中峪礦井地面膏體制備及泵送系統淺析

摘 要：以中峪礦井為背景，首先分析了充填開采技術的發展與現狀，闡述了膏體充填技術的概念、工藝特點和技術優勢;其次，計算了中峪礦井地面膏體制備及泵送系統的處理能力，介紹了中峪礦井地面膏體制備及泵送系統的工藝流程、系統組成及設備性能;最后，展望了膏體充填技術的應用前景。

關鍵詞：礦井;充填開采;膏體制備

0? ? 引言

“三下”壓煤的開采，主要是指對被構建筑物、水體及鐵路下的壓煤進行的開采活動的總稱。我國作為煤炭資源大國，“三下”壓煤量巨大，據不完全統計，我國“三下”壓煤工業儲量超過140億t，其中構建筑物下近80億t，約占“三下”壓煤總量的62%，并且廣泛分布在各城市村鎮中。但就目前而言，“三下”壓煤的開采量還不到總體儲量的7%，開采率低的主要原因是“三下”壓煤的開采往往會造成一些現實問題。“三下”壓煤開采容易使地表產生沉陷和積水問題，甚至可能引發一系列地質災害;另外，還容易對地面構建筑物等的安全性和穩定性造成不利影響[1]。

1? ? 充填開采技術的發展

針對“三下”壓煤開采的種種問題，國內外發展了多種針對性開采技術，目前較為成熟的有房柱式開采技術、條帶開采技術、限厚開采技術、充填開采技術等等，其中充填開采技術在我國已經得到了較為廣泛的應用[2]。充填開采技術是指在采空區內利用矸石、砂石等材料進行填充支護，進而避免地表變形。傳統的充填開采技術，按照充填材料的不同，大致可以分為水力充填技術、粉煤灰充填技術、風力充填技術。其中，水力充填技術是利用水力通過管道把充填材料送入采空區，這種充填方法采用砂礫、碎石等材料，此類材料填充能力大、填充密度高，但由于水力充填工序復雜，成本較高，近些年應用得越來越少。粉煤灰充填技術采用煙道飛灰及鍋爐爐灰等材料，其優點是原材料獲取容易，運輸簡單，缺點則是制成的漿料流動性較大，難以控制。風力充填技術是利用風壓將充填材料輸送到采空區的一種工藝方法，同樣因為設備成本高、能量消耗大的問題，應用不多[3]。

2? ? 膏體充填開采技術的特點

膏體充填開采技術是近年來應用最為廣泛的一種充填開采技術，其工藝原理如下：將井下掘進、開采過程中產生的矸石運輸至地面膏體制備系統，加入粉煤灰、水泥等材料，按照一定的比例與水混合，并添加一定劑量的添加劑，加工成不離析、不沉淀、不脫水的膏狀漿體，然后利用管道運送至井下，進行采空區的填充。

膏體充填技術具有一般充填技術的特點，如能夠穩定維護圍巖、有效減少地表沉降、提高自然資源回收率等，還具有連續性、高濃度、大規模的特點，整個系統后期管理及運營成本較低，同時可兼顧采空區防滅火的功能[4]。

3? ? 中峪礦井概述

中峪礦井位于山西省晉中煤炭基地的霍東礦區北部，礦井資源儲量豐富，有條件建設大型礦井，目前年設計生產能力500 Mt，本井田內主要可采煤層2層。利用概率積分法對該礦區進行地表沉陷預測，結果顯示，預計井田累計下沉深度可達4 554 mm，沉陷面積高達145.26 km2，也就是說，在全井田煤層開采結束后，除受安全煤柱保護區域外，井田內大部分區域均會出現不同程度的沉陷。利用煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法，對相關煤層進行自燃傾向性試驗，試驗報告顯示，其各可采煤層的自燃傾向性多為Ⅱ類，即為較容易自燃的煤。由此可見，中峪礦井需要同時解決矸石環保處理和采空區防滅火的問題，而膏體充填技術恰好能夠同時解決以上兩個問題。

4? ? 地面膏體制備及泵送系統

4.1? ? 膏體制備及泵送系統處理能力計算

充填膏體制備及泵送系統，是用來集中攪拌充填膏體并通過充填管路將充填膏體泵送到充填點的聯合機械裝置，涉及充填膏體原材料上料、計量、攪拌、卸料和泵送等充填膏體制備及泵送的整個過程，對充填膏體的質量影響極大，是整個膏體充填系統的核心部分。所以，選用一套可靠、精準和安全的充填膏體制備及泵送系統對于整個充填膏體系統高效、穩定運行至關重要。

