井下充填泵站制漿能力改造研究

余正陽(yáng)

（霍州煤電集團(tuán)鑫鉅煤機(jī)裝備制造有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

霍州煤電集團(tuán)有限公司李雅莊煤礦在布置2-620 工作面期間，揭露大量原小煤窯巷式開采遺留空巷，預(yù)計(jì)對(duì)回采造成嚴(yán)重影響[1-2]，因工作面急需接替，必須盡快對(duì)空巷進(jìn)行充填處理。目前礦方的充填泵站制漿能力難以滿足工期要求，因此需要針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造，滿足工作面快速投產(chǎn)要求。

1 工程背景

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限公司李雅莊煤礦開采2#煤層，平均厚度3.3 m，煤層傾角8°。目前正在布置2-620 工作面，走向長(zhǎng)度1450 m，傾斜長(zhǎng)度140 m，布置2-6201 進(jìn)風(fēng)和2-6202 回風(fēng)兩條順槽。

在兩條順槽和切眼掘進(jìn)過(guò)程中，陸續(xù)揭露遺留空巷。結(jié)合礦井小窯分布資料和探測(cè)情況，初步確定8 條空巷，方向不一，如圖1。揭露時(shí)發(fā)現(xiàn)，空巷未發(fā)生明顯的坍塌，具備注漿充填條件，但空巷內(nèi)瓦斯?jié)舛雀撸植坑蟹e水，且僅有木垛支護(hù)，頂板下沉量較大，受采動(dòng)影響預(yù)計(jì)發(fā)生嚴(yán)重變形，對(duì)回采安全影響較大，因此必須采取治理措施。8 條空巷按照寬度3 m、高度2.5 m、長(zhǎng)度1803 m 測(cè)算，空巷體積13 522 m3。

圖1 空巷分布示意圖（m）

因空巷不可進(jìn)入，但未發(fā)生明顯的坍塌，具備注漿充填條件。因此計(jì)劃在進(jìn)風(fēng)順槽施工鉆孔，穿透空巷，進(jìn)行全部注漿充填。充填材料選擇超高水充填材料，水灰比6:1，材料消耗約160 kg/m3。相較于其他充填材料，可以大幅減少材料使用量和運(yùn)輸量。同時(shí)，因李雅莊煤礦無(wú)后續(xù)空巷充填需求，沒有必要采取充填能力超大的地面充填站，本次計(jì)劃采取建立井下充填泵站的方式進(jìn)行空巷治理。充填站布置在2-6201 進(jìn)風(fēng)順槽，距離切眼400 m 位置硐室內(nèi)，可以滿足整個(gè)工作面鉆孔的注漿需求。如圖2。

圖2 注漿鉆孔布置及泵站硐室位置示意圖

2 現(xiàn)有制漿系統(tǒng)充填能力

2.1 現(xiàn)有設(shè)備及參數(shù)

礦方現(xiàn)有一臺(tái)ZBYSB320/8-22 液壓注漿泵、兩臺(tái)JB1500 電動(dòng)攪拌桶。液壓注漿泵主要參數(shù)見表1，電動(dòng)攪拌桶主要參數(shù)見表2。

表1 ZBYSB320/8-22 液壓注漿泵參數(shù)表

表2 JB1500 電動(dòng)攪拌桶參數(shù)表

2.2 實(shí)際充填能力

充填材料為AB 型，兩種材料分別加水在攪拌桶內(nèi)攪拌，然后通過(guò)雙通道液壓注漿泵分別吸漿、出漿，通過(guò)三通混合器混合，注入鉆孔和空巷內(nèi)。現(xiàn)有設(shè)備連接系統(tǒng)如圖3。

圖3 現(xiàn)有設(shè)備連接系統(tǒng)圖

實(shí)際充填過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，液壓注漿泵充填能力較大，系統(tǒng)充填能力主要受制于攪拌桶的制漿能力。為了保證漿液制備均勻，不能采取邊加水邊加料的方式，需要制一桶漿打一桶漿，注漿泵處于間歇工作狀態(tài)，不能發(fā)揮到最大能力。按照“加水（10 min）→下料（6 min）→攪拌（4 min）→注漿（12 min）”工序，每個(gè)循環(huán)需要32 min，單個(gè)攪拌桶攪拌狀態(tài)下有效容積1.3 m3，則充填方量為2.6 m3，實(shí)際充填能力僅為4.8 m3/h，注漿泵約62.5%的時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)。按照每天實(shí)際充填時(shí)間12 h測(cè)算，本次13 522 m3體積空巷充填約需要235 d 才可完成。

