煤礦采空區灌漿裝備研發與應用

劉 丹

(國能神東煤炭集團地測公司,內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

近年來,綜采放頂煤技術得到大力的推廣和應用,使煤礦生產效率大幅提高,但該技術冒落高度大、采空區遺留殘煤多、漏風嚴重,使得礦井煤炭自燃時有發生[1-3]。經過多年實踐,并在開展煤礦防滅火工作中不斷總結、發現灌漿是主要預防和控制礦井煤炭自燃且行之有效的手段[4-5]。在預防性注漿工作中采用采前預注法、隨采隨注法、采后注漿法,滅火過程中注漿采用地面鉆孔注漿、消火道注漿及井下區域性集中注漿等方法[6-7]。從目前來看,地面固定注漿系統形式多樣,主要包括鼠籠式注漿系統、雙鼠籠式注漿系統、滾筒式注漿系統、聯合式注漿系統、螺旋雙作用注漿系統等,被廣泛應用的地面注漿系統雖能實現長時間、大流量的連續注漿作業,滿足煤礦注漿防滅火工作的初期基本使用要求。但隨著礦井的開采,采空區的面積逐漸變大,加上采空區塌陷較分散地表漏風不易控制[9-14],現有固定注漿系統輸送范圍達不到礦井注漿使用要求,礦井需要準備一套或幾套經濟實用的快速灌漿裝備。

1 現有灌裝備存在的主要問題

1.1 輸送能力方面

現有地面固定式注漿系統因其泵送裝置輸送能力有限,導致其服務范圍小。對于走向長、采高大、采空區面積大、地表裂隙分布較廣的礦區,采用固定注漿設備,但壓力損失大,特別容易造成管路堵塞,因此普遍固定注漿系統難以滿足大面積采空區防滅火需求。

1.2 制漿能力方面

注漿系統制漿時,水土比的控制十分重要。水土比越小,泥漿濃度越高,粘度、致密性越好,包裹碎煤、隔絕氧氣越好。但目前注漿系統中普遍使用的渣漿難以灌注高密度的漿液。

1.3 轉移能力方面

目前市場上的固定式注漿系統多不具備移動性或轉移起來比較困難,費時費力,且設備需要制作基礎,從轉移至工程開工需要至少10d以上工期,難以實現大面積礦井對不同作業地點快速開展灌漿工程的需求。目前國內多個生產單位都擁有防滅火技術與裝備的相關專利,但多為局部部件的專利,沒有整套系統或產品集成方面的專利。

1.4 功能轉換方面

經過調研,發現市場上多為僅有單一灌漿功能的灌漿系統,沒有一套能夠同時實現黃泥漿、沙漿、粉煤灰、三項泡沫、凝膠、復合膠體、阻化泡沫、添加懸浮劑等多種防滅火材料灌注作業的地面多功能移動注漿系統。礦井火災自然隱患成因復雜,采用的治理方式、治理手段、治理材料需要多樣性,以利于在采空區高溫或著火初期,能及時、有效、快速的進行預防或滅火。

2 灌漿裝備研制

2.1 灌漿裝備設計目標

2.1.1 總體目標

研制出適應大面積采空區多功能地面移動注漿裝備,該裝備的技術領先、質量可靠。能為礦井防滅火工作發揮積極作用,減少經濟損失,保障生產,實現良好的經濟效益和社會效益。

2.1.2 功能目標

裝備具備防雨、加熱、防凍、智能化控制等功能。該裝備需適用多種不同的滅火材料,具有安全防護設施。

2.1.3 技術目標

裝備實現滅火介質配比范圍可調,漿液灌注能力達到100 m3/h左右,各子系統配比齊全,水平輸漿距離大于1 000 m,揚程大于100 m。灌注三項泡沫、阻化泡沫能力要與1 000 m3/h的惰性氣源相匹配,發泡不小于30倍穩定時間高于10 h;有效發泡大于10倍穩定時間高于24 h、凝膠灌注裝置能力不小于10 m3/h。