選用水泥、粉煤灰、矸石、水及少量添加劑作為原材料進行膏體充填料漿的制備，各種材料的比例為水泥：粉煤灰：矸石：水=1：4：15：6;考慮井下環境溫度等因素對充填料漿膠結及泵送性能的影響，可適量使用減水劑、早強劑等添加劑，以增強膏體的有效性能;礦井測算的需充填處理矸石量為110萬t/a，按照充填系統每年運轉330天，每天運轉16 h計算，即矸石處理量約為200 t/h，按照充填料漿比例推算，同時考慮設計余量后，相應的水泥、粉煤灰及水的供應量分別為18 t/h、70 t/h、110 t/h。

4.2? ? 膏體制備及泵送系統工藝流程

充填料漿制備工藝主要包括干料準備、配料混合、加水攪拌、泵送充填四部分，井下矸石通過矸石轉運膠帶送至矸石儲料場進行存儲;同時將粉煤灰、水泥、添加劑也分別存儲至各自料倉備用。根據設計的膏體料漿配比，通過計量配料裝置將各干料成分充分混合。將混合后的充填干料成分轉運至攪拌機，根據設計的充填材料濃度加水進行攪拌，并使各種成分混合均衡。將充分攪拌后制成的充填料漿放入泵送料漿斗內進行泵送，并經充填管路運輸至工作面進行充填工作[5]。

膏體制備及泵送系統工藝流程如圖1所示。

4.3? ? 膏體制備及泵送系統設備選型

通過上述礦井充填系統處理能力的計算，結合其他礦井膏體充填經驗及現有成熟的膏體充填設備，設計選用的地面膏體充填站主要設備包括：反擊式破碎機、高細破碎機、帶式輸送機、螺旋給料機、雙臥軸混凝土攪拌機、充填工業泵、電控系統等。

根據對現場矸石的采樣分析得知，中峪礦井矸石的特點是大塊占比較多，小塊占比較少，故在膏體制備系統中選用兩級破碎，第一級利用PFW1318III型反擊式破碎機，將矸石粒度降至200 mm以下，第二級利用PC1400×1600高細破碎機，將矸石進一步破碎至8 mm以下的小顆粒，以滿足膏體制備的需要。在矸石顆粒的配送中，選用帶式輸送機為給料裝置。帶式輸送機適用于物料流動性較低、給料速度較大的給料場合。該帶式輸送機采用變頻驅動方式，矸石通過帶式輸送機向矸石稱重斗中加料，矸石給料速度可調，保證矸石的配料精度。

螺旋給料機適用于物料流動性好、配料精度較高的給料要求。對于水泥、粉煤灰的給料，則根據上文所計算的供應量，分別選取LSY193和LSY400型螺旋給料機，其最大給料量分別為30 t/h、140 t/h，可以滿足系統的需要。同時，為螺旋給料設備配備變頻器，可通過調整給料機轉速和螺旋給料的口徑以實現配料速度的調整，進而實現物料的精確配比。

原材料分別加入DKX雙臥軸攪拌機后，開始攪拌，攪拌時間約60 s，出料時間約20 s。攪拌完成后，充填工業泵開始膏體泵送工作。系統選取HGBSW270型號充填工業泵，其理論泵送能力可達270 m3/h，具有壓力高、排量大、可靠性好的特點，可以高效地完成膏體的遠距離輸送任務。

5? ? 結語

在綠色礦山的建設成為煤炭行業共識的今天，如何在經濟效益、社會效益和生態效益之間實現統一，已經成為礦產資源管理工作中和礦業發展道路上一項新的課題。膏體充填開采技術作為一種環境友好型的開采技術，必將在未來的煤礦開采中發揮出更加重要的作用，而針對礦井的自身特點和需求，進行準確的計算，選擇合理的方案以及設備，無疑可以對礦井的綠色生產起到積極的作用。

[參考文獻]

[1] 肖紀永.淺談填充開采方法在三下壓煤條件下的應用[J].中國新技術新產品，2013（15）：93-94.

[2] 李非.我國三下采煤技術的應用及發展狀況[J].技術與市場，2016，23（6）：174.

[3] 趙國喜.三下壓煤充填采煤技術發展現狀及展望[J].能源與節能，2016（7）：129-130.

[4] 吳愛祥，王勇，王洪江.膏體充填技術現狀及趨勢[J].金屬礦山，2016（7）：1-9.

[5] 張建公，郭科偉，張步勤，等.充填膏體制備及泵送監控系統設計及應用[J].煤炭科學技術，2013，41（9）：166-168.

收稿日期：2021-05-26

作者簡介：周兆宇（1989—），男，山西太原人，工程師，主要從事礦山機械設計工作。