论文部分内容阅读
摘 要：以中峪矿井为背景，首先分析了充填开采技术的发展与现状，阐述了膏体充填技术的概念、工艺特点和技术优势;其次，计算了中峪矿井地面膏体制备及泵送系统的处理能力，介绍了中峪矿井地面膏体制备及泵送系统的工艺流程、系统组成及设备性能;最后，展望了膏体充填技术的应用前景。
关键词：矿井;充填开采;膏体制备
0 引言
“三下”压煤的开采，主要是指对被构建筑物、水体及铁路下的压煤进行的开采活动的总称。我国作为煤炭资源大国，“三下”压煤量巨大，据不完全统计，我国“三下”压煤工业储量超过140亿t，其中构建筑物下近80亿t，约占“三下”压煤总量的62%，并且广泛分布在各城市村镇中。但就目前而言，“三下”压煤的开采量还不到总体储量的7%，开采率低的主要原因是“三下”压煤的开采往往会造成一些现实问题。“三下”压煤开采容易使地表产生沉陷和积水问题，甚至可能引发一系列地质灾害;另外，还容易对地面构建筑物等的安全性和稳定性造成不利影响[1]。
1 充填开采技术的发展
针对“三下”压煤开采的种种问题，国内外发展了多种针对性开采技术，目前较为成熟的有房柱式开采技术、条带开采技术、限厚开采技术、充填开采技术等等，其中充填开采技术在我国已经得到了较为广泛的应用[2]。充填开采技术是指在采空区内利用矸石、砂石等材料进行填充支护，进而避免地表变形。传统的充填开采技术，按照充填材料的不同，大致可以分为水力充填技术、粉煤灰充填技术、风力充填技术。其中，水力充填技术是利用水力通过管道把充填材料送入采空区，这种充填方法采用砂砾、碎石等材料，此类材料填充能力大、填充密度高，但由于水力充填工序复杂，成本较高，近些年应用得越来越少。粉煤灰充填技术采用烟道飞灰及锅炉炉灰等材料，其优点是原材料获取容易，运输简单，缺点则是制成的浆料流动性较大，难以控制。风力充填技术是利用风压将充填材料输送到采空区的一种工艺方法，同样因为设备成本高、能量消耗大的问题，应用不多[3]。
2 膏体充填开采技术的特点
膏体充填开采技术是近年来应用最为广泛的一种充填开采技术，其工艺原理如下：将井下掘进、开采过程中产生的矸石运输至地面膏体制备系统，加入粉煤灰、水泥等材料，按照一定的比例与水混合，并添加一定剂量的添加剂，加工成不离析、不沉淀、不脱水的膏状浆体，然后利用管道运送至井下，进行采空区的填充。
膏体充填技术具有一般充填技术的特点，如能够稳定维护围岩、有效减少地表沉降、提高自然资源回收率等，还具有连续性、高浓度、大规模的特点，整个系统后期管理及运营成本较低，同时可兼顾采空区防灭火的功能[4]。
3 中峪矿井概述
中峪矿井位于山西省晋中煤炭基地的霍东矿区北部，矿井资源储量丰富，有条件建设大型矿井，目前年设计生产能力500 Mt，本井田内主要可采煤层2层。利用概率积分法对该矿区进行地表沉陷预测，结果显示，预计井田累计下沉深度可达4 554 mm，沉陷面积高达145.26 km2，也就是说，在全井田煤层开采结束后，除受安全煤柱保护区域外，井田内大部分区域均会出现不同程度的沉陷。利用煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法，对相关煤层进行自燃倾向性试验，试验报告显示，其各可采煤层的自燃倾向性多为Ⅱ类，即为较容易自燃的煤。由此可见，中峪矿井需要同时解决矸石环保处理和采空区防灭火的问题，而膏体充填技术恰好能够同时解决以上两个问题。
4 地面膏体制备及泵送系统
4.1 膏体制备及泵送系统处理能力计算
充填膏体制备及泵送系统，是用来集中搅拌充填膏体并通过充填管路将充填膏体泵送到充填点的联合机械装置，涉及充填膏体原材料上料、计量、搅拌、卸料和泵送等充填膏体制备及泵送的整个过程，对充填膏体的质量影响极大，是整个膏体充填系统的核心部分。所以，选用一套可靠、精准和安全的充填膏体制备及泵送系统对于整个充填膏体系统高效、稳定运行至关重要。