2.2 灌漿裝備關鍵技術性能

2.2.1 實現系統裝備集成化和移動性

將系統的所有設備合理布置安裝到一個集裝箱內。集裝箱通過集裝箱鎖專用連接方式,普遍使用于集裝箱運輸車輛與集裝箱的連接中,穩定可靠,設備集成實現整體吊裝。另外,其他設備附件也合理的安裝在專用的運輸底盤上,以實現灌漿系統的集成化和可移動化。

2.2.2 控制系統有效應用

灌漿系統裝備采用閉環控制系統,該控制系統的應用有效實現對各子系統工作的實時監測與控制,包括設備啟停、數據采集、控制輸出等,以實現提高系統裝備的自動化程度,使用方便、科學合理。

2.2.3 可帶壓、大流量、高揚程、遠距離的漿液輸送

灌漿裝備采用恒功率柱塞泵用以實現更大壓力泵送漿液,不僅能夠實現水平1 000 m、垂直100 m的長距離輸送功能,還能夠使漿液到達鉆孔后仍然保持較大的壓力從而實現帶壓注漿。高壓力有效擴大了單一鉆孔注漿的輻射面積,可實現降低工程成本,提高注漿效率。

2.2.4 實現系統裝備的多功能性

灌漿系統裝備將在有限的空間中實現多種功能注漿。礦井可根據防滅火實際需要選擇灌注泥漿、粉煤灰漿、三項泡沫或凝膠等功能切換。

2.2.5 實現漿液質量提高

上料系統采用錘式機對注漿原料進行破碎,破碎后顆粒直徑小于20 mm,提高原料利用率及漿液質量。采用滾筒式制漿機實現軸向出漿,內設揚料板,增加物料混合時間,提高漿液質量,排渣效果好,維修方便且穩定,可大大提高設備運轉的連續性。設緩漿集液裝置,對形成漿液進行二次攪拌,既可以防止漿液沉淀,又能提高漿液質量控制系統的應用,可保證對漿液質量的實時監測和有效控制,并對所有數據進行數據庫存儲,可對不同工況的防滅火工作進行分析,提供科學、可靠的數據分析材料。

2.2.6 適應低溫環境制漿

灌漿系統裝備將會在野外作業,工作環境惡劣,尤其是在低溫環境中制漿效果產生直接的影響。系統將以集裝箱作為防風擋雨棚,內壁安裝巖棉保溫層,集裝箱內部安裝電暖風,保證集裝箱內溫度,防止在制漿過程中產生凍結等現象,從而保證漿液質量。

2.3 灌漿裝備設計內容

2.3.1 灌漿裝備主體

裝備主體須自帶抽水設備,并附帶管路100 m。設計能夠實現破碎粒徑小于20 mm的破碎裝置,進料斗設計滿足黃土、山沙、粉煤灰不同的上料要求。料斗適應裝載機單次上黃土、山沙至少3 m3不外溢的要求;料斗設有上粉煤灰接口,滿足粉煤灰罐車上料要求,且密封良好。設計添加劑添加料斗,滿足漿液配比要求。設計不小于1 000 m3/h的惰性氣體進氣口,設計可接入380 V和660 V電源,設計終端出料口要與輸漿管路相匹配。

2.3.2 灌漿裝備移動化

灌漿裝備具備模塊化、整體化,吊裝簡單,安裝方便,連接快速,投入使用便捷。相應安全防護設施齊全可靠。

2.3.3 灌漿裝備智能化

裝備可實現自動、手動控制切換,具備自動監測、報警功能。實現灌漿漿液自動配比,對原料進行分別計量,漿液總量進行計量,并具有記憶存儲和讀取功能。

2.3.4 灌漿裝備附屬性能

裝備要具備防雨、加熱、防凍功能。適應礦區全天候灌注黃泥漿、沙漿(山沙+懸浮劑)、粉煤灰、三項泡沫、阻化泡沫、凝膠的條件。

2.4 灌漿裝備關健創新點

2.4.1 多功能移動式灌漿方式

多功能移動式灌漿方式改變了制漿、注漿地點固定的注漿方式。將制漿、蓄漿、控制、排渣、泵送等系統集約化、一體化、模塊化。所有設備安裝在集裝箱內,方便快速組裝、吊運。緩漿槽、水泵、輸液泵等最大限度地實現了共用性?？蓪崿F黃泥漿、沙漿(山沙+懸浮劑)、粉煤灰、三項泡沫、阻化泡沫、凝膠等不同注漿材料的灌注作業。該系統裝備具有靈活性好,移動方便,整體化強等優點,且工程建設周期短,省去建廠房、蓄漿池、排渣系統和設備基礎等土建工程,節省了大量井下注漿管路,縮短了維護時間長,減少了工程占地面積。

