長(zhǎng)城五礦連采連充自流充填工藝設(shè)計(jì)

于 濤，王 壯，劉 洋，董承洪，聶根磊

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271200；3.山東新特機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，山東 新泰 271200)

我國(guó)“三下”壓煤儲(chǔ)量130余億t，其中建筑物下壓煤占60%，鐵路下壓煤占12%，水體下壓煤占28%。為保護(hù)地表環(huán)境，充填開(kāi)采是解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}最有效的方法[1]。目前的充填采煤法中[2-4]，廢矸石充填法的充填強(qiáng)度較低，難以達(dá)到企業(yè)要求；水砂充填法輸送漿體的質(zhì)量濃度較低，且用水量大；尾砂充填法易對(duì)環(huán)境造成危害；膏體充填需要布置充填泵，增加了設(shè)備成本；超高水充填法中充填材料成本高且工藝流程較復(fù)雜；短壁矸石膠結(jié)連采連充采煤法成本較低，充填效率高，地面變形小。連采連充采煤法實(shí)現(xiàn)了完全不垮落化開(kāi)采，從而更好的保護(hù)了生態(tài)環(huán)境[5]；保證了采充的平行作業(yè)，使生產(chǎn)更加高效化[6]；提高了資源回收率高。若干專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)連采連充技術(shù)做了研究與實(shí)驗(yàn)。山東科技大學(xué)張新國(guó)[7]提出了短壁連采連充的開(kāi)采方法，對(duì)短壁連采連充設(shè)計(jì)方法、充填材料、充填工藝、圍巖控制理論、充填效果等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。蔣紅軍[8]采用數(shù)值模擬法分析了連采連充充填采煤工藝對(duì)地表建構(gòu)筑物的影響。劉樂(lè)平[5]通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出了適宜新汶煤田區(qū)域采用連采連充開(kāi)采技術(shù)的地表變形計(jì)算參數(shù)。張志勇[9]等人提出了矸石膠結(jié)連采連充技術(shù)，論證了連采連充技術(shù)在近距離煤層群中應(yīng)用的可行性。馬立強(qiáng)[10]等人針對(duì)極薄阻隔層條件下保水采煤難題，提出了一種壁式布置、負(fù)壓通風(fēng)和全采充填的連采連充保水采煤技術(shù)。馬云龍[11]在前灣煤礦工業(yè)廣場(chǎng)下進(jìn)行了連采連充工業(yè)性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了支巷掘進(jìn)、副巷出煤充填、間隔跳采、全部回收的開(kāi)采方式。內(nèi)蒙古長(zhǎng)城五礦建筑物下煤炭資源豐富，為對(duì)其進(jìn)行綠色、安全、高效釋放[12]，該礦擬采用連采連充采煤法，來(lái)解決“三下”壓煤開(kāi)采問(wèn)題。

1 工程概況

長(zhǎng)城五礦位于內(nèi)蒙古鄂托克前旗上海廟礦區(qū)西南部。井田面積13.93km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180萬(wàn)t/a，開(kāi)拓方式為立井多水平開(kāi)拓，一水平標(biāo)高+590m，二水平標(biāo)高+230m，中央并列抽出式通風(fēng)。礦井可采煤層共有8層，9-2煤層為主采煤層。長(zhǎng)城五礦充填開(kāi)采工作面布置在9-2煤，位于太原組下部，層位穩(wěn)定，井田內(nèi)廣泛分布。工作面全區(qū)可采面積8.54km2，回采率95%，煤層厚度1.22～4.65m，平均厚度3.35m，平均可采厚度2.74m，屬中厚煤層，有0～5層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度變化小。頂板疏松為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、中細(xì)砂巖，底板為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖。該煤層在平面上總體變化是沿傾向方向厚度變薄，走向上向北厚度變薄，向南厚度變厚。

2 連采連充采煤工藝

連采連充工藝實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采與充填在不同支巷的同步進(jìn)行，相較于傳統(tǒng)的煤礦充填開(kāi)采提高了生產(chǎn)效率；同時(shí)對(duì)同一支巷而言，對(duì)開(kāi)采與充填工作進(jìn)行了隔離。連采連充采煤法工藝流程分為五個(gè)步驟：

1)布置工作面。首先在9-2煤掘出運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道，然后在采煤區(qū)段邊部掘出切眼，最后將整個(gè)采煤區(qū)劃分成多個(gè)生產(chǎn)單元，每個(gè)單元設(shè)七條支巷，支巷坡度16°，長(zhǎng)度80m/條，巷寬3.3m，相鄰支巷間設(shè)有4m寬的煤柱[13]。

