超高水材料充填系統優化及應用研究

黃 峰

（山西焦煤集團店坪煤礦，山西 呂梁 033199）

1 工程概況

超高水材料為無機雙液組分，綠色無污染且充填的成本低，逐漸被廣泛應用[1-3]。隨著煤礦發展，充填效率對煤礦效益有直接的影響，而現有的充填系統無法滿足日益提高的充填量需求[4-5]。本文結合店坪村煤礦2319 工作面的實際工程需求，展開超高水材料充填系統的優化研究以及應用。2319 工作面位于工業廣場西側，工作面走向長度約427 m，傾向長度200 m，開采16 號煤，平均煤厚1.23 m。煤層直接頂是5.5 m 厚的灰巖，底板是1.2 m 的鋁質黏土。

已知2319 工作面采高1.2 m，采煤機日進尺約為3.6 m，故充填空間在500 m3，按照每天充填8 h，制漿量按照1.3 倍系數計算，超高水材料制漿站的生產能力約為80 m3/h，單液的漿液生產量約為40 m3/h。綜上分析，為滿足充填制漿量的需求，對超高水充填制漿系統進行了優化設計，提高制漿效率。根據工作面的地質情況，結合超高水材料的特點，本次充填開采計劃采用開放式充填和包式充填結合的方法，提高回采和充填的效率。

2 超高水地面制漿充填系統設計

超高水地面制漿充填系統設計，本著設備簡化、占用空間小、人員使用少、管路輸送布置簡單、管路易沖洗的原則，設計了地面制漿、管路輸送及沖洗系統。

制漿系統是充填系統的核心部分，在工業廣場建造，制漿系統采用電和氣動結合的方式，將粉料與水混合制造成單種漿液，通過管路輸送至充填工作面處混合。由于超高水材料是雙液組分，因此制漿系統也是A、B 兩個系統，但兩種系統完全相同，其中主要包括材料的儲存、粉料輸送、輸水、單液制造以及存儲。制漿站系統如圖1，以漿液A 為例，超高水材料制漿系統的設計簡單，所需設備少，減少了工人日常檢修工作。稱量系統主要采用斗稱和監控系統，保證漿液的配比精準，進而確保超高水材料充填體的性能。

以A 漿液為例，對從上料到制漿最后到輸送的工藝過程展開簡單的闡述，工藝過程示意圖如圖2。

（1）儲料系統。超高水材料呈粉末狀，因此儲存在封閉的儲料倉中，防止揚塵產生并有利于環保，同時也便于粉料儲量的計量。A、B 兩種粉料的儲存罐體積均為50 m3，AA 和BB 添加劑儲存倉體積為5 m3。

圖1 超高水材料制漿站示意圖

（2）儲水系統。超高水材料每日充填量為500 m3，根據1.2 倍水量蓄水計算，儲水倉水量應不小于600 m3。流量和總水量主要通過流量器和水量計算儀進行準確的控制，保證每日的供水量，進而保證材料的水灰比。

（3）上料系統。材料主要是粉料，輸送材料時主要使用螺旋輸送機，長度根據到制漿機的距離設計。粉料A 在輸送過程中，主要利用動態稱重螺旋稱重，添加劑AA 主要由失重秤計量，控制系統主要采用PLC 設計完成。

圖2 超高水材料制漿工藝流程

（4）制漿系統。由圖2 可以看出，A、B 兩種漿液的制作過程完全相同。制漿的整體核心在于，如何在完成精確的材料和水的配比后，使漿料混合均勻，并且充分攪拌。漿液的攪拌效率對充填能力有直接影響，漿料是否混合均勻直接影響超高水材料充填體的固結效果，進而影響采空區的充填效果。因此，優化設計主要通過自主研發的高速渦流制漿機，提供內外循環攪拌功能，能高效持續地制出漿液，實現攪拌的高效性。從下料口進入渦流式攪拌泵的漿體，自底端的出漿口流出，經電機抽送至上部進漿口再次進入泵中，以實現漿體的內外循環。泵體內壁焊接有不同角度的割刀，進漿口與泵內壁相切，自進漿口進入桶內的漿體，以旋流形式攪拌，在割刀的作用下，調整旋流角度并使大塊體分割為小塊體，讓漿體各組分趨于均勻。通過渦流泵，下部的漿體可被抽送達上部，有效控制傳統攪拌中漿液上下成分不均現象。攪拌過程速度快，可快速制得均勻的漿體。漿液充分混合后，經氣動閥調節，關閉進漿口，開啟放漿口，漿體輸送至低速攪拌罐。

