煤礦膏體充填開采系統(tǒng)及設備的研究與設計

徐士虎

（棗莊市能源綜合執(zhí)法支隊，山東 棗莊 277100）

1 國內(nèi)研究背景

長期以來，我國煤礦“三下”壓煤解放資源主要依靠壓覆村莊搬遷、條帶式開采、房柱式開采、覆巖離層注漿等多種方式。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦從三下采出的壓覆資源僅為2.33 億t,占壓覆資源總量的4%,尤其是壓覆區(qū)域內(nèi)的中厚煤層開采，大多依靠政府協(xié)調(diào)村莊搬遷來完成開采任務。隨著社會的發(fā)展，各地區(qū)經(jīng)濟逐步發(fā)展，采用搬遷的方式弊端越來越明顯，一是壓煤村莊搬遷，土地征用困難、費用大，周期長，煤礦企業(yè)經(jīng)濟負擔壓力較大；二是目前大部分采用異地安置，帶來村民許多、生產(chǎn)上的諸多不便。

條帶式開采能夠有效減少地表形變，但條帶式開采采出率較低，壓覆資源浪費較為嚴重，回采率僅為40%～60%,同時條帶式開采中工作面寬度小，萬噸掘進率較高，掘進工程量大，尤其是中厚煤層、厚煤層開采時，回采率更低。水砂充填能夠提高壓煤村莊下煤炭回采率，但是有以下幾個難題：一是隨著經(jīng)濟發(fā)展，水砂資源枯竭，越來越少，充填的成本逐年遞增；二是水砂充填需要煤礦投入較大，需要建設專用輸送系統(tǒng)和排水系統(tǒng)，同時需要建設專用的擋水設施（護壁、隔墻），充填工藝較為復雜，同時井下清理量大，充填體強度較低；三是水砂充填工藝較為落后，職工勞動效率低，無法滿足目前礦井高效生產(chǎn)需要。覆巖離層注漿由波蘭在20 世紀80 年代初研究出的采礦技術，工藝為采煤面后面15～20m 處采用離層注漿的方法控制地表變形，經(jīng)研究，國內(nèi)外普遍認為采用覆巖離層注漿，地面沉降量較少不超過40%,無法控制地表變形。

因此，研究如何合理目前煤礦面臨的“三下一上”壓炭資源、處理矸石等固體廢棄物和開采后地面損害等問題，減少采煤對大自然、人文社會和社區(qū)生活的影響，最大能力地利用有限資源，實現(xiàn)煤礦壓覆煤炭的“安全、綠色開采”,是目前我國采煤領域亟待解決的一項重大課題。

2 膏體充填技術

膏體充填技術重點是把礦井周邊的炭矸石、粉煤灰、河砂、工業(yè)爐渣、劣質(zhì)土、城市固體垃圾等在地面加工制作成無臨界流速、不需要脫水處理的牙膏狀漿體，采用充填泵或重力加壓，通過管道輸送，適時充填采空區(qū)，控制覆巖及地表沉陷的采礦方法。

3 充填開采系統(tǒng)設計及充填支架選型

煤礦膏體充填系統(tǒng)分地面充填站和井下充填系統(tǒng)兩部分。充填站建有矸石加工、成品矸石存儲、配比攪拌、料漿泵送系統(tǒng)。井下系統(tǒng)具有料漿管道輸送、充填區(qū)構筑、料漿充填等功能。

3.1 地面子系統(tǒng)

地面子系統(tǒng)主要分為污水排放子系統(tǒng)、地表管路子系統(tǒng)、矸石破碎子系統(tǒng)、配比攪拌子系統(tǒng)、收塵降噪處理、智能控制子系統(tǒng)(地表部分)、地表供水子系統(tǒng)、地表壓風子系統(tǒng)、地表供暖子系統(tǒng)、地表供電子系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)配套情況，重點對矸石破碎子系統(tǒng)、配比攪拌子系統(tǒng)進行專項設計。

圖1 地面系統(tǒng)工藝流程圖

（1）矸石破碎子系統(tǒng)設計。矸石破碎子系統(tǒng)主要負責矸石的存儲、運輸、破碎、篩分，為充填站生產(chǎn)提供合格的矸石粉；配比攪拌子系統(tǒng)主要負責原料的存儲、給料、稱量，是配制攪拌膏體的生產(chǎn)線。

矸石破碎加工系統(tǒng)設計在矸石棚內(nèi)，包含原矸存儲功能，選用系統(tǒng)移動錘式破碎站為主體，矸石破碎系統(tǒng)能力200t/h。膏體攪拌配比泵送系統(tǒng)包含攪拌配比子系統(tǒng)及泵送子系統(tǒng)，其中攪拌配比子系統(tǒng)攪拌能力不低于180m3/h,滿足充填泵送系統(tǒng)的能力。泵送子系統(tǒng)選用一臺進口設備，泵送能力為150m3/h,配備一臺應急泵。充填站整體能力為150m3/h,能實現(xiàn)年產(chǎn)50 萬t 最終煤炭產(chǎn)能目標。

