風(fēng)積砂似膏體充填站優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉鵬亮，孫凱華

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

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風(fēng)積砂似膏體充填站優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉鵬亮1，2，孫凱華1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

針對(duì)風(fēng)積砂似膏體充填料漿的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了充填站制漿工藝流程，制定了風(fēng)積砂篩分輸送工藝和粉煤灰?guī)齑鎯?chǔ)及輸送工藝。提出了雙制漿系統(tǒng)集中布置同時(shí)作業(yè)以提高充填能力的思路，并設(shè)置地下設(shè)備池，將不同罐體高低錯(cuò)落布置，充分利用地勢降低了物料輸送過程中的能耗。榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填站建設(shè)運(yùn)行實(shí)踐表明，該系統(tǒng)布置方式簡單緊湊，投資低，各設(shè)備能夠發(fā)揮較高的效能，制漿能力不低于360m3/h，為高效充填采煤提供了充填能力保障。

風(fēng)積砂似膏體；充填站；粉煤灰?guī)欤浑p制漿系統(tǒng)；地下設(shè)備池

膠結(jié)充填開采是煤礦解放“三下”壓煤、實(shí)現(xiàn)礦井綠色開采的重要技術(shù)措施，該技術(shù)通過采用強(qiáng)度較高的類似“混凝土”的膠結(jié)充填材料填充采煤后形成的空區(qū)，支撐上覆巖層，達(dá)到減小采動(dòng)影響的效果，在我國多個(gè)礦區(qū)得到推廣應(yīng)用[1-2]，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。近年來，專家學(xué)者在膠結(jié)充填開采的充填材料、充填工藝、充填設(shè)備等方面進(jìn)行了大量的研究[3-6]，但對(duì)于地面充填站設(shè)計(jì)方面的研究略顯不足。某些煤礦由于充填站系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)欠佳，存在投資過大、能耗浪費(fèi)較大、制漿能力偏低等問題，對(duì)充填工程的質(zhì)量和效益造成影響。本文結(jié)合風(fēng)積砂似膏體充填技術(shù)，對(duì)膠結(jié)充填站的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討與實(shí)踐。

1 風(fēng)積砂似膏體充填技術(shù)概述

西北地區(qū)如榆林、鄂爾多斯等地煤炭資源儲(chǔ)量豐富、煤層開采條件優(yōu)越，是我國煤炭能源的重要生產(chǎn)基地，但該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，大規(guī)模的煤炭垮落法開采極易造成地面大面積塌陷、水資源流失、荒漠化加劇等環(huán)境災(zāi)害。針對(duì)這一問題，天地科技股份有限公司研發(fā)了風(fēng)積砂似膏體充填采煤技術(shù)——采煤工作面每推進(jìn)一定距離，采用風(fēng)積砂似膏體充填材料對(duì)后方采空區(qū)進(jìn)行一次充填，充填體凝固后工作面繼續(xù)推進(jìn)，如此“采煤—充填”交替循環(huán)進(jìn)行，在控制覆巖沉降條件下將煤炭資源置換出來。風(fēng)積砂似膏體充填材料的特點(diǎn)在于：一是以當(dāng)?shù)貜V泛存在的風(fēng)積砂為骨料，大幅度降低了充填材料成本；二是以粉煤灰、輔料(生石灰、石膏等)和水泥等為膠結(jié)劑，初始流動(dòng)度大于190mm，30min流動(dòng)度大于170mm，可在充填倍線不超過15條件下自流輸送至井下采空區(qū)。

陜西中能煤田有限公司榆陽煤礦在2307綜采充填工作面進(jìn)行風(fēng)積砂似膏體充填采煤工業(yè)性試驗(yàn)。工作面寬160.8m(含兩巷)，長1149m，平均采厚3.30m，埋深190m，平均傾角0.28°。工作面采用專用充填支架，充填步距6.4m，單次充填量約3300m3，充填采煤能力設(shè)計(jì)0.6Mt/a。地面充填站位于主斜井工業(yè)廣場，距2307工作面水平距離約1000m，滿足漿液自流輸送的倍線條件，設(shè)計(jì)制漿能力360m3/h。

