中峪礦井地面膏體制備及泵送系統(tǒng)淺析

摘 要：以中峪礦井為背景，首先分析了充填開采技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，闡述了膏體充填技術(shù)的概念、工藝特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì);其次，計(jì)算了中峪礦井地面膏體制備及泵送系統(tǒng)的處理能力，介紹了中峪礦井地面膏體制備及泵送系統(tǒng)的工藝流程、系統(tǒng)組成及設(shè)備性能;最后，展望了膏體充填技術(shù)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：礦井;充填開采;膏體制備

0? ? 引言

“三下”壓煤的開采，主要是指對(duì)被構(gòu)建筑物、水體及鐵路下的壓煤進(jìn)行的開采活動(dòng)的總稱。我國作為煤炭資源大國，“三下”壓煤量巨大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國“三下”壓煤工業(yè)儲(chǔ)量超過140億t，其中構(gòu)建筑物下近80億t，約占“三下”壓煤總量的62%，并且廣泛分布在各城市村鎮(zhèn)中。但就目前而言，“三下”壓煤的開采量還不到總體儲(chǔ)量的7%，開采率低的主要原因是“三下”壓煤的開采往往會(huì)造成一些現(xiàn)實(shí)問題?！叭隆眽好洪_采容易使地表產(chǎn)生沉陷和積水問題，甚至可能引發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害;另外，還容易對(duì)地面構(gòu)建筑物等的安全性和穩(wěn)定性造成不利影響[1]。

1? ? 充填開采技術(shù)的發(fā)展

針對(duì)“三下”壓煤開采的種種問題，國內(nèi)外發(fā)展了多種針對(duì)性開采技術(shù)，目前較為成熟的有房柱式開采技術(shù)、條帶開采技術(shù)、限厚開采技術(shù)、充填開采技術(shù)等等，其中充填開采技術(shù)在我國已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[2]。充填開采技術(shù)是指在采空區(qū)內(nèi)利用矸石、砂石等材料進(jìn)行填充支護(hù)，進(jìn)而避免地表變形。傳統(tǒng)的充填開采技術(shù)，按照充填材料的不同，大致可以分為水力充填技術(shù)、粉煤灰充填技術(shù)、風(fēng)力充填技術(shù)。其中，水力充填技術(shù)是利用水力通過管道把充填材料送入采空區(qū)，這種充填方法采用砂礫、碎石等材料，此類材料填充能力大、填充密度高，但由于水力充填工序復(fù)雜，成本較高，近些年應(yīng)用得越來越少。粉煤灰充填技術(shù)采用煙道飛灰及鍋爐爐灰等材料，其優(yōu)點(diǎn)是原材料獲取容易，運(yùn)輸簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)則是制成的漿料流動(dòng)性較大，難以控制。風(fēng)力充填技術(shù)是利用風(fēng)壓將充填材料輸送到采空區(qū)的一種工藝方法，同樣因?yàn)樵O(shè)備成本高、能量消耗大的問題，應(yīng)用不多[3]。

2? ? 膏體充填開采技術(shù)的特點(diǎn)

膏體充填開采技術(shù)是近年來應(yīng)用最為廣泛的一種充填開采技術(shù)，其工藝原理如下：將井下掘進(jìn)、開采過程中產(chǎn)生的矸石運(yùn)輸至地面膏體制備系統(tǒng)，加入粉煤灰、水泥等材料，按照一定的比例與水混合，并添加一定劑量的添加劑，加工成不離析、不沉淀、不脫水的膏狀漿體，然后利用管道運(yùn)送至井下，進(jìn)行采空區(qū)的填充。

膏體充填技術(shù)具有一般充填技術(shù)的特點(diǎn)，如能夠穩(wěn)定維護(hù)圍巖、有效減少地表沉降、提高自然資源回收率等，還具有連續(xù)性、高濃度、大規(guī)模的特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)后期管理及運(yùn)營成本較低，同時(shí)可兼顧采空區(qū)防滅火的功能[4]。

3? ? 中峪礦井概述

中峪礦井位于山西省晉中煤炭基地的霍東礦區(qū)北部，礦井資源儲(chǔ)量豐富，有條件建設(shè)大型礦井，目前年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500 Mt，本井田內(nèi)主要可采煤層2層。利用概率積分法對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行地表沉陷預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，預(yù)計(jì)井田累計(jì)下沉深度可達(dá)4 554 mm，沉陷面積高達(dá)145.26 km2，也就是說，在全井田煤層開采結(jié)束后，除受安全煤柱保護(hù)區(qū)域外，井田內(nèi)大部分區(qū)域均會(huì)出現(xiàn)不同程度的沉陷。利用煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法，對(duì)相關(guān)煤層進(jìn)行自燃傾向性試驗(yàn)，試驗(yàn)報(bào)告顯示，其各可采煤層的自燃傾向性多為Ⅱ類，即為較容易自燃的煤。由此可見，中峪礦井需要同時(shí)解決矸石環(huán)保處理和采空區(qū)防滅火的問題，而膏體充填技術(shù)恰好能夠同時(shí)解決以上兩個(gè)問題。

4? ? 地面膏體制備及泵送系統(tǒng)

4.1? ? 膏體制備及泵送系統(tǒng)處理能力計(jì)算

充填膏體制備及泵送系統(tǒng)，是用來集中攪拌充填膏體并通過充填管路將充填膏體泵送到充填點(diǎn)的聯(lián)合機(jī)械裝置，涉及充填膏體原材料上料、計(jì)量、攪拌、卸料和泵送等充填膏體制備及泵送的整個(gè)過程，對(duì)充填膏體的質(zhì)量影響極大，是整個(gè)膏體充填系統(tǒng)的核心部分。所以，選用一套可靠、精準(zhǔn)和安全的充填膏體制備及泵送系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)充填膏體系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

