連采連充膏體充填工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳建華，李玉增，王 壯

(1.山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊(duì)，山東 濰坊 261200；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

我國(guó)“三下”煤炭資源豐富，其中建筑物下的壓煤儲(chǔ)量約84億t[1]，開采三下煤炭時(shí)需要保護(hù)采區(qū)上方建筑物、鐵路、水體不受損壞。充填開采對(duì)于煤炭的采出率普遍在85%以上，為釋放三下壓煤、延長(zhǎng)老礦區(qū)使用年限提供了較好的解決方案[2]。近年來，已有麻黃梁煤礦、冒溪煤礦、王莊煤礦[3-5]等礦井采用充填采煤法成功釋放了建筑物下壓煤。目前，我國(guó)施行充填開采的煤礦相對(duì)較少，充填礦井中，采用較多的充填方式有矸石充填、膏體充填和高水充填[6，7]。矸石充填工藝簡(jiǎn)單，投資小，但是充實(shí)率低，充填體的強(qiáng)度小[8]；膏體是由膠結(jié)料與骨料混合成的賓漢流體，膏體充填對(duì)于地表移動(dòng)變形的控制效果最好[9，10]；高水充填法中充填材料強(qiáng)度低，易受風(fēng)化破壞[11]。又結(jié)合查莊礦周圍的矸石、粉煤灰等資源條件，遂采用膏體充填采煤法開采工業(yè)廣場(chǎng)下3煤層。

連采連充工藝通過間隔跳采、跳充的方式，實(shí)現(xiàn)了工作面采、充同步進(jìn)行，提高了充填開采效率，該工藝已在查哈素礦井、昊源煤礦、裕興煤礦、黃白茨煤礦[12-14]等得到了成功應(yīng)用。連采連充工作面的布置具有長(zhǎng)壁布局與短壁開采的特點(diǎn)[15]。

1 工程概況

查莊煤礦位于山東省肥城市石橫鎮(zhèn)境內(nèi)，于1968年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60萬t/a。井田面積15.6 km2，井田可采煤層10層，可采總厚度15.4 m，煤層傾角為6°～15°。經(jīng)過數(shù)十年的不斷開采，礦區(qū)易采煤炭資源面臨枯竭。查莊煤礦工業(yè)廣場(chǎng)下3煤層埋深155.5～236.3 m，煤層充填開采區(qū)域走向長(zhǎng)約580 m，傾向長(zhǎng)約460 m，面積278500 m2，資源儲(chǔ)量150萬t。地面標(biāo)高為：+70.79～+73.20 m，平均72.0 m。地面充填站位置如圖1所示，為節(jié)約資源，充填鉆孔利用已報(bào)廢的水源井。

工業(yè)廣場(chǎng)下3煤層采用連采連充開采方式，充填材料為：充填膠結(jié)料(水泥+粉煤灰+水)20%和煤矸石80%，充填開采設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬t/a。

2 階段性采充循環(huán)

連采連充首采工作面走向長(zhǎng)586 m，傾向長(zhǎng)86 m，煤層厚度1.6～3.5 m，支巷長(zhǎng)度80 m，巷寬4 m，每十條支巷劃為一個(gè)生產(chǎn)單元，一個(gè)單元的采煤過程可分為以下四個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 采充循環(huán)階段Fig.2 Mining and filling cycle stage

1)階段一：利用連續(xù)采煤機(jī)開采1號(hào)支巷，通過刮板輸送機(jī)將煤運(yùn)出，然后通過間隔跳采的方式開采3號(hào)支巷的同時(shí)，利用充填系統(tǒng)將充填材料送入采空的1號(hào)支巷，充填擋墻采用木板、液壓點(diǎn)柱、鐵棚腿、木支柱等制作；通過煤體側(cè)掏槽、提前打設(shè)加固錨桿、打設(shè)戧柱等方式防止?jié){。