2)確定開(kāi)采順序。對(duì)不同單元采用隔采的方式，即按次序開(kāi)采完奇數(shù)單元后開(kāi)采偶數(shù)單元。

3)連采與連充。第一支巷的充填與第三支巷的開(kāi)采同步，第三支巷的充填與第五支巷的開(kāi)采同步。以此類(lèi)推采、充完所有奇數(shù)支巷。隨后用同樣的方法對(duì)偶數(shù)支巷進(jìn)行開(kāi)采和充填，至此完成了整個(gè)單元的煤礦開(kāi)采與充填工作。

4)按照確定的單元開(kāi)采順序和支巷開(kāi)采方法，完成所有單元的開(kāi)采與充填工作。

5)回采煤柱。待所有單元充填體穩(wěn)定后，對(duì)煤柱進(jìn)行開(kāi)采[14]。穩(wěn)定后的充填體抗壓強(qiáng)度為3.12MPa。

3 自流充填工藝設(shè)計(jì)

本自流充填工藝包括制漿工藝和輸矸工藝兩部分，兩套系統(tǒng)相互獨(dú)立，如圖1所示。水泥、粉煤灰、水按照1∶1∶3.5比例進(jìn)行配比后制成漿液，同時(shí)以30mm以下的矸石為主料[15]，在井下充填工作面處與漿液進(jìn)行“泥石流”式混合后形成矸石漿，充填口處矸石漿流速為3.5m/s，流量為120m3/h。由于充填工作面支巷設(shè)計(jì)坡度16°，在重力作用下漿體沖推矸石顆粒，從支巷上口向已采封閉巷道進(jìn)行封閉式自流漫灌，利用行走式噴射機(jī)[16]在充填口處完成上三角封堵，確保實(shí)現(xiàn)密實(shí)充填。采場(chǎng)充填通過(guò)適當(dāng)提高矸石漿濃度、保證充填工作的連續(xù)性和充填前后及時(shí)排放巷道積水，減少離析沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 自流充填工藝流程

3.1 制漿工藝設(shè)計(jì)

制漿工藝流程如圖2所示，充填工作開(kāi)始后，鋼筒倉(cāng)中的水泥與粉煤灰通過(guò)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入稱(chēng)重斗[17]，當(dāng)稱(chēng)重?cái)?shù)值達(dá)到設(shè)定值的90%時(shí)，變頻器控制螺旋輸送機(jī)逐漸降低給料速度，達(dá)到設(shè)定值后完全停止，稱(chēng)重料斗下方的氣動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)，水泥與粉煤灰被輸送到高速渦流制漿機(jī)中；清水被泵送至制漿機(jī)，供水管裝有電磁流量計(jì)和供水閥門(mén)，當(dāng)輸水量達(dá)到設(shè)定值的90%時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)減小供水閥開(kāi)度，達(dá)到設(shè)定值之后完全關(guān)閉。

圖2 制漿工藝流程

水泥、粉煤灰、清水在高速渦流制漿機(jī)中經(jīng)攪拌后，形成一定濃度的漿液，達(dá)到攪拌設(shè)定時(shí)間后制漿機(jī)下方的放漿閥門(mén)打開(kāi)，將漿液輸送到緩沖罐中進(jìn)行低速攪拌，緩沖罐中漿液的液位高度達(dá)到設(shè)定值后，緩沖罐下方的放漿閥門(mén)打開(kāi)，漿液通過(guò)輸漿管道自流輸送到充填工作面。輸漿管道選取高猛鋼管，材質(zhì)M16，外徑140mm，鋼管壁厚10mm，管道垂深366m，管道總長(zhǎng)不超過(guò)2100m。整個(gè)制漿過(guò)程共計(jì)用時(shí)約150s，其中上料20～30s，攪拌60s，漿液輸送60s。制漿工藝年灌漿量約20萬(wàn)m3。

制漿過(guò)程中，充填材料配比、攪拌時(shí)間、漿體濃度等由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。制漿工藝采用全自動(dòng)化生產(chǎn)模式，基于C#編程語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)整站配料、制漿、攪拌、輸送、注漿的全自動(dòng)控制，無(wú)需人工干預(yù)[18]?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)電磁流量計(jì)、雷達(dá)料位計(jì)等傳感器的信息反饋[19，20]，隨時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄包括管路流量、壓力、水池液面、漿池液面，水泥倉(cāng)料位在內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化圖像處理，使操作者可以及時(shí)、直觀的對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行掌握。后臺(tái)程序可根據(jù)記錄形成日?qǐng)?bào)，月報(bào)，年報(bào)，為后期分析注漿和充填效果，以及設(shè)備維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。人機(jī)界面選用Measurement Studio進(jìn)行搭建。

3.2 輸矸工藝設(shè)計(jì)