选用水泥、粉煤灰、矸石、水及少量添加剂作为原材料进行膏体充填料浆的制备，各种材料的比例为水泥：粉煤灰：矸石：水=1：4：15：6;考虑井下环境温度等因素对充填料浆胶结及泵送性能的影响，可适量使用减水剂、早强剂等添加剂，以增强膏体的有效性能;矿井测算的需充填处理矸石量为110万t/a，按照充填系统每年运转330天，每天运转16 h计算，即矸石处理量约为200 t/h，按照充填料浆比例推算，同时考虑设计余量后，相应的水泥、粉煤灰及水的供应量分别为18 t/h、70 t/h、110 t/h。
4.2 膏体制备及泵送系统工艺流程
充填料浆制备工艺主要包括干料准备、配料混合、加水搅拌、泵送充填四部分，井下矸石通过矸石转运胶带送至矸石储料场进行存储;同时将粉煤灰、水泥、添加剂也分别存储至各自料仓备用。根据设计的膏体料浆配比，通过计量配料装置将各干料成分充分混合。将混合后的充填干料成分转运至搅拌机，根据设计的充填材料浓度加水进行搅拌，并使各种成分混合均衡。将充分搅拌后制成的充填料浆放入泵送料浆斗内进行泵送，并经充填管路运输至工作面进行充填工作[5]。
膏体制备及泵送系统工艺流程如图1所示。
4.3 膏体制备及泵送系统设备选型
通过上述矿井充填系统处理能力的计算，结合其他矿井膏体充填经验及现有成熟的膏体充填设备，设计选用的地面膏体充填站主要设备包括：反击式破碎机、高细破碎机、带式输送机、螺旋给料机、双卧轴混凝土搅拌机、充填工业泵、电控系统等。
根据对现场矸石的采样分析得知，中峪矿井矸石的特点是大块占比较多，小块占比较少，故在膏体制备系统中选用两级破碎，第一级利用PFW1318III型反击式破碎机，将矸石粒度降至200 mm以下，第二级利用PC1400×1600高细破碎机，将矸石进一步破碎至8 mm以下的小颗粒，以满足膏体制备的需要。在矸石颗粒的配送中，选用带式输送机为给料装置。带式输送机适用于物料流动性较低、给料速度较大的给料场合。该带式输送机采用变频驱动方式，矸石通过带式输送机向矸石称重斗中加料，矸石给料速度可调，保证矸石的配料精度。
螺旋给料机适用于物料流动性好、配料精度较高的给料要求。对于水泥、粉煤灰的给料，则根据上文所计算的供应量，分别选取LSY193和LSY400型螺旋给料机，其最大给料量分别为30 t/h、140 t/h，可以满足系统的需要。同时，为螺旋给料设备配备变频器，可通过调整给料机转速和螺旋给料的口径以实现配料速度的调整，进而实现物料的精确配比。
原材料分别加入DKX双卧轴搅拌机后，开始搅拌，搅拌时间约60 s，出料时间约20 s。搅拌完成后，充填工业泵开始膏体泵送工作。系统选取HGBSW270型号充填工业泵，其理论泵送能力可达270 m3/h，具有压力高、排量大、可靠性好的特点，可以高效地完成膏体的远距离输送任务。
5 结语
在绿色矿山的建设成为煤炭行业共识的今天，如何在经济效益、社会效益和生态效益之间实现统一，已经成为矿产资源管理工作中和矿业发展道路上一项新的课题。膏体充填开采技术作为一种环境友好型的开采技术，必将在未来的煤矿开采中发挥出更加重要的作用，而针对矿井的自身特点和需求，进行准确的计算，选择合理的方案以及设备，无疑可以对矿井的绿色生产起到积极的作用。
[参考文献]
[1] 肖纪永.浅谈填充開采方法在三下压煤条件下的应用[J].中国新技术新产品，2013（15）：93-94.
[2] 李非.我国三下采煤技术的应用及发展状况[J].技术与市场，2016，23（6）：174.
[3] 赵国喜.三下压煤充填采煤技术发展现状及展望[J].能源与节能，2016（7）：129-130.
[4] 吴爱祥，王勇，王洪江.膏体充填技术现状及趋势[J].金属矿山，2016（7）：1-9.
[5] 张建公，郭科伟，张步勤，等.充填膏体制备及泵送监控系统设计及应用[J].煤炭科学技术，2013，41（9）：166-168.