礦方要求90 d 內(nèi)必須完成空巷充填，因此必須對(duì)泵站制漿充填能力進(jìn)行改造，不得影響工作面接替回采。

3 泵站制漿能力改造方案

3.1 4 攪拌桶制漿方案

為了增大制漿能力，提高注漿泵工效，方案一采取4 攪拌桶制漿方案，即A 料和B 料各采用2 個(gè)攪拌桶。A 料攪拌桶包括A1 和A2 攪拌桶，兩個(gè)攪拌桶交替制漿，通過(guò)管路和三通閥連接吸漿管A，通過(guò)交替制漿實(shí)現(xiàn)連續(xù)供漿，實(shí)現(xiàn)注漿泵連續(xù)工作的目的。如圖4。

圖4 4 攪拌桶制漿連接方案

實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，4 攪拌桶制漿方案一定程度上提高了注漿泵工效。如A1 和A2 攪拌桶，單桶制漿時(shí)間約20 min，但注漿泵僅需12 min 即可完成注漿，需要等待8 min 后A2 桶方可完成制漿，交替過(guò)程中注漿效率逐漸喪失。經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化，采取降低每桶制漿量以縮短制漿時(shí)間，將每桶制漿量由1.3 m3調(diào)整至0.6 m3，制漿時(shí)間縮短到11 min，注漿時(shí)間為6 min，注漿泵等待時(shí)間為5 min，相對(duì)提高了注漿泵工效，但注漿泵仍需停機(jī)等待。

4 攪拌桶制漿方案，測(cè)算實(shí)際充填能力10.4 m3/h，注漿泵約45.4%的時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)。按照每天實(shí)際充填時(shí)間12 h 測(cè)算，本次13 522 m3體積空巷充填約需要108 d 才可完成，難以滿足工期要求。

同時(shí)，三通閥位置容易堵塞，經(jīng)常檢修，影響制漿效率，且攪拌桶高度達(dá)1.9 m，人員上料十分困難，上料速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度極大。

3.2 高速制漿系統(tǒng)方案

（1）設(shè)計(jì)思路

提高制漿能力，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下：

① 充分利用供水能力。目前加水時(shí)間約10 min，井下供水能力充足，但受制于進(jìn)水管路直徑小、下料攪拌期間加水停止等因素，供水能力未充分利用。

② 大幅縮短加水時(shí)間。攪拌桶式攪拌，為保證水灰比精確，必須先加水，加水完畢再加料，嚴(yán)重制約了制漿效率。采用快速定量蓄水、快速加水思路，提高加水效率，兼顧水灰比精確控制和加水速度。

③ 加快下料速度。采用小型的攪拌設(shè)備，使人員上料操作更為簡(jiǎn)便，降低加料勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短加料時(shí)間。

④ 加快攪拌速度。攪拌桶式攪拌，因攪拌速度慢，需攪拌4 min 左右才能攪拌均勻，必須通過(guò)高速攪拌裝置提高攪拌速度和攪拌效果。

⑤ 保證連續(xù)注漿。在保證漿液制備供應(yīng)能力充足的前提下，盡量不停泵，連續(xù)注漿，提高充填實(shí)施效率。

（2）新增設(shè)備

新增設(shè)備包括兩臺(tái)氣控定量水箱和兩臺(tái)高速攪拌機(jī)。主要性能如下：

① 氣控定量水箱2 臺(tái)

容積：300～500 L，可調(diào)節(jié)。氣控定量水箱連接井下進(jìn)水管，采用DN38 mm 管路進(jìn)水，按照450 L蓄水量設(shè)計(jì)，僅需要60 s 即可完成蓄水。放水口采用Φ100 mm 鋼絲軟管，僅需20 s 即可完成放水，放水完畢后自動(dòng)蓄水至設(shè)計(jì)水位。蓄水放水均通過(guò)氣控閥門進(jìn)行操作。

② 高速攪拌機(jī)2 臺(tái)