（5）儲漿系統。為了保證充填漿液的連續充填，應該要保證有一定的漿液儲存量，因此設計了低速的攪拌罐，讓漿液不會發生沉淀或者固結，在保證漿液滿管流動的同時減小了地面盛漿池挖掘，節省了基建的費用，能達到簡潔高效的目的。

3 充填工藝設計及工程效果

3.1 充填方案設計

2319 工作面采用全包式充填和開放式充填相結合的充填法。由圖3 可以看出，包式充填主要是為了提供一個密閉的充填空間，其主要部分是構筑板墻和充填包的放置，并且要設計擋煤板，便于開放式充填的展開。充填包主要分為工作面的充填包和順槽的充填包，其中工作面充填包為圓柱體，直徑3 m，長30 m，順槽充填包為長方體，長3.8 m，寬3 m，高2.5 m。根據工作面的推進量，每3.6 m 為一個充填循環。

圖3 2319 工作面充填方案示意圖

通過兩種充填方式結合的綜合充填法，可以解決完全包式充填存在未接頂空間的問題，同時可以減少充填包之間擋板的基建工作，能提高充填效率。

3.2 工程效果分析

在現場應用后，為了檢驗超高水材料的充填效果，通過在2319工作面中順槽安裝頂板下沉檢測儀，統計充填后順槽的頂板下沉量。測點距離工作面停采線約200 m，通過數據整理，繪制出隨著時間變化頂板的下沉速率曲線，如圖4。

圖4 頂板下沉速率曲線

根據數據整理可知，2319 工作面中順槽的頂板最終下沉量約為150.5 mm。根據數據的實時監測情況，根據時間變化，大致可以把充填后頂板下沉分為三個階段。

（1）在0～24 h 內是第一階段，由于設備安裝在充填前一天，此時是未充填巷道頂板在采動影響下的變形特征。由圖中可以看出平均下沉速率約在2.5 mm/h，該階段累計下沉量為60 mm。

（2）在24～192 h 是頂板下沉的第二個階段，主要是超高水材料強度的增長階段，頂板下沉速率呈現逐漸降低的趨勢。起初充填體的強度較低，頂板下沉速率較快但略小于未充填頂板下沉速率，隨著充填體強度增長，頂板下沉逐漸降低。該階段頂板共下沉88.5 mm。

（3）大于192 h 后為第三階段，此時超高水材料充填體的強度穩定，能有效支撐頂板，保證頂板基本不下沉。該階段的頂板下沉量共計為2 mm。

根據三個階段的頂板變形特征可知，頂板發生變形主要集中在前兩個階段，主要是未充填和充填體強度的增長階段。當充填體強度增大到峰值強度的90%以上，頂板變形就趨于穩定。超高水材料充填能夠較好地充填采空區，能夠控制頂板的變形，但需要給充填體足夠的強度增長空間，因此應用中應該適當在兩次充填期間留出適當時機供充填體性能發育，可以有更好的充填效果。

4 結論

（1）根據超高水材料的特點，設計了能夠自動上料、稱重、連續放漿并能實現高效內外循環攪拌制漿于一體的充填系統，在保證超高水材料配比的同時，提高制漿效率和充填效果。

（2）采用設計的超高水材料充填系統，并結合包式充填和開放式充填結合的綜合充填方法在店坪村煤礦某工作面應用的效果良好。通過監測順槽頂板的下沉速率可知，隨著充填體強度增長，頂板下沉速率變緩并趨于不變，頂板最大下沉量為150.5 mm。超高水材料的充填效果良好，為其他類似工程提供了經驗借鑒。