煤礦采空區(qū)灌漿裝備研發(fā)與應(yīng)用

劉 丹

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)地測(cè)公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

近年來,綜采放頂煤技術(shù)得到大力的推廣和應(yīng)用,使煤礦生產(chǎn)效率大幅提高,但該技術(shù)冒落高度大、采空區(qū)遺留殘煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重,使得礦井煤炭自燃時(shí)有發(fā)生[1-3]。經(jīng)過多年實(shí)踐,并在開展煤礦防滅火工作中不斷總結(jié)、發(fā)現(xiàn)灌漿是主要預(yù)防和控制礦井煤炭自燃且行之有效的手段[4-5]。在預(yù)防性注漿工作中采用采前預(yù)注法、隨采隨注法、采后注漿法,滅火過程中注漿采用地面鉆孔注漿、消火道注漿及井下區(qū)域性集中注漿等方法[6-7]。從目前來看,地面固定注漿系統(tǒng)形式多樣,主要包括鼠籠式注漿系統(tǒng)、雙鼠籠式注漿系統(tǒng)、滾筒式注漿系統(tǒng)、聯(lián)合式注漿系統(tǒng)、螺旋雙作用注漿系統(tǒng)等,被廣泛應(yīng)用的地面注漿系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、大流量的連續(xù)注漿作業(yè),滿足煤礦注漿防滅火工作的初期基本使用要求。但隨著礦井的開采,采空區(qū)的面積逐漸變大,加上采空區(qū)塌陷較分散地表漏風(fēng)不易控制[9-14],現(xiàn)有固定注漿系統(tǒng)輸送范圍達(dá)不到礦井注漿使用要求,礦井需要準(zhǔn)備一套或幾套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的快速灌漿裝備。

1 現(xiàn)有灌裝備存在的主要問題

1.1 輸送能力方面

現(xiàn)有地面固定式注漿系統(tǒng)因其泵送裝置輸送能力有限,導(dǎo)致其服務(wù)范圍小。對(duì)于走向長(zhǎng)、采高大、采空區(qū)面積大、地表裂隙分布較廣的礦區(qū),采用固定注漿設(shè)備,但壓力損失大,特別容易造成管路堵塞,因此普遍固定注漿系統(tǒng)難以滿足大面積采空區(qū)防滅火需求。

1.2 制漿能力方面

注漿系統(tǒng)制漿時(shí),水土比的控制十分重要。水土比越小,泥漿濃度越高,粘度、致密性越好,包裹碎煤、隔絕氧氣越好。但目前注漿系統(tǒng)中普遍使用的渣漿難以灌注高密度的漿液。

1.3 轉(zhuǎn)移能力方面

目前市場(chǎng)上的固定式注漿系統(tǒng)多不具備移動(dòng)性或轉(zhuǎn)移起來比較困難,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且設(shè)備需要制作基礎(chǔ),從轉(zhuǎn)移至工程開工需要至少10d以上工期,難以實(shí)現(xiàn)大面積礦井對(duì)不同作業(yè)地點(diǎn)快速開展灌漿工程的需求。目前國(guó)內(nèi)多個(gè)生產(chǎn)單位都擁有防滅火技術(shù)與裝備的相關(guān)專利,但多為局部部件的專利,沒有整套系統(tǒng)或產(chǎn)品集成方面的專利。

1.4 功能轉(zhuǎn)換方面

經(jīng)過調(diào)研,發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上多為僅有單一灌漿功能的灌漿系統(tǒng),沒有一套能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)黃泥漿、沙漿、粉煤灰、三項(xiàng)泡沫、凝膠、復(fù)合膠體、阻化泡沫、添加懸浮劑等多種防滅火材料灌注作業(yè)的地面多功能移動(dòng)注漿系統(tǒng)。礦井火災(zāi)自然隱患成因復(fù)雜,采用的治理方式、治理手段、治理材料需要多樣性,以利于在采空區(qū)高溫或著火初期,能及時(shí)、有效、快速的進(jìn)行預(yù)防或滅火。

