井下充填泵站制漿能力改造研究

余正陽

（霍州煤電集團鑫鉅煤機裝備制造有限責任公司，山西 霍州 031400）

霍州煤電集團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，預計對回采造成嚴重影響[1-2]，因工作面急需接替，必須盡快對空巷進行充填處理。目前礦方的充填泵站制漿能力難以滿足工期要求，因此需要針對現有系統進行改造，滿足工作面快速投產要求。

1 工程背景

山西焦煤霍州煤電集團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，走向長度1450 m，傾斜長度140 m，布置2-6201 進風和2-6202 回風兩條順槽。

在兩條順槽和切眼掘進過程中，陸續揭露遺留空巷。結合礦井小窯分布資料和探測情況，初步確定8 條空巷，方向不一，如圖1。揭露時發現，空巷未發生明顯的坍塌，具備注漿充填條件，但空巷內瓦斯濃度高，局部有積水，且僅有木垛支護，頂板下沉量較大，受采動影響預計發生嚴重變形，對回采安全影響較大，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、長度1803 m 測算，空巷體積13 522 m3。

圖1 空巷分布示意圖（m）

因空巷不可進入，但未發生明顯的坍塌，具備注漿充填條件。因此計劃在進風順槽施工鉆孔，穿透空巷，進行全部注漿充填。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輸量。同時，因李雅莊煤礦無后續空巷充填需求，沒有必要采取充填能力超大的地面充填站，本次計劃采取建立井下充填泵站的方式進行空巷治理。充填站布置在2-6201 進風順槽，距離切眼400 m 位置硐室內，可以滿足整個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 現有制漿系統充填能力

2.1 現有設備及參數

礦方現有一臺ZBYSB320/8-22 液壓注漿泵、兩臺JB1500 電動攪拌桶。液壓注漿泵主要參數見表1，電動攪拌桶主要參數見表2。

表1 ZBYSB320/8-22 液壓注漿泵參數表

表2 JB1500 電動攪拌桶參數表

2.2 實際充填能力

充填材料為AB 型，兩種材料分別加水在攪拌桶內攪拌，然后通過雙通道液壓注漿泵分別吸漿、出漿，通過三通混合器混合，注入鉆孔和空巷內。現有設備連接系統如圖3。

圖3 現有設備連接系統圖

實際充填過程中發現，液壓注漿泵充填能力較大，系統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，不能發揮到最大能力。按照“加水（10 min）→下料（6 min）→攪拌（4 min）→注漿（12 min）”工序，每個循環需要32 min，單個攪拌桶攪拌狀態下有效容積1.3 m3，則充填方量為2.6 m3，實際充填能力僅為4.8 m3/h，注漿泵約62.5%的時間處于停機狀態。按照每天實際充填時間12 h測算，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 內必須完成空巷充填，因此必須對泵站制漿充填能力進行改造，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 個攪拌桶。A 料攪拌桶包括A1 和A2 攪拌桶，兩個攪拌桶交替制漿，通過管路和三通閥連接吸漿管A，通過交替制漿實現連續供漿，實現注漿泵連續工作的目的。如圖4。

圖4 4 攪拌桶制漿連接方案

實際測試中發現，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，交替過程中注漿效率逐漸喪失。經進一步優化，采取降低每桶制漿量以縮短制漿時間，將每桶制漿量由1.3 m3調整至0.6 m3，制漿時間縮短到11 min，注漿時間為6 min，注漿泵等待時間為5 min，相對提高了注漿泵工效，但注漿泵仍需停機等待。

4 攪拌桶制漿方案，測算實際充填能力10.4 m3/h，注漿泵約45.4%的時間處于停機狀態。按照每天實際充填時間12 h 測算，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，三通閥位置容易堵塞，經常檢修，影響制漿效率，且攪拌桶高度達1.9 m，人員上料十分困難，上料速度慢，勞動強度極大。

3.2 高速制漿系統方案

（1）設計思路

提高制漿能力，需要解決的關鍵問題如下：

① 充分利用供水能力。目前加水時間約10 min，井下供水能力充足，但受制于進水管路直徑小、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。采用小型的攪拌設備，使人員上料操作更為簡便，降低加料勞動強度，縮短加料時間。

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，必須通過高速攪拌裝置提高攪拌速度和攪拌效果。

⑤ 保證連續注漿。在保證漿液制備供應能力充足的前提下，盡量不停泵，連續注漿，提高充填實施效率。

（2）新增設備

新增設備包括兩臺氣控定量水箱和兩臺高速攪拌機。主要性能如下：

① 氣控定量水箱2 臺

容積：300～500 L，可調節。氣控定量水箱連接井下進水管，采用DN38 mm 管路進水，按照450 L蓄水量設計，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，放水完畢后自動蓄水至設計水位。蓄水放水均通過氣控閥門進行操作。

② 高速攪拌機2 臺

攪拌容積500 L，使用電壓660 V/1140 V，防爆電機型號YBKE3-132S-4，電機功率5.5 kW。由立式電機驅動傳動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，可產生不規則的強力渦流，同時能撕裂粉碎固體團體流體進行高分散混合。高速旋轉的流體經固定葉片再次強力剪切并向和攪拌葉片同軸的循環輸送泵強制送漿，由輸送泵快速將桶內的漿液循環均勻，制漿速度快，而且配置的漿液均勻充分，沒有成團結塊及魚眼效應。450 L 水為450 kg，按照6:1水灰比，需要材料75 kg，下料時間約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，由內循環切換至外循環，通過強大的離心力放漿，放漿時間僅為20 s。

（3）高速制漿系統連接

高速制漿系統包括兩臺高速制漿機、兩臺氣控定量水箱、管路，如圖5。兩套高速制漿系統制備的漿液再分別注入AB 兩個電動攪拌桶內，液壓注漿泵從攪拌桶內吸取漿液并進行連續注漿。

圖5 高速制漿系統

（4）高速制漿系統制漿能力

蓄水時間：60 s；放水時間：20 s；下料時間：40 s；攪拌時間：10 s；放漿時間：20 s。

制備2 桶漿液共1000 L 需要時間為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注漿，不停泵。

高速制漿系統方案，實際充填能力按18 m3/h測算，每天充填時間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 現場實施情況

根據工期要求，現場采取了高速制漿系統方案，新增兩臺氣控定量水箱和兩臺高速攪拌機，與原來的2 臺JB1500 電動攪拌桶和液壓注漿泵共同組成充填系統。高速制漿系統主要用于快速制漿，電動攪拌桶用于盛漿、低速攪拌，防止漿液沉淀。

現場設備安裝耗時1 d，每日向井下運輸40 t充填材料，充填材料儲備120 t 耗時3 d，每日純充填時間12 h，制漿能力能夠保證注漿泵連續工作，消耗材料約33 t/d，每日充填體積約205 m3，純充填時間65 d，期間設備檢修累計耗時4 d。總計用時73 d 完成空巷充填作業。

5 結論

（1）傳統的井下泵站充填能力，受制于攪拌桶的制漿能力，加水、加料、攪拌耗時過長，造成注漿泵工效低下，實際充填能力僅為4.8 m3/h，約62.5%的時間處于停機狀態。

（2）為改造制漿能力，設計了4 攪拌桶制漿和高速制漿系統兩種方案。4 攪拌桶制漿方式實際充填能力10.4 m3/h，注漿泵約45.4%的時間處于停機狀態，難以滿足工期要求。高速制漿系統通過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工作。

（3）現場實施情況表明，注漿泵能夠連續工作，每日充填體積約205 m3，純充填時間65 d，總計用時73 d 提前完成空巷充填作業。