2.4.2 改變灌注系統動力形式

灌注系統動力形式采用變量柱塞泵替代渣漿泵。灌漿裝備采用變量柱塞泵注漿。通過調整泵的流量可以實現不同介質灌注量的要求,達到灌注黃泥、山沙、粉煤灰漿、三相泡沫、阻化泡沫等共用,從而使整套設備體積和重量大大降低。柱塞泵具有壓力大、揚程高、流量大、不怕抽空、管路不容易堵塞等優點,可大大提高注漿效果。

2.4.3 改變粉煤灰上料方式

灌漿注漿裝備采用粉罐車直接上料。工作時粉罐車送料口與制漿機上料架連接。上料架設有密封蓋、除塵裝置和泄壓閥,可保證工作過程的安全性、可靠性。該種上料形式還可省去料倉、輔助除塵裝置及空氣壓縮機等設施,可減少中間環節提高工作效率。

2.4.4 應對寒冷氣候

灌漿裝備可全年、全天候工作。為了保證能在低溫下進行,灌漿設備主體安裝了暖風機與空氣幕,為制漿模塊集裝箱采暖,以保證冬季低溫環境下可持續注漿。

2.4.5 一體化制濾結構

灌漿裝備改變以往制漿、濾漿的獨立結構,實現制漿、濾漿、排渣整體化。制漿筒增加揚料板使土塊、石塊隨制漿筒旋轉到一定高度后砸入漿液,使水土充分混合提高漿液質量。制濾機的濾網既能過濾草根等輕的漂浮物,同時也能過濾石頭、磚塊等重的固體殘渣。灌漿裝備采用新型的螺旋排渣結構裝置,這種排渣裝置不易堵塞,具有較好的排渣效果。

2.4.6 設置過壓安全保護裝置

灌漿裝備在管路上安裝過壓保護裝置。管路中裝有安全保護閥,此閥處于常閉狀態,當管路中的壓力超過規定的壓力值時,安全閥開啟,由于安全閥動作觸動壓力傳感器,傳感器將信號上傳至工控機使工控機發出警報。使用過壓保護裝置可實現對管路情況的遠程監控,從而起到保護設備的作用。

2.4.7 實現自動化集中控制

灌漿裝備工作時只需定量添加制漿原料,其余制漿、濾漿、泵送等過程可實現自動化。裝備設置工控機,工控機安裝一套組態軟件,實現對柱塞泵、集漿池漿液位置的控制,泵出現故障及集漿池到達報警位置時控制室出現聲光報警。系統可將設備信號和傳感器信號上傳到工控機上,在工控機上換算出泥漿量,并實現遠程操控和數據上傳,如圖1所示。

圖1 自動化數據顯示Fig.1 Display of automatic data

3 灌漿裝備現場應用

多功能移動灌漿裝備有效應用于上灣煤礦注漿防滅火工程施工中,累計灌注漿177 d,注入黃土60 237 m3,注入水193 005 m3,注入漿液253 242 m3,上灣煤礦防滅火注漿工程統計見表1?？梢?該裝備具有移動性、服務范圍大等優點,大幅度提高了神東公司防滅火注漿工程施工效率,在神東礦區具有推廣應用價值。

表1 上灣煤礦防滅火注漿工程統計

4 結語

神東煤炭集團設計研發了一套具有靈活性、多功能、適用性、實用性的灌漿裝備。將該裝備應用于神東煤炭集團上灣煤礦,有效解決了井田采空區面積大的礦井固定注漿系統功能單一、不可移動、輻射范圍小、生產能力小等實際問題,大幅度提升了神東煤炭集團防滅火注漿工程施工能力,促進了防滅火技術及裝備的整體發展,為煤礦防滅火工作提供先進經驗,應用前景廣闊。