2 灌漿裝備研制

2.1 灌漿裝備設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1.1 總體目標(biāo)

研制出適應(yīng)大面積采空區(qū)多功能地面移動(dòng)注漿裝備,該裝備的技術(shù)領(lǐng)先、質(zhì)量可靠。能為礦井防滅火工作發(fā)揮積極作用,減少經(jīng)濟(jì)損失,保障生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.1.2 功能目標(biāo)

裝備具備防雨、加熱、防凍、智能化控制等功能。該裝備需適用多種不同的滅火材料,具有安全防護(hù)設(shè)施。

2.1.3 技術(shù)目標(biāo)

裝備實(shí)現(xiàn)滅火介質(zhì)配比范圍可調(diào),漿液灌注能力達(dá)到100 m3/h左右,各子系統(tǒng)配比齊全,水平輸漿距離大于1 000 m,揚(yáng)程大于100 m。灌注三項(xiàng)泡沫、阻化泡沫能力要與1 000 m3/h的惰性氣源相匹配,發(fā)泡不小于30倍穩(wěn)定時(shí)間高于10 h;有效發(fā)泡大于10倍穩(wěn)定時(shí)間高于24 h、凝膠灌注裝置能力不小于10 m3/h。

2.2 灌漿裝備關(guān)鍵技術(shù)性能

2.2.1 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝備集成化和移動(dòng)性

將系統(tǒng)的所有設(shè)備合理布置安裝到一個(gè)集裝箱內(nèi)。集裝箱通過集裝箱鎖專用連接方式,普遍使用于集裝箱運(yùn)輸車輛與集裝箱的連接中,穩(wěn)定可靠,設(shè)備集成實(shí)現(xiàn)整體吊裝。另外,其他設(shè)備附件也合理的安裝在專用的運(yùn)輸?shù)妆P上,以實(shí)現(xiàn)灌漿系統(tǒng)的集成化和可移動(dòng)化。

2.2.2 控制系統(tǒng)有效應(yīng)用

灌漿系統(tǒng)裝備采用閉環(huán)控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)的應(yīng)用有效實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制,包括設(shè)備啟停、數(shù)據(jù)采集、控制輸出等,以實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)裝備的自動(dòng)化程度,使用方便、科學(xué)合理。

2.2.3 可帶壓、大流量、高揚(yáng)程、遠(yuǎn)距離的漿液輸送

灌漿裝備采用恒功率柱塞泵用以實(shí)現(xiàn)更大壓力泵送漿液,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水平1 000 m、垂直100 m的長(zhǎng)距離輸送功能,還能夠使?jié){液到達(dá)鉆孔后仍然保持較大的壓力從而實(shí)現(xiàn)帶壓注漿。高壓力有效擴(kuò)大了單一鉆孔注漿的輻射面積,可實(shí)現(xiàn)降低工程成本,提高注漿效率。

2.2.4 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝備的多功能性

灌漿系統(tǒng)裝備將在有限的空間中實(shí)現(xiàn)多種功能注漿。礦井可根據(jù)防滅火實(shí)際需要選擇灌注泥漿、粉煤灰漿、三項(xiàng)泡沫或凝膠等功能切換。

2.2.5 實(shí)現(xiàn)漿液質(zhì)量提高

上料系統(tǒng)采用錘式機(jī)對(duì)注漿原料進(jìn)行破碎,破碎后顆粒直徑小于20 mm,提高原料利用率及漿液質(zhì)量。采用滾筒式制漿機(jī)實(shí)現(xiàn)軸向出漿,內(nèi)設(shè)揚(yáng)料板,增加物料混合時(shí)間,提高漿液質(zhì)量,排渣效果好,維修方便且穩(wěn)定,可大大提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性。設(shè)緩漿集液裝置,對(duì)形成漿液進(jìn)行二次攪拌,既可以防止?jié){液沉淀,又能提高漿液質(zhì)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用,可保證對(duì)漿液質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效控制,并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ),可對(duì)不同工況的防滅火工作進(jìn)行分析,提供科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)分析材料。