2)階段二：開采完3號(hào)支巷后，繼續(xù)開采單元內(nèi)剩余的奇數(shù)巷，同時(shí)充填前一條開采完的空巷，實(shí)現(xiàn)采煤與充填的連續(xù)、同步作業(yè)，偶數(shù)巷作為煤柱支撐頂板。

3)階段三：奇數(shù)巷開采完畢后，連續(xù)采煤機(jī)退至運(yùn)輸巷道，移步到2號(hào)支巷下端口處，開采第一條偶數(shù)支巷。在開采4號(hào)支巷的過程中，對(duì)2號(hào)空巷進(jìn)行充填。

4)階段四：將剩余的偶數(shù)巷采、充完畢，利用奇數(shù)巷支撐頂板，實(shí)現(xiàn)整個(gè)單元全采全充。

3 膏體充填工藝設(shè)計(jì)

膏體充填系統(tǒng)由地面充填站和輸送管道組成，膏體在地面制備完畢后，通過泵送的方式進(jìn)入充填管道，膏體到達(dá)待充填巷道上端口，借助煤層傾角，利用勢(shì)能流入空巷接頂密實(shí)。

3.1 膏體制備工藝

連采連充膏體制備與充填工藝如圖3所示。水泥、粉煤灰先后通過螺旋輸送機(jī)進(jìn)入稱重料斗，達(dá)到預(yù)設(shè)值后下方電動(dòng)閥門開啟，粉末進(jìn)入一級(jí)攪拌機(jī)。水池中的清水經(jīng)水泵、水管、電磁流量計(jì)流入下方的攪拌機(jī)中，同其他原料一起高速攪拌50 s。攪拌均勻的灰漿進(jìn)入儲(chǔ)漿緩沖罐中暫存，緩沖罐可以多次儲(chǔ)存一級(jí)攪拌機(jī)制得的灰漿，內(nèi)部安裝低速旋轉(zhuǎn)的攪拌裝置防止料漿沉淀。

圖3 連采連充膏體制備與充填工藝Fig.3 Preparation and filling process of continuous mining and filling paste

前期煤炭開采的伴生廢料煤矸石儲(chǔ)存在矸石倉(cāng)中，矸石倉(cāng)下接一級(jí)破碎機(jī)對(duì)矸石進(jìn)行初步破碎后，由帶式輸送機(jī)將矸石送至滾軸篩進(jìn)行篩選，25 mm以下的矸石通過下方帶式輸送機(jī)運(yùn)至矸石棚中，25 mm以上的矸石滾入二級(jí)破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎，從破碎機(jī)出口落入下方帶式輸送機(jī)。鏟車將矸石棚中的碎矸石送入送料機(jī)中，送料機(jī)保證矸石定量、均勻釋放。

灰漿與帶式輸送機(jī)上的碎矸石進(jìn)入二級(jí)攪拌機(jī)中，由攪拌機(jī)制得的成品膏體流入充填工業(yè)泵，等待泵送至井下。

水泥與粉煤灰儲(chǔ)料倉(cāng)上方安裝袋式除塵器，防止罐車泵送粉料時(shí)倉(cāng)內(nèi)的粉塵排放至倉(cāng)外，同時(shí)及時(shí)從外界補(bǔ)充氣體，保證物料正常流出。為了及時(shí)了解儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)物料剩余情況，在倉(cāng)頂安裝了雷達(dá)料位計(jì)，通過微波脈沖反射測(cè)得料位信息，并反饋給工控機(jī)實(shí)時(shí)顯示。儲(chǔ)料倉(cāng)底部應(yīng)安裝氣體破拱裝置，防止出口堵塞。

根據(jù)水泥與粉煤灰的堆積角為40°～45°[16]，稱重料斗的底部錐形結(jié)構(gòu)傾角設(shè)為60°，用來提高下料時(shí)的流暢度。料斗內(nèi)安裝有壓式稱重傳感器和氣動(dòng)蝶閥，由工控機(jī)控制氣動(dòng)蝶閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉。料斗下配置一臺(tái)功率為50 W的振動(dòng)器，防止物料發(fā)生堆積堵塞。

