超大體積底板空巷地面制漿充填技術(shù)研究

李星星

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理分公司，山西 大同 037000）

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)盈盛煤業(yè)為資源整合礦井，受整合前小煤窯私挖濫采影響，井田內(nèi)分布多種類型遺留空巷，存在冒頂、支架塌陷、瓦斯積聚等多種安全隱患，對回采造成嚴(yán)重影響，治理難度較大[1-2]。以工作面過超大體積完整底板空巷為工程背景，研究治理技術(shù)。

1 工程背景

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)盈盛煤業(yè)開采3#煤層。3511上分層工作面位于五盤區(qū)，設(shè)計走向長度1100 m，傾向長度220 m，正在掘進(jìn)上分層回采巷道。

根據(jù)礦井原有地質(zhì)資料和打鉆探測，在掘進(jìn)進(jìn)度607～632 m 范圍，探測到三條原小煤窯遺留空巷，分別為五西北回風(fēng)巷、五西進(jìn)風(fēng)巷、五西南回風(fēng)巷。三條空巷基本平行，長度約1000 m，中間有聯(lián)絡(luò)巷溝通。空巷除了對3511 工作面回采產(chǎn)生影響，對后續(xù)接替的3512、3513、3514 三個工作面都將產(chǎn)生影響，空巷影響范圍如圖1。

圖1 空巷影響范圍示意圖

煤層總厚6 m，采用分層開采方式，先采上分層，采厚2.4 m，后采下分層，采厚3.6 m。三條空巷為原小煤窯主要巷道，經(jīng)錨桿索支護(hù)，目前維護(hù)狀況良好。空巷沿煤層底板掘進(jìn)，寬度4 m，高度2.4 m，如圖2。

圖2 空巷與分層開采關(guān)系示意圖（m）

空巷危害分析：由于空巷與切眼基本平行，上分層回采通過空巷時，支架距離空巷之間煤體厚度僅約1.2 m，如不采取治理措施，整個工作面支架會整體下陷，掉入空巷內(nèi)，危害極大。

2 地面制漿充填系統(tǒng)設(shè)計

三條空巷總體積約28 800 m3，共計影響4 個工作面，按照逐個充填方式，單個工作面充填體積7200 m3。傳統(tǒng)井下泵站充填方式，主要受制于井下充填材料運(yùn)輸能力，盈盛煤業(yè)日最大運(yùn)輸能力20 t，日最大充填方量20 m3，單個工作面約需360 d 才能完成充填作業(yè)，嚴(yán)重影響工作面生產(chǎn)。因此，計劃建立一套地面制漿充填系統(tǒng)，材料無需下井，大幅提高充填能力。

2.1 地面制漿充填設(shè)備

在回風(fēng)井井口平整場地，約300 m2，建設(shè)一座綜合制漿充填站。設(shè)計制漿充填能力為60 m3/h，設(shè)計日充填方量300 m3。

地面制漿設(shè)備系統(tǒng)包括5 個部分：儲料倉、上料系統(tǒng)、稱重裝置、高速攪拌裝置、儲漿裝置。

儲料倉設(shè)計4 個，根據(jù)使用的粉煤灰基充填材料：粉煤灰75%、石灰20%、輔料5%。其中3 個封閉式儲料倉設(shè)計儲量120 t，兩個用于存儲主料粉煤灰，1 個用于存儲主料石灰；1 個開放式儲料倉設(shè)計儲量5 m3，用于存儲輔料。總存儲能力360 t，每天需使用充填材料283 t。每日用水量共180 t，準(zhǔn)備一個200 m3蓄水池，持續(xù)供水。

上料系統(tǒng)包括4 臺螺旋上料機(jī)和一臺潛水泵，螺旋上料機(jī)用于輸送粉料進(jìn)入稱量裝置，型號為LS-219，2 臺用于粉煤灰上料，剩余2 臺分別用于石灰和輔料上料。潛水泵設(shè)計送水能力100 m3/h。

稱重裝置包括2 臺稱重料斗和一臺稱重水箱，粉煤灰用一臺稱重料斗，石灰和輔料共用另一臺稱重料斗，均設(shè)計為800 kg 容量。水采用稱重水箱稱量，設(shè)計容積1.5 m3。