2.2.6 適應(yīng)低溫環(huán)境制漿

灌漿系統(tǒng)裝備將會(huì)在野外作業(yè),工作環(huán)境惡劣,尤其是在低溫環(huán)境中制漿效果產(chǎn)生直接的影響。系統(tǒng)將以集裝箱作為防風(fēng)擋雨棚,內(nèi)壁安裝巖棉保溫層,集裝箱內(nèi)部安裝電暖風(fēng),保證集裝箱內(nèi)溫度,防止在制漿過程中產(chǎn)生凍結(jié)等現(xiàn)象,從而保證漿液質(zhì)量。

2.3 灌漿裝備設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.3.1 灌漿裝備主體

裝備主體須自帶抽水設(shè)備,并附帶管路100 m。設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)破碎粒徑小于20 mm的破碎裝置,進(jìn)料斗設(shè)計(jì)滿足黃土、山沙、粉煤灰不同的上料要求。料斗適應(yīng)裝載機(jī)單次上黃土、山沙至少3 m3不外溢的要求;料斗設(shè)有上粉煤灰接口,滿足粉煤灰罐車上料要求,且密封良好。設(shè)計(jì)添加劑添加料斗,滿足漿液配比要求。設(shè)計(jì)不小于1 000 m3/h的惰性氣體進(jìn)氣口,設(shè)計(jì)可接入380 V和660 V電源,設(shè)計(jì)終端出料口要與輸漿管路相匹配。

2.3.2 灌漿裝備移動(dòng)化

灌漿裝備具備模塊化、整體化,吊裝簡(jiǎn)單,安裝方便,連接快速,投入使用便捷。相應(yīng)安全防護(hù)設(shè)施齊全可靠。

2.3.3 灌漿裝備智能化

裝備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)控制切換,具備自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能。實(shí)現(xiàn)灌漿漿液自動(dòng)配比,對(duì)原料進(jìn)行分別計(jì)量,漿液總量進(jìn)行計(jì)量,并具有記憶存儲(chǔ)和讀取功能。

2.3.4 灌漿裝備附屬性能

裝備要具備防雨、加熱、防凍功能。適應(yīng)礦區(qū)全天候灌注黃泥漿、沙漿(山沙+懸浮劑)、粉煤灰、三項(xiàng)泡沫、阻化泡沫、凝膠的條件。

2.4 灌漿裝備關(guān)健創(chuàng)新點(diǎn)

2.4.1 多功能移動(dòng)式灌漿方式

多功能移動(dòng)式灌漿方式改變了制漿、注漿地點(diǎn)固定的注漿方式。將制漿、蓄漿、控制、排渣、泵送等系統(tǒng)集約化、一體化、模塊化。所有設(shè)備安裝在集裝箱內(nèi),方便快速組裝、吊運(yùn)。緩漿槽、水泵、輸液泵等最大限度地實(shí)現(xiàn)了共用性。可實(shí)現(xiàn)黃泥漿、沙漿(山沙+懸浮劑)、粉煤灰、三項(xiàng)泡沫、阻化泡沫、凝膠等不同注漿材料的灌注作業(yè)。該系統(tǒng)裝備具有靈活性好,移動(dòng)方便,整體化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且工程建設(shè)周期短,省去建廠房、蓄漿池、排渣系統(tǒng)和設(shè)備基礎(chǔ)等土建工程,節(jié)省了大量井下注漿管路,縮短了維護(hù)時(shí)間長(zhǎng),減少了工程占地面積。

2.4.2 改變灌注系統(tǒng)動(dòng)力形式

灌注系統(tǒng)動(dòng)力形式采用變量柱塞泵替代渣漿泵。灌漿裝備采用變量柱塞泵注漿。通過調(diào)整泵的流量可以實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)灌注量的要求,達(dá)到灌注黃泥、山沙、粉煤灰漿、三相泡沫、阻化泡沫等共用,從而使整套設(shè)備體積和重量大大降低。柱塞泵具有壓力大、揚(yáng)程高、流量大、不怕抽空、管路不容易堵塞等優(yōu)點(diǎn),可大大提高注漿效果。