一級(jí)攪拌機(jī)采用攪拌軸高速旋轉(zhuǎn)的渦流制漿機(jī)，主要負(fù)責(zé)灰漿的攪拌制作，其入口緊接稱重料斗的出口，防止物料濺出。攪拌葉輪的轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、葉輪直徑等參數(shù)對(duì)于攪拌效果有重要的影響。一級(jí)攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，攪拌機(jī)生產(chǎn)能力為60 m3/h。

表1 一級(jí)攪拌機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of primary mixer

儲(chǔ)漿緩沖罐可多次儲(chǔ)存一級(jí)攪拌機(jī)制得的成品漿液，主要用于提高流入二級(jí)攪拌機(jī)的灰漿的連續(xù)性。攪拌葉輪共有5層，每層葉輪有2枚斜葉槳，儲(chǔ)漿緩沖罐的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 儲(chǔ)漿緩沖罐設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of slurry buffer tank

二級(jí)攪拌機(jī)采用雙臥軸攪拌機(jī)，主要由殼體、主軸、襯板、攪拌臂、葉片、減速機(jī)等組成。與單軸攪拌機(jī)相比，具有攪拌量大、結(jié)構(gòu)緊湊、攪拌時(shí)與介質(zhì)接觸面大、磨損程度較低等優(yōu)點(diǎn)[17]。二級(jí)攪拌機(jī)工作周期為45 s，二級(jí)攪拌機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 二級(jí)攪拌機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of secondary mixer

破碎機(jī)主要由殼體、襯板、錘頭轉(zhuǎn)子、帶輪等組成，錘頭轉(zhuǎn)子由帶輪驅(qū)動(dòng)，矸石通過在高速旋轉(zhuǎn)的錘頭與貼于殼體內(nèi)壁的襯板間反復(fù)碰撞實(shí)現(xiàn)破碎效果[18]。一級(jí)破碎機(jī)選用2PF-1010型雙轉(zhuǎn)子反擊式破碎機(jī)，工作時(shí)，通過雙電機(jī)的帶動(dòng)，兩套轉(zhuǎn)子同時(shí)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，將矸石倉(cāng)滾落出的矸石破碎至30 mm以下。二級(jí)破碎機(jī)則選用XCP-1010型反擊式破碎機(jī)，負(fù)責(zé)將矸石的出料粒度控制在25 mm以下。一、二級(jí)破碎機(jī)關(guān)鍵參數(shù)見表4。

表4 一、二級(jí)破碎機(jī)關(guān)鍵參數(shù)Table 4 Key parameters of primary and secondary crushers

滾軸篩的篩面由12根等距排列的篩軸構(gòu)成，每根篩軸上帶有若干個(gè)梅花形篩盤，相鄰兩根篩軸上的篩片交錯(cuò)布置，形成整齊有序、大小一致的篩孔[19]，當(dāng)矸石在篩面上滾動(dòng)時(shí)，粒徑小于25 mm的煤矸石會(huì)從篩孔中通過，大于25 mm的煤矸石則在篩軸帶動(dòng)下前進(jìn)，最終落入二級(jí)破碎機(jī)內(nèi)。

3.2 管道充填工藝

管道充填工藝如圖4所示，管道運(yùn)輸系統(tǒng)由地面管、鉆孔管、井下管、工作面管組成，膏體充填采空區(qū)時(shí)，通過三通閥改變膏體流向，利用自行式噴射機(jī)對(duì)巷道上端口進(jìn)行上三角密封，保證充填體接頂率95%以上。