高速攪拌裝置包括兩臺渦流式高速攪拌機(jī)，其主要工作原理是水和灰料進(jìn)入泵體后，超高速渦流攪拌，漿體可以通過下部的出漿口進(jìn)入外部管道重新從進(jìn)漿口進(jìn)入，形成內(nèi)外循環(huán)攪拌，大大提高了漿液攪拌的速度。同時，泵體內(nèi)壁安裝了不同角度的擋板，起到切刀作用，將從進(jìn)漿口進(jìn)入的漿體切割成不同形態(tài)，加速了漿液攪拌過程。高速攪拌機(jī)設(shè)計容積1.5 m3，攪拌時間40 s 左右，制備好的漿液送入儲漿裝置。

儲漿裝置為一臺低速泥漿攪拌罐，容積5 m3。兩臺高速攪拌機(jī)制備好的漿液交替進(jìn)入儲漿裝置，實(shí)現(xiàn)連續(xù)充填，泥漿攪拌罐低速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證漿液均勻，不出現(xiàn)沉淀。

地面制漿充填設(shè)備系統(tǒng)及連接如圖3。

圖3 地面制漿充填系統(tǒng)示意圖

地面制漿充填系統(tǒng)主要設(shè)備見表1。

表1 地面制漿充填系統(tǒng)主要設(shè)備表

2.2 自動控制系統(tǒng)

以往地面充填多使用人工控制方式，依賴操作工人經(jīng)驗(yàn)，效率低下，水灰比準(zhǔn)確性差。本次在地面建設(shè)控制室，安裝自動控制系統(tǒng)，通過雷達(dá)物位計、稱重傳感器、超聲波液位計、流量傳感器等多種傳感設(shè)備，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸給PLC 控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換轉(zhuǎn)換成可視信號，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。操作人員根據(jù)PLC 顯示的數(shù)據(jù)，通過對計算機(jī)進(jìn)行控制，發(fā)出所需命令，指令進(jìn)入PLC 后進(jìn)行一系列的邏輯解算、輸出信號，控制現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)。

自動控制系統(tǒng)包括監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

（1）監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)時在線監(jiān)測物料重量、漿液流量、漿液濃度數(shù)據(jù)等參數(shù)，精確控制各種材料以及水的配比，保證漿液質(zhì)量穩(wěn)定均勻，符合要求。

（2）控制系統(tǒng)

整個制漿充填泵站的操作通過自動控制系統(tǒng)的控制，利用現(xiàn)場各環(huán)節(jié)與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、分析、中控室發(fā)出操作指令，可以對上料、稱重、下料、攪拌、放漿等工序進(jìn)行自動化操作，降低了人工操作因素的干擾，保證漿液質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)漿液的連續(xù)高效制備。

3 充填系統(tǒng)工藝設(shè)計

3.1 空巷兩端封閉

為了3511 上分層工作面盡快具備回采條件，空巷采用逐段充填法，先充填3511 工作面下方部分，以提高實(shí)施效率。

先分別從進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)探巷，探巷逐漸變坡揭露三條空巷后，在空巷內(nèi)工作面兩側(cè)位置構(gòu)筑密閉，劃定充填區(qū)域。如圖4。

圖4 空巷兩端封閉示意圖

因進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)煤層底板較高，在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，與空巷交叉位置，向底板施工鉆孔，穿透底板揭露空巷。一次成孔直徑108 mm，經(jīng)過兩輪擴(kuò)孔，最終孔徑200 mm，下套管護(hù)孔，共實(shí)施3 個鉆孔。

3.2 充填管路布置

充填管路一端連接充填制漿站低速攪拌機(jī)配備的泥漿泵，沿著回風(fēng)立井延伸至井底，然后依次經(jīng)過五盤區(qū)總回風(fēng)巷、五盤區(qū)集中運(yùn)輸巷、3511 上分層工作面進(jìn)風(fēng)巷，達(dá)到充填鉆孔處。如圖5。