2.4.3 改變粉煤灰上料方式

灌漿注漿裝備采用粉罐車直接上料。工作時(shí)粉罐車送料口與制漿機(jī)上料架連接。上料架設(shè)有密封蓋、除塵裝置和泄壓閥,可保證工作過程的安全性、可靠性。該種上料形式還可省去料倉(cāng)、輔助除塵裝置及空氣壓縮機(jī)等設(shè)施,可減少中間環(huán)節(jié)提高工作效率。

2.4.4 應(yīng)對(duì)寒冷氣候

灌漿裝備可全年、全天候工作。為了保證能在低溫下進(jìn)行,灌漿設(shè)備主體安裝了暖風(fēng)機(jī)與空氣幕,為制漿模塊集裝箱采暖,以保證冬季低溫環(huán)境下可持續(xù)注漿。

2.4.5 一體化制濾結(jié)構(gòu)

灌漿裝備改變以往制漿、濾漿的獨(dú)立結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)制漿、濾漿、排渣整體化。制漿筒增加揚(yáng)料板使土塊、石塊隨制漿筒旋轉(zhuǎn)到一定高度后砸入漿液,使水土充分混合提高漿液質(zhì)量。制濾機(jī)的濾網(wǎng)既能過濾草根等輕的漂浮物,同時(shí)也能過濾石頭、磚塊等重的固體殘?jiān)?。灌漿裝備采用新型的螺旋排渣結(jié)構(gòu)裝置,這種排渣裝置不易堵塞,具有較好的排渣效果。

2.4.6 設(shè)置過壓安全保護(hù)裝置

灌漿裝備在管路上安裝過壓保護(hù)裝置。管路中裝有安全保護(hù)閥,此閥處于常閉狀態(tài),當(dāng)管路中的壓力超過規(guī)定的壓力值時(shí),安全閥開啟,由于安全閥動(dòng)作觸動(dòng)壓力傳感器,傳感器將信號(hào)上傳至工控機(jī)使工控機(jī)發(fā)出警報(bào)。使用過壓保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)管路情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控,從而起到保護(hù)設(shè)備的作用。

2.4.7 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化集中控制

灌漿裝備工作時(shí)只需定量添加制漿原料,其余制漿、濾漿、泵送等過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。裝備設(shè)置工控機(jī),工控機(jī)安裝一套組態(tài)軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞泵、集漿池漿液位置的控制,泵出現(xiàn)故障及集漿池到達(dá)報(bào)警位置時(shí)控制室出現(xiàn)聲光報(bào)警。系統(tǒng)可將設(shè)備信號(hào)和傳感器信號(hào)上傳到工控機(jī)上,在工控機(jī)上換算出泥漿量,并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)上傳,如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化數(shù)據(jù)顯示Fig.1 Display of automatic data

3 灌漿裝備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

多功能移動(dòng)灌漿裝備有效應(yīng)用于上灣煤礦注漿防滅火工程施工中,累計(jì)灌注漿177 d,注入黃土60 237 m3,注入水193 005 m3,注入漿液253 242 m3,上灣煤礦防滅火注漿工程統(tǒng)計(jì)見表1。可見,該裝備具有移動(dòng)性、服務(wù)范圍大等優(yōu)點(diǎn),大幅度提高了神東公司防滅火注漿工程施工效率,在神東礦區(qū)具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

表1 上灣煤礦防滅火注漿工程統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

神東煤炭集團(tuán)設(shè)計(jì)研發(fā)了一套具有靈活性、多功能、適用性、實(shí)用性的灌漿裝備。將該裝備應(yīng)用于神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦,有效解決了井田采空區(qū)面積大的礦井固定注漿系統(tǒng)功能單一、不可移動(dòng)、輻射范圍小、生產(chǎn)能力小等實(shí)際問題,大幅度提升了神東煤炭集團(tuán)防滅火注漿工程施工能力,促進(jìn)了防滅火技術(shù)及裝備的整體發(fā)展,為煤礦防滅火工作提供先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用前景廣闊。