收稿日期：2021-05-26
作者简介：周兆宇（1989—），男，山西太原人，工程师，主要从事矿山机械设计工作。
关键词：矿井;充填开采;膏体制备
0 引言
“三下”压煤的开采，主要是指对被构建筑物、水体及铁路下的压煤进行的开采活动的总称。我国作为煤炭资源大国，“三下”压煤量巨大，据不完全统计，我国“三下”压煤工业储量超过140亿t，其中构建筑物下近80亿t，约占“三下”压煤总量的62%，并且广泛分布在各城市村镇中。但就目前而言，“三下”压煤的开采量还不到总体储量的7%，开采率低的主要原因是“三下”压煤的开采往往会造成一些现实问题。“三下”压煤开采容易使地表产生沉陷和积水问题，甚至可能引发一系列地质灾害;另外，还容易对地面构建筑物等的安全性和稳定性造成不利影响[1]。
1 充填开采技术的发展
针对“三下”压煤开采的种种问题，国内外发展了多种针对性开采技术，目前较为成熟的有房柱式开采技术、条带开采技术、限厚开采技术、充填开采技术等等，其中充填开采技术在我国已经得到了较为广泛的应用[2]。充填开采技术是指在采空区内利用矸石、砂石等材料进行填充支护，进而避免地表变形。传统的充填开采技术，按照充填材料的不同，大致可以分为水力充填技术、粉煤灰充填技术、风力充填技术。其中，水力充填技术是利用水力通过管道把充填材料送入采空区，这种充填方法采用砂砾、碎石等材料，此类材料填充能力大、填充密度高，但由于水力充填工序复杂，成本较高，近些年应用得越来越少。粉煤灰充填技术采用烟道飞灰及锅炉炉灰等材料，其优点是原材料获取容易，运输简单，缺点则是制成的浆料流动性较大，难以控制。风力充填技术是利用风压将充填材料输送到采空区的一种工艺方法，同样因为设备成本高、能量消耗大的问题，应用不多[3]。
2 膏体充填开采技术的特点
膏体充填开采技术是近年来应用最为广泛的一种充填开采技术，其工艺原理如下：将井下掘进、开采过程中产生的矸石运输至地面膏体制备系统，加入粉煤灰、水泥等材料，按照一定的比例与水混合，并添加一定剂量的添加剂，加工成不离析、不沉淀、不脱水的膏状浆体，然后利用管道运送至井下，进行采空区的填充。
膏体充填技术具有一般充填技术的特点，如能够稳定维护围岩、有效减少地表沉降、提高自然资源回收率等，还具有连续性、高浓度、大规模的特点，整个系统后期管理及运营成本较低，同时可兼顾采空区防灭火的功能[4]。
3 中峪矿井概述
中峪矿井位于山西省晋中煤炭基地的霍东矿区北部，矿井资源储量丰富，有条件建设大型矿井，目前年设计生产能力500 Mt，本井田内主要可采煤层2层。利用概率积分法对该矿区进行地表沉陷预测，结果显示，预计井田累计下沉深度可达4 554 mm，沉陷面积高达145.26 km2，也就是说，在全井田煤层开采结束后，除受安全煤柱保护区域外，井田内大部分区域均会出现不同程度的沉陷。利用煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法，对相关煤层进行自燃倾向性试验，试验报告显示，其各可采煤层的自燃倾向性多为Ⅱ类，即为较容易自燃的煤。由此可见，中峪矿井需要同时解决矸石环保处理和采空区防灭火的问题，而膏体充填技术恰好能够同时解决以上两个问题。
4 地面膏体制备及泵送系统
4.1 膏体制备及泵送系统处理能力计算
充填膏体制备及泵送系统，是用来集中搅拌充填膏体并通过充填管路将充填膏体泵送到充填点的联合机械装置，涉及充填膏体原材料上料、计量、搅拌、卸料和泵送等充填膏体制备及泵送的整个过程，对充填膏体的质量影响极大，是整个膏体充填系统的核心部分。所以，选用一套可靠、精准和安全的充填膏体制备及泵送系统对于整个充填膏体系统高效、稳定运行至关重要。