2 風(fēng)積砂似膏體制漿工藝流程

榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填材料的配比為水泥∶輔料∶粉煤灰∶風(fēng)積砂∶水=1∶1.6∶10∶12∶(9.2～11)[7]。以制漿能力180m3/h的制漿系統(tǒng)為例，其設(shè)備包括4個(gè)100m3初漿罐、1個(gè)80m3輔料罐、1個(gè)80m3水泥罐、1個(gè)16m3成漿罐、1套風(fēng)積砂篩分輸送系統(tǒng)和1套自動(dòng)化控制系統(tǒng)。制漿工藝為：先向初漿罐內(nèi)注入定量的水，啟動(dòng)攪拌電機(jī)后邊攪拌邊注入粉煤灰，制成初漿；然后將初漿、輔料、水泥和風(fēng)積砂按照設(shè)定的比例同時(shí)輸入成漿罐，在攪拌器的作用下混合均勻，邊攪拌邊輸出料漿；料漿經(jīng)管路自流輸送到充填工作面。

3 充填站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

充填站制漿系統(tǒng)應(yīng)依據(jù)充填料漿的特點(diǎn)及制漿能力要求，本著安全性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則，將物料存儲(chǔ)、輸送與攪拌等各設(shè)備進(jìn)行合理配置布局。國內(nèi)已建成運(yùn)行的多座矸石(似)膏體充填站主要包括破碎系統(tǒng)、原料存儲(chǔ)系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等[8-11]。榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填站系統(tǒng)組成與此相似，但風(fēng)積砂與矸石性能差別較大、粉煤灰用量大，因此應(yīng)有針對(duì)性地解決風(fēng)積砂篩分輸送工藝及粉煤灰存儲(chǔ)輸送工藝，并研究提高制漿能力和降低能耗的措施。

3.1 風(fēng)積砂篩分及輸送工藝

風(fēng)積砂由于長期受到風(fēng)的吹揚(yáng)、搬運(yùn)、堆積，其粉粘粒含量少，表面活性低，松散、無聚性，具有明顯的非塑性；粒徑0.15～0.60mm，平均0.249mm，屬特細(xì)砂，無需破碎即可作為充填漿液骨料。風(fēng)積砂進(jìn)入制漿系統(tǒng)前，需經(jīng)歷存儲(chǔ)、篩分及定量輸送3個(gè)環(huán)節(jié)。工藝流程為：地面受砂口→定量給料機(jī)→偏心式同步水平篩→帶式輸送機(jī)(電子膠帶秤)→成漿罐。充填站布置見圖1。

圖1 充填站布置示意

具體步驟為：

(1)存儲(chǔ) 風(fēng)積砂原料堆放至充填站地面受砂口附近，存儲(chǔ)量按單次充填漿液所需風(fēng)積砂量的2倍考慮，約4300t。砂堆上方搭設(shè)防雨棚。

(2)篩分 用鏟車將風(fēng)積砂從砂堆推入受砂口，進(jìn)入定量給料機(jī)，由溜槽送入偏心式同步水平振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，篩余物由篩下漏斗輸送到大傾角帶式輸送機(jī)提升至地面。每臺(tái)給料機(jī)的最大能力為150t/h，計(jì)量精度誤差不超過0.5%；偏心式同步水平振動(dòng)篩最大篩分能力200t/h，入料粒度不超過150mm，考慮到可混入雜物最大粒徑與漿液輸送管徑的關(guān)系確定篩孔尺寸為25mm。

(3)定量輸送 篩分后的風(fēng)積砂經(jīng)安裝有電子膠帶秤的帶式輸送機(jī)輸送至成漿罐，輸送量可通過膠帶秤反饋調(diào)整。

3.2 粉煤灰?guī)齑鎯?chǔ)及輸送工藝

榆陽煤礦2307綜采充填工作面單次充填所需粉煤灰約1600t，而其距榆陽煤礦最近的電廠20km以上，僅靠灰罐車實(shí)時(shí)運(yùn)輸存在的供給風(fēng)險(xiǎn)較大，因此建立粉煤灰?guī)爝M(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)周轉(zhuǎn)十分必要。粉煤灰?guī)煸O(shè)計(jì)的原則為：

