(tǒng)，并結(jié)合包式充填和開放式充填結(jié)合的綜合充填方法在店坪村煤礦某工作面應(yīng)用的效果良好。通過監(jiān)測(cè)順槽頂板的下沉速率可知，隨著充填體強(qiáng)度增長，頂板下沉速率變緩并趨于不變，頂板最大下沉量為150.5 mm。超高水材料的充填效果良好，為其他類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。