圖4 管道充填工藝Fig.4 Pipeline filling process

泵送充填流程及作業(yè)順序：充填準(zhǔn)備→管道充水→膏體推水→正常充填→水推膏體→打風(fēng)→充填結(jié)束。膏體充填前后都需要對(duì)管道進(jìn)行清洗，清洗前，井下安排專人對(duì)充填管路進(jìn)行檢查，確保充填管道吊掛平直、固定牢固以及相關(guān)接頭緊固有效。管路沖洗完畢后，啟動(dòng)充填系統(tǒng)進(jìn)行充填。工作面充填至規(guī)定要求時(shí)，井下充填工作人員通知地面充填站停料，下水沖洗管路，待充填出料口流出清水且確認(rèn)管路內(nèi)無余料后通知地面停水，隨后打風(fēng)完成管路的進(jìn)一步清洗工作。

4 采動(dòng)影響分析

頂板離層量一般使用頂板離層儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過讀取深孔測(cè)點(diǎn)與淺孔測(cè)點(diǎn)的位移來反映離層變化。根據(jù)查莊煤礦頂板特點(diǎn)，確定了淺孔測(cè)點(diǎn)安裝深度為2 m，深孔安裝深度為6 m。運(yùn)輸巷道頂板離層儀所監(jiān)測(cè)到的離層變化情況如圖5所示。由圖可知，運(yùn)輸巷道頂板于8月11日產(chǎn)生了離層，深孔測(cè)點(diǎn)的離層量為20.5 mm，淺孔測(cè)點(diǎn)離層量為5.5 mm，兩測(cè)點(diǎn)之間的頂板離層量為15 mm，分析產(chǎn)生離層的原因?yàn)殚_采運(yùn)動(dòng)造成頂板破裂，充填體接頂后離層量趨于穩(wěn)定。

圖5 頂板離層測(cè)點(diǎn)位移變化曲線Fig.5 Displacement variation curve of roof separation measurement points

對(duì)3煤層上方的工業(yè)廣場(chǎng)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，測(cè)站設(shè)置在主廠房向東南方延伸，共設(shè)置8個(gè)走向測(cè)站、4個(gè)傾向測(cè)站。測(cè)站監(jiān)測(cè)的地表下沉量見表5。

表5 工作面地表下沉值統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of surface subsidence values in working faces

通過觀察表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)非充分采動(dòng)的地表最大下沉量27 mm，為距離工作面最近的測(cè)站L6；L1測(cè)站距離連采連充工作面最遠(yuǎn)，為307 m，地表下沉值為0 mm。因此可以得到充填開采運(yùn)動(dòng)對(duì)地表造成的影響范圍不超過307 m。實(shí)踐證明，工作面采取連采連充工藝后，有效控制了地表的沉降，地表水平變形值-0.4～0.6 mm/m、傾斜變形值-1.0～0.8 mm/m，地表建筑在I級(jí)建筑物損壞等級(jí)之內(nèi)。

5 結(jié) 論

1)采用連采連充工藝對(duì)查莊煤礦工業(yè)廣場(chǎng)下3煤層進(jìn)行了開采，實(shí)現(xiàn)煤炭全采全充。根據(jù)該礦資源條件，充分利用荒廢的水源井作為充填鉆孔，提高了資源利用率。

2)對(duì)膏體充填工藝和對(duì)應(yīng)的充填系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過“先制灰漿，再制矸石漿”的工藝順序保證了膏體質(zhì)量，料漿在制作過程中全程封閉，避免粉料暴露對(duì)空氣造成污染；通過矸石倉(cāng)-帶式輸送機(jī)-矸石棚的工藝路線實(shí)現(xiàn)了“矸石不落地”，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色開采。

3)充填后運(yùn)輸巷道頂板最大離層量為20.5 mm，測(cè)站檢測(cè)的地表最大沉降值為27 mm，工業(yè)廣場(chǎng)上的建筑物功能正常，證明了連采連充膏體充填工藝在查莊礦具有良好的適應(yīng)性，對(duì)于建筑物下采煤工作具有指導(dǎo)作用。