圖5 管路布置示意圖（m）

回風(fēng)立井垂直高度為200 m，井下輸送長度約1620 m，近水平，充填倍線為水平長度與垂直高度的比值，為8.1。根據(jù)理論計算和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，漿液可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，但輸送線路上有4 處彎道，會造成輸送效果差，因此在每個彎道結(jié)束后，加裝1臺中轉(zhuǎn)泵，以提高漿液輸送能力。

所有管路均采用2 寸鋼管，4 m/根，法蘭連接，彎道處采用2 寸彎頭轉(zhuǎn)向。

3.3 充填材料及制漿參數(shù)

（1）粉煤灰基充填材料

粉煤灰75%，石灰20%，輔料5%，水灰比0.7:1，充填體密度1.6 t/m3，即每1 m3空間需要1.6 t 漿體。各組分質(zhì)量為：粉煤灰0.70 t，石灰0.19 t，輔料0.05 t，水0.66 t。14 d 強(qiáng)度可達(dá)7～8 MPa。

（2）制漿參數(shù)

① 高速攪拌機(jī)容積1.5 m3，每次按照1 m3設(shè)計。粉煤灰用料700 kg，兩臺粉煤灰上料螺旋機(jī)同時上料，約30 s；石灰用量190 kg，上料時間約為20 s；輔料用量50 kg，主要靠人工投料，30 s。

② 每次用水660 kg，上水時間20 s。

③ 放料前先放10 s 水，稱重設(shè)備稱料結(jié)束后，卸料口開啟放料，高速攪拌機(jī)開始進(jìn)行攪拌。

④ 攪拌和稱重可以平行作業(yè)，雙高速攪拌機(jī)交替制漿。低速泥漿攪拌罐內(nèi)漿液少于2 m3時自動控制加料。

⑤ 每天設(shè)計5 h 充填時間，充填空間300 m3，地面必須有足夠的材料存儲。粉煤灰300×0.70=210 t，石灰300×0.19=54 t，輔料300×0.05=15 t。

4 實(shí)施效果

地面制漿充填站從平整土地、方案設(shè)計、設(shè)備采購及安裝、控制系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行，共耗時60 d。

開始充填前3 d，日平均充填方量162 m3，從第4 天開始，日平均充填方量286 m3。三條空巷設(shè)計充填體積7200 m3，實(shí)際充填方量7654 m3，純充填用時30 d，共計消耗7203 t，平均每天234 t。每天除了充填時間外，其余時間用于運(yùn)輸儲備材料、沖洗檢修設(shè)備。

充填過程中自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，除開關(guān)機(jī)需人工操作外，其余工序均實(shí)現(xiàn)了自動控制。每天安排專人對低速泥漿攪拌罐內(nèi)漿液進(jìn)行取樣檢測，每30 min 取樣一次，進(jìn)行質(zhì)量濃度測定，發(fā)現(xiàn)漿液質(zhì)量濃度均勻，表明水料配比穩(wěn)定。充填全部完成等待15 d 后，打開閉墻對充填體不同部位取樣測試強(qiáng)度，強(qiáng)度在6.9～7.6 MPa 之間，充填體較為均質(zhì)穩(wěn)定，表明管路輸送系統(tǒng)設(shè)計合理，漿液以穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)入空巷內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）對于盈盛煤業(yè)超大體積底板空巷，傳統(tǒng)的井下泵站充填方式效率過低，設(shè)計了一套地面制漿充填系統(tǒng)，充填能力設(shè)計為60 m3/h。

（2）地面制漿設(shè)備系統(tǒng)由儲料倉、上料系統(tǒng)、稱重裝置、高速攪拌裝置、儲漿裝置5 個部分組成，通過自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和自動控制。

（3）效果考察表明，實(shí)際充填方量7654 m3，純充填用時30 d，平均255 m3/d，充填效率極高，是井下泵站充填方式的10 倍以上。進(jìn)行漿液定時取樣質(zhì)量濃度檢測和充填體取樣強(qiáng)度測試，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量濃度和強(qiáng)度穩(wěn)定、均勻，表明自動系統(tǒng)水料配比穩(wěn)定，管路輸送系統(tǒng)設(shè)計滿足要求。