攪拌容積500 L，使用電壓660 V/1140 V，防爆電機(jī)型號(hào)YBKE3-132S-4，電機(jī)功率5.5 kW。由立式電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)于懸臂支撐的高速攪拌軸上，攪拌葉采用高速軸流型葉片。葉片呈鋸齒狀，剪切力大，可產(chǎn)生不規(guī)則的強(qiáng)力渦流，同時(shí)能撕裂粉碎固體團(tuán)體流體進(jìn)行高分散混合。高速旋轉(zhuǎn)的流體經(jīng)固定葉片再次強(qiáng)力剪切并向和攪拌葉片同軸的循環(huán)輸送泵強(qiáng)制送漿，由輸送泵快速將桶內(nèi)的漿液循環(huán)均勻，制漿速度快，而且配置的漿液均勻充分，沒有成團(tuán)結(jié)塊及魚眼效應(yīng)。450 L 水為450 kg，按照6:1水灰比，需要材料75 kg，下料時(shí)間約40 s，下料完畢再攪拌10 s 即可得到均勻的漿液。制漿完畢后，打開放漿閥門，由內(nèi)循環(huán)切換至外循環(huán)，通過(guò)強(qiáng)大的離心力放漿，放漿時(shí)間僅為20 s。

（3）高速制漿系統(tǒng)連接

高速制漿系統(tǒng)包括兩臺(tái)高速制漿機(jī)、兩臺(tái)氣控定量水箱、管路，如圖5。兩套高速制漿系統(tǒng)制備的漿液再分別注入AB 兩個(gè)電動(dòng)攪拌桶內(nèi)，液壓注漿泵從攪拌桶內(nèi)吸取漿液并進(jìn)行連續(xù)注漿。

圖5 高速制漿系統(tǒng)

（4）高速制漿系統(tǒng)制漿能力

蓄水時(shí)間：60 s；放水時(shí)間：20 s；下料時(shí)間：40 s；攪拌時(shí)間：10 s；放漿時(shí)間：20 s。

制備2 桶漿液共1000 L 需要時(shí)間為150 s，換算制漿能力為24 m3/h，而注漿泵最大能力320 L/min，換算為19.2 m3/h，制漿能力足以保證注漿泵連續(xù)注漿，不停泵。

高速制漿系統(tǒng)方案，實(shí)際充填能力按18 m3/h測(cè)算，每天充填時(shí)間12 h，本次13 522 m3體積空巷充填約需要62 d 即可完成，可以滿足工期要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

根據(jù)工期要求，現(xiàn)場(chǎng)采取了高速制漿系統(tǒng)方案，新增兩臺(tái)氣控定量水箱和兩臺(tái)高速攪拌機(jī)，與原來(lái)的2 臺(tái)JB1500 電動(dòng)攪拌桶和液壓注漿泵共同組成充填系統(tǒng)。高速制漿系統(tǒng)主要用于快速制漿，電動(dòng)攪拌桶用于盛漿、低速攪拌，防止?jié){液沉淀。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝耗時(shí)1 d，每日向井下運(yùn)輸40 t充填材料，充填材料儲(chǔ)備120 t 耗時(shí)3 d，每日純充填時(shí)間12 h，制漿能力能夠保證注漿泵連續(xù)工作，消耗材料約33 t/d，每日充填體積約205 m3，純充填時(shí)間65 d，期間設(shè)備檢修累計(jì)耗時(shí)4 d。總計(jì)用時(shí)73 d 完成空巷充填作業(yè)。

5 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的井下泵站充填能力，受制于攪拌桶的制漿能力，加水、加料、攪拌耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，造成注漿泵工效低下，實(shí)際充填能力僅為4.8 m3/h，約62.5%的時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)。

（2）為改造制漿能力，設(shè)計(jì)了4 攪拌桶制漿和高速制漿系統(tǒng)兩種方案。4 攪拌桶制漿方式實(shí)際充填能力10.4 m3/h，注漿泵約45.4%的時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)，難以滿足工期要求。高速制漿系統(tǒng)通過(guò)快速加水和快速攪拌，制漿能力提高到24 m3/h，足以保證注漿泵連續(xù)工作。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況表明，注漿泵能夠連續(xù)工作，每日充填體積約205 m3，純充填時(shí)間65 d，總計(jì)用時(shí)73 d 提前完成空巷充填作業(yè)。