选用水泥、粉煤灰、矸石、水及少量添加剂作为原材料进行膏体充填料浆的制备，各种材料的比例为水泥：粉煤灰：矸石：水=1：4：15：6;考虑井下环境温度等因素对充填料浆胶结及泵送性能的影响，可适量使用减水剂、早强剂等添加剂，以增强膏体的有效性能;矿井测算的需充填处理矸石量为110万t/a，按照充填系统每年运转330天，每天运转16 h计算，即矸石处理量约为200 t/h，按照充填料浆比例推算，同时考虑设计余量后，相应的水泥、粉煤灰及水的供应量分别为18 t/h、70 t/h、110 t/h。
4.2 膏体制备及泵送系统工艺流程
充填料浆制备工艺主要包括干料准备、配料混合、加水搅拌、泵送充填四部分，井下矸石通过矸石转运胶带送至矸石储料场进行存储;同时将粉煤灰、水泥、添加剂也分别存储至各自料仓备用。根据设计的膏体料浆配比，通过计量配料装置将各干料成分充分混合。将混合后的充填干料成分转运至搅拌机，根据设计的充填材料浓度加水进行搅拌，并使各种成分混合均衡。将充分搅拌后制成的充填料浆放入泵送料浆斗内进行泵送，并经充填管路运输至工作面进行充填工作[5]。
膏体制备及泵送系统工艺流程如图1所示。
4.3 膏体制备及泵送系统设备选型
通过上述矿井充填系统处理能力的计算，结合其他矿井膏体充填经验及现有成熟的膏体充填设备，设计选用的地面膏体充填站主要设备包括：反击式破碎机、高细破碎机、带式输送机、螺旋给料机、双卧轴混凝土搅拌机、充填工业泵、电控系统等。
根据对现场矸石的采样分析得知，中峪矿井矸石的特点是大块占比较多，小块占比较少，故在膏体制备系统中选用两级破碎，第一级利用PFW1318III型反击式破碎机，将矸石粒度降至200 mm以下，第二级利用PC1400×1600高细破碎机，将矸石进一步破碎至8 mm以下的小颗粒，以满足膏体制备的需要。在矸石颗粒的配送中，选用带式输送机为给料装置。带式输送机适用于物料流动性较低、给料速度较大的给料场合。该带式输送机采用变频驱动方式，矸石通过带式输送机向矸石称重斗中加料，矸石给料速度可调，保证矸石的配料精度。
螺旋给料机适用于物料流动性好、配料精度较高的给料要求。对于水泥、粉煤灰的给料，则根据上文所计算的供应量，分别选取LSY193和LSY400型螺旋给料机，其最大给料量分别为30 t/h、140 t/h，可以满足系统的需要。同时，为螺旋给料设备配备变频器，可通过调整给料机转速和螺旋给料的口径以实现配料速度的调整，进而实现物料的精确配比。
原材料分别加入DKX双卧轴搅拌机后，开始搅拌，搅拌时间约60 s，出料时间约20 s。搅拌完成后，充填工业泵开始膏体泵送工作。系统选取HGBSW270型号充填工业泵，其理论泵送能力可达270 m3/h，具有压力高、排量大、可靠性好的特点，可以高效地完成膏体的远距离输送任务。
5 结语
在绿色矿山的建设成为煤炭行业共识的今天，如何在经济效益、社会效益和生态效益之间实现统一，已经成为矿产资源管理工作中和矿业发展道路上一项新的课题。膏体充填开采技术作为一种环境友好型的开采技术，必将在未来的煤矿开采中发挥出更加重要的作用，而针对矿井的自身特点和需求，进行准确的计算，选择合理的方案以及设备，无疑可以对矿井的绿色生产起到积极的作用。
[参考文献]
[1] 肖纪永.浅谈填充開采方法在三下压煤条件下的应用[J].中国新技术新产品，2013（15）：93-94.
[2] 李非.我国三下采煤技术的应用及发展状况[J].技术与市场，2016，23（6）：174.
[3] 赵国喜.三下压煤充填采煤技术发展现状及展望[J].能源与节能，2016（7）：129-130.
[4] 吴爱祥，王勇，王洪江.膏体充填技术现状及趋势[J].金属矿山，2016（7）：1-9.
[5] 张建公，郭科伟，张步勤，等.充填膏体制备及泵送监控系统设计及应用[J].煤炭科学技术，2013，41（9）：166-168.
收稿日期：2021-05-26
作者简介：周兆宇（1989—），男，山西太原人，工程师，主要从事矿山机械设计工作。