(1)容量滿足2次充填所需粉煤灰量。

(2)滿足普通灰罐車向粉煤灰?guī)齑蚧?，?shí)現(xiàn)由粉煤灰?guī)煜虺鯘{罐定量供灰。

(3)整個(gè)粉煤灰?guī)煜到y(tǒng)具有先進(jìn)性和可靠性，能耗較低。

(4)充分利用現(xiàn)有場地，與充填站各設(shè)備協(xié)調(diào)，達(dá)到整體布局美觀。

國際價(jià)格的持續(xù)上漲無疑對(duì)國內(nèi)市場提供利好支撐，甚至讓不少人對(duì)尿素出口再度抱有期待。無論尿素能否再度走出國門，中國近300美元/噸的離岸價(jià)對(duì)國內(nèi)市場提供的價(jià)格支撐是實(shí)實(shí)在在的。

在滿足上述原則的前提下，設(shè)計(jì)了φ11m×18m，儲(chǔ)存能力為1800m3的鋼板倉粉煤灰?guī)?個(gè)(圖1)。粉煤灰向初漿罐定量輸送工藝如下：

(1)庫底卸料 粉煤灰?guī)觳捎昧鲬B(tài)化卸料。庫底設(shè)置4個(gè)下料鋼錐，卸料量控制在20～120t/h之間，每個(gè)下料鋼錐加4塊流化板，當(dāng)庫內(nèi)粉煤灰板結(jié)、起拱、堵塞時(shí)起松動(dòng)作用。所有流化板皆采用羅茨風(fēng)機(jī)而不采用壓縮空氣供氣，避免了因壓縮空氣里所含的水分使流化板的透氣效果差而造成設(shè)備不能長時(shí)間使用的缺陷。

(2)中間過程輸送及計(jì)量 粉煤灰?guī)炫c放置初漿罐的設(shè)備池之間相距近10m，庫底卸下的粉煤灰首先由氣力輸送斜槽輸送到提升機(jī)，經(jīng)過天橋平臺(tái)，再進(jìn)入設(shè)備池的氣力輸送斜槽，將粉煤灰整理為均勻料流，依靠重力進(jìn)入沖板式流量計(jì)計(jì)量。

(3)進(jìn)入初漿罐 計(jì)量后的粉煤灰，由設(shè)備池氣力輸送斜槽輸送到初漿罐。每套氣力輸送斜槽上裝有6個(gè)氣動(dòng)閘閥，用于控制向各個(gè)初漿罐打灰。粉煤灰輸送能力為90～180t/h。

3.3 雙制漿系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)提高充填能力

目前國內(nèi)外煤礦充填站制漿能力最大約150m3/h左右，制約了充填采煤生產(chǎn)能力。榆陽煤礦提出了充填站制漿能力360m3/h的目標(biāo)。提高制漿能力的途徑有兩種：一是提高相關(guān)設(shè)備規(guī)格實(shí)現(xiàn)制漿能力的增加，但這需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)制造，而且系統(tǒng)運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)提升；二是2套常規(guī)能力制漿系統(tǒng)同時(shí)作業(yè)實(shí)現(xiàn)制漿能力翻倍。在目前技術(shù)水平條件下，第二種方式簡單易行，可靠性高。因此，將2套能力均為180m3/h的常規(guī)制漿系統(tǒng)集中布置聯(lián)合作業(yè)，平面如圖1(a)所示，充填漿液分別通過各自管路輸送至充填區(qū)域，總充填能力達(dá)到360m3/h。2套制漿系統(tǒng)聯(lián)合布置應(yīng)兼顧集中性和獨(dú)立性，達(dá)到既節(jié)省空間，又不造成兩系統(tǒng)相互干擾的效果。