（2）配比攪拌泵送系統(tǒng)。①主要工藝設備選型原則：（a）設備選型需在滿足項目基本要求的前提下，還需配合智能化連采連充工藝的要求。（b）設備選型技術先進，性能可靠，高效低耗。（c）盡可能選用和系統(tǒng)配套的大型設備，以簡化系統(tǒng)，方便管理。（d）在保證設備性能的前提下，其規(guī)格型號、制造廠家和技術特征的選型應盡量考慮其通用性和一致性。②工藝流程。矸石倉內(nèi)的成品矸石經(jīng)過稱量后利用帶式輸送機運到充填車間的3 層矸石待料斗，鋼板筒倉里的粉煤灰和水泥通過倉底螺旋給料機運至充填樓3 層粉料稱量斗中稱量；蓄水池內(nèi)的水通過水泵泵送至充填樓3 層水稱量斗中稱量；添加劑通過給料水泵到添加劑稱量斗，以上各種物料分批次稱量后投放至充填樓2 層攪拌機內(nèi)，攪拌合格的膏體投放至下方料漿斗進入充填泵，然后通過充填管路泵送至井下工作面。系統(tǒng)配備充填泵一臺，同時為保障系統(tǒng)安全，配備應急處置泵一臺。系統(tǒng)制漿泵送充填設計能力150m2/h。

配比攪拌系統(tǒng)配備單臺主機，粉煤灰與水泥使用鋼板筒倉作為儲料，設置2 個，設計在充填車間兩邊，利用螺旋輸送機向充填車間稱量系統(tǒng)給料。充填車間布置一臺充填泵用于正常充填作業(yè)，同時布置一臺應急處置泵，用于應急故障處理。攪拌平臺與充填車間緊密銜接，二層布置一臺攪拌機，單批次攪拌能力5m3,三層布置稱量系統(tǒng)，一層設置Y 型分料器，可實現(xiàn)快速切換，供給充填泵和應急泵。配比攪拌平臺與充填車間獨立設計，充填車間布置16t 行車1 臺，用于安裝或檢修時吊裝設備使用。

3.2 井下充填子系統(tǒng)

井下充填子系統(tǒng)主要分為充填工作面采煤系統(tǒng)、充填工作面隔離系統(tǒng)、充填工作面充填系統(tǒng)、井下管路輸送子系統(tǒng)、KG3000 智能充填系統(tǒng)(井下部分)。下面重點對KG 智能控制子系統(tǒng)進行專項設計。

煤礦KG3000 智能控制系統(tǒng)由膏體充填地面集控系統(tǒng)、管路閘閥和液位實時監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成，具體包括骨料加工處理自動控制子系統(tǒng)、膏體配比攪拌自動控制子系統(tǒng)、膏體泵送自動控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)測子系統(tǒng)、管路閘閥監(jiān)控子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、集控系統(tǒng)應急反應操作、數(shù)據(jù)接口和遠程服務。

骨料加工處理自動控制子系統(tǒng)主要負責矸石的破碎、篩分、運輸、儲存等工藝的自動化控制，是制備充填骨料的自動化生產(chǎn)線。

膏體配比攪拌自動控制子系統(tǒng)主要負責膏體物料按配方進行自動稱量配料、外加劑添加、攪拌混合等工藝的自動化控制，是制備膏體的自動化生產(chǎn)線。

膏體泵送自動控制子系統(tǒng)主要負責膏體料漿自地面向井下工作面輸送，是自動化泵送的控制平臺。

視頻監(jiān)測子系統(tǒng)主要負責充填系統(tǒng)關鍵環(huán)節(jié)的視頻監(jiān)視復核，是提高系統(tǒng)可靠性的重要組成部分。

管路閘閥監(jiān)控子系統(tǒng)主要負責充填系統(tǒng)管路壓力的遠程監(jiān)測及閘閥的遠程控制，是預防事故及快速處理的重要組成部分。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要負責第1 ～5 項子系統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，包括用戶權限管理、訂單管理、倉容倉料名管理、配方管理、設備參數(shù)管理、歷史報警、歷史趨勢和用戶操作追溯。

集控系統(tǒng)應急反應操作系統(tǒng)主要結合充填工藝和管路監(jiān)測壓力，對出現(xiàn)配料不足、管道壓力過高等等突發(fā)情況進行應急操作。

數(shù)據(jù)接口和遠程服務系統(tǒng)主要負責充填系統(tǒng)和企業(yè)層信息的數(shù)據(jù)接口要求，遠程服務可以更快、更準確地為現(xiàn)場提供解決處理問題方案。

上述8 個部分相互配套，協(xié)同運行，共同構成自動控制及監(jiān)測系統(tǒng)的整體。

按照膏體充填生產(chǎn)工藝要求，需要在實現(xiàn)膏體充填設備全