矸石的輸送包括地面輸送與井下輸送兩部分。地面矸石的輸送：鏟車(chē)將矸石倉(cāng)中的矸石輸送到給煤機(jī)里，再由給煤機(jī)將矸石輸送到地面帶式運(yùn)輸機(jī)的進(jìn)料膠帶部分。進(jìn)料皮帶先將矸石運(yùn)輸?shù)綕L軸篩上，然后送料膠帶將30mm以下的矸石運(yùn)送到輸矸立管中。井下矸石的輸送：輸矸立管下部設(shè)有存矸的緩沖鋼倉(cāng)，矸石經(jīng)鋼倉(cāng)出口到達(dá)井下帶式輸送機(jī)，后被送至拋?lái)窓C(jī)，拋?lái)窓C(jī)將矸石送至充填工作面。輸矸工藝如圖3所示。

圖3 輸矸工藝流程

3.3 自流充填工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

自流充填工藝系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)如圖4所示。

1—螺旋輸送機(jī)；2—鋼筒倉(cāng)；3—水池；4—高速渦流制漿機(jī)；5—稱(chēng)重料斗；6—緩沖罐；7—輸漿管道；8—矸石倉(cāng)；9—進(jìn)料膠帶；10—滾軸篩；11—破碎機(jī)；12—送料膠帶；13—輸矸立管；14—緩沖鋼倉(cāng)；15—井下帶式輸送機(jī)；16—拋?lái)窓C(jī)

高速渦流制漿機(jī)在充填工作中屬于核心設(shè)備，其性能直接影響著最后的充填效果。高速渦流制漿機(jī)的具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，高速渦流制漿機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—電動(dòng)機(jī)；2—帶輪；3—膠帶；4—軸承座(深溝球軸承)；5—中部軸承室(推力球軸承)；6—進(jìn)料口；7—罐體；8—攪拌軸；9—攪拌葉輪套筒；10—攪拌葉輪；11—出漿口；12—支撐架；13—橡膠墊；14—進(jìn)水口

表1 高速渦流制漿機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)選型后，在長(zhǎng)城五礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝與調(diào)試，充填工藝系統(tǒng)如圖6所示。

1—鋼筒倉(cāng)；2—稱(chēng)重料斗；3—控制臺(tái)；4—蓄水池；5—緩沖罐；6—高速渦流制漿機(jī)；7—螺旋輸送機(jī)；8—進(jìn)料膠帶；9—滾軸篩；10—破碎機(jī)；11—送料膠帶

4 充填效果分析

充填材料包括水泥、粉煤灰、水、矸石，為保證充填質(zhì)量，水泥、粉煤灰與矸石比例設(shè)定為1∶1∶6，制成的水泥-粉煤灰漿體質(zhì)量濃度設(shè)定為36%，混合后的矸石漿質(zhì)量濃度為70%。為了解充填效果，在井下-366水平大巷進(jìn)行了頂板位移補(bǔ)充性監(jiān)測(cè)，測(cè)站主要布設(shè)在充填工作面上方巖巷內(nèi)。統(tǒng)計(jì)期內(nèi)井下測(cè)站數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，觀測(cè)時(shí)間為2019年8月21日—2020年3月11日，工作面支巷在12月20日進(jìn)行了回采。

表2 連采連充充填工作面井下巖移下沉值觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)的水平大巷內(nèi)測(cè)站最大沉降量為394mm，井下觀測(cè)周期內(nèi)最大沉降時(shí)間發(fā)生在12月23日—12月28日，后期隨著充填工作的進(jìn)行，井下水平大巷監(jiān)測(cè)的頂板位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定。充填后井下工作面支護(hù)情況良好，圍巖無(wú)較大變形。經(jīng)過(guò)近一年的充填開(kāi)采，本自流充填工藝系統(tǒng)在連續(xù)充填作業(yè)中運(yùn)行穩(wěn)定，井下圍巖及地表變形控制在允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了安全環(huán)保密實(shí)充填開(kāi)采，不論是充填的效率和質(zhì)量均滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)需求。

5 結(jié) 論

1)闡述了連采連充采煤法的技術(shù)步驟，詳細(xì)設(shè)計(jì)了自流充填工藝流程，在輸漿管道、充填支巷中實(shí)現(xiàn)了“自流”。

2)設(shè)計(jì)了連采連充自流充填系統(tǒng)，并在長(zhǎng)城五礦完成了調(diào)試運(yùn)行和充填效果分析，證明了連采連充工藝在長(zhǎng)城五礦充填開(kāi)采中是完全可行的，為有關(guān)連采連充設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制漿站的全自動(dòng)化生產(chǎn)和運(yùn)行狀況的界面可視化，為其他礦區(qū)制漿站的自動(dòng)化升級(jí)提供參考。

3)長(zhǎng)城五礦連采連充自流充填工藝消耗了大量地面矸石，解放了建筑物下煤炭資源，經(jīng)濟(jì)性好、社會(huì)效益明顯，對(duì)解決“三下”壓煤具有指導(dǎo)意義。