選用水泥、粉煤灰、矸石、水及少量添加劑作為原材料進(jìn)行膏體充填料漿的制備，各種材料的比例為水泥：粉煤灰：矸石：水=1：4：15：6;考慮井下環(huán)境溫度等因素對(duì)充填料漿膠結(jié)及泵送性能的影響，可適量使用減水劑、早強(qiáng)劑等添加劑，以增強(qiáng)膏體的有效性能;礦井測(cè)算的需充填處理矸石量為110萬t/a，按照充填系統(tǒng)每年運(yùn)轉(zhuǎn)330天，每天運(yùn)轉(zhuǎn)16 h計(jì)算，即矸石處理量約為200 t/h，按照充填料漿比例推算，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)余量后，相應(yīng)的水泥、粉煤灰及水的供應(yīng)量分別為18 t/h、70 t/h、110 t/h。

4.2? ? 膏體制備及泵送系統(tǒng)工藝流程

充填料漿制備工藝主要包括干料準(zhǔn)備、配料混合、加水?dāng)嚢琛⒈盟统涮钏牟糠?，井下矸石通過矸石轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶送至矸石儲(chǔ)料場(chǎng)進(jìn)行存儲(chǔ);同時(shí)將粉煤灰、水泥、添加劑也分別存儲(chǔ)至各自料倉備用。根據(jù)設(shè)計(jì)的膏體料漿配比，通過計(jì)量配料裝置將各干料成分充分混合。將混合后的充填干料成分轉(zhuǎn)運(yùn)至攪拌機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)的充填材料濃度加水進(jìn)行攪拌，并使各種成分混合均衡。將充分?jǐn)嚢韬笾瞥傻某涮盍蠞{放入泵送料漿斗內(nèi)進(jìn)行泵送，并經(jīng)充填管路運(yùn)輸至工作面進(jìn)行充填工作[5]。

膏體制備及泵送系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

4.3? ? 膏體制備及泵送系統(tǒng)設(shè)備選型

通過上述礦井充填系統(tǒng)處理能力的計(jì)算，結(jié)合其他礦井膏體充填經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有成熟的膏體充填設(shè)備，設(shè)計(jì)選用的地面膏體充填站主要設(shè)備包括：反擊式破碎機(jī)、高細(xì)破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、螺旋給料機(jī)、雙臥軸混凝土攪拌機(jī)、充填工業(yè)泵、電控系統(tǒng)等。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)矸石的采樣分析得知，中峪礦井矸石的特點(diǎn)是大塊占比較多，小塊占比較少，故在膏體制備系統(tǒng)中選用兩級(jí)破碎，第一級(jí)利用PFW1318III型反擊式破碎機(jī)，將矸石粒度降至200 mm以下，第二級(jí)利用PC1400×1600高細(xì)破碎機(jī)，將矸石進(jìn)一步破碎至8 mm以下的小顆粒，以滿足膏體制備的需要。在矸石顆粒的配送中，選用帶式輸送機(jī)為給料裝置。帶式輸送機(jī)適用于物料流動(dòng)性較低、給料速度較大的給料場(chǎng)合。該帶式輸送機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式，矸石通過帶式輸送機(jī)向矸石稱重斗中加料，矸石給料速度可調(diào)，保證矸石的配料精度。

螺旋給料機(jī)適用于物料流動(dòng)性好、配料精度較高的給料要求。對(duì)于水泥、粉煤灰的給料，則根據(jù)上文所計(jì)算的供應(yīng)量，分別選取LSY193和LSY400型螺旋給料機(jī)，其最大給料量分別為30 t/h、140 t/h，可以滿足系統(tǒng)的需要。同時(shí)，為螺旋給料設(shè)備配備變頻器，可通過調(diào)整給料機(jī)轉(zhuǎn)速和螺旋給料的口徑以實(shí)現(xiàn)配料速度的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料的精確配比。

原材料分別加入DKX雙臥軸攪拌機(jī)后，開始攪拌，攪拌時(shí)間約60 s，出料時(shí)間約20 s。攪拌完成后，充填工業(yè)泵開始膏體泵送工作。系統(tǒng)選取HGBSW270型號(hào)充填工業(yè)泵，其理論泵送能力可達(dá)270 m3/h，具有壓力高、排量大、可靠性好的特點(diǎn)，可以高效地完成膏體的遠(yuǎn)距離輸送任務(wù)。

5? ? 結(jié)語

在綠色礦山的建設(shè)成為煤炭行業(yè)共識(shí)的今天，如何在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益之間實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，已經(jīng)成為礦產(chǎn)資源管理工作中和礦業(yè)發(fā)展道路上一項(xiàng)新的課題。膏體充填開采技術(shù)作為一種環(huán)境友好型的開采技術(shù)，必將在未來的煤礦開采中發(fā)揮出更加重要的作用，而針對(duì)礦井的自身特點(diǎn)和需求，進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，選擇合理的方案以及設(shè)備，無疑可以對(duì)礦井的綠色生產(chǎn)起到積極的作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 肖紀(jì)永.淺談填充開采方法在三下壓煤條件下的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（15）：93-94.

[2] 李非.我國三下采煤技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展?fàn)顩r[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2016，23（6）：174.

[3] 趙國喜.三下壓煤充填采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].能源與節(jié)能，2016（7）：129-130.

[4] 吳愛祥，王勇，王洪江.膏體充填技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].金屬礦山，2016（7）：1-9.

[5] 張建公，郭科偉，張步勤，等.充填膏體制備及泵送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（9）：166-168.

收稿日期：2021-05-26

作者簡(jiǎn)介：周兆宇（1989—），男，山西太原人，工程師，主要從事礦山機(jī)械設(shè)計(jì)工作。