各類罐體高度一般在10m左右，上料、檢修存在一定難度，向罐體打灰輸漿過程中能量損耗較多，這也是目前多數(shù)充填站運(yùn)行中普遍存在的問題?；诖耍岢隽嗽O(shè)置地下設(shè)備池并將設(shè)備高低錯(cuò)落布置的方式(如圖1(b)所示)：初漿罐、輔料罐、水泥罐置于地面以下10m設(shè)備池中，罐體頂部基本與地面平行，利于粉狀物料和水從罐頂向罐體內(nèi)輸送；風(fēng)積砂系統(tǒng)的存儲(chǔ)、篩分、輸送部分由地面到設(shè)備池底部利用地勢高差依次布置，篩分后的風(fēng)積砂膠帶輸送機(jī)經(jīng)地下走廊輸送到成漿罐；成漿罐置于設(shè)備池中央、地面以下15m的小型設(shè)備池中，利于初漿、風(fēng)積砂、輔料和水泥向成漿罐輸送。該布置方式將設(shè)備布置與地勢充分結(jié)合，減少了物料輸送過程中的能耗，且方便作業(yè)。

4 應(yīng)用效果

2012年5月，榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填站建設(shè)安裝完畢并進(jìn)行了調(diào)試，7月進(jìn)行了充填開采工業(yè)性試驗(yàn)。充填站制漿過程中各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，風(fēng)積砂篩分輸送系統(tǒng)順暢，篩孔大小合理，料流均勻、穩(wěn)定；粉煤灰?guī)齑媪亢侠?、?jì)量準(zhǔn)確、輸送均勻；初漿、輔料、水泥摻加比例控制在合理范圍，漿液性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)一致；整體故障率低，制漿能力不低于360m3/h，為高效充填采煤提供了充填能力保障。充填站土建、設(shè)備投資共約4000萬元，與同等充填能力的充填站投資折算相比，約降低20%～30%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。充填站概貌如圖2所示。

圖2 榆陽煤礦充填站概貌

5 結(jié)束語

(1)風(fēng)積砂似膏體制漿工藝流程簡述為：將粉煤灰和水在初漿罐攪拌均勻后與輔料、水泥和風(fēng)積砂按照設(shè)定的配比輸入成漿罐，在攪拌器的作用下均勻混合，邊攪拌邊輸出料漿。為保證制漿過程中風(fēng)積砂和粉煤灰兩大主料的連續(xù)定量輸送，設(shè)計(jì)了風(fēng)積砂篩分及輸送工藝、粉煤灰?guī)齑鎯?chǔ)及輸送工藝。

(2)提出了充填站雙制漿系統(tǒng)集中布置聯(lián)合作業(yè)的思路，可使制漿能力提高1倍；設(shè)置了地下設(shè)備池將不同設(shè)備高低錯(cuò)落布置，達(dá)到充分利用地勢降低物料輸送過程中能耗的目的。

(3)榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填開采工業(yè)性試驗(yàn)表明，該充填站設(shè)計(jì)方式簡單緊湊，整體投資比同等能力充填站折算降低20%～30%，運(yùn)行過程中，各項(xiàng)設(shè)備發(fā)揮了較高的效能，制漿能力不低于360m3/h，為高效充填采煤提供了充填能力保障，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Optimal Design and Practical of Aeolian Sand Paste-like Backfill Station

LIU Peng-liang1,2, SUN Kai-hua1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

To the characters of aeolian sand paste-like backfill material，then grouting process of backfill station was designed，screening transportation technology of aeolian sand，coal ash storeroom storage and transportation technology were formulated. the method that double grouting system was distributed concentration and working at the same time was put forward ,which backfill capacity could be improved obviously，underground equipment pool was set，and different tank body were arranged scatter，the energy consumption that appeared during transportation was decreased with terrain. The practical of aeolian sand paste-like back station constructed in Yuyang coal mine showed that the arrangement form is simply and compactly，investment low，all equipment works well and grouting capacity not small than 360m3/h. It offered backfill capacity safeguard for backfill coal mining effectively.

aeolian sand paste-like；backfilling station；coal ash storeroom；double grouting system；underground equipment pool

2016-06-06

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.018

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX05045007-003)；中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2016MS011)；天地科技股份有限公司青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-15)

劉鵬亮(1980-)，男，河北石家莊人，博士研究生，主要從事煤礦充填開采技術(shù)方面的研究工作。

劉鵬亮，孫凱華.風(fēng)積砂似膏體充填站優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].煤礦開采，2016，21(6)：65-67，53.

TD853.34

A

1006-6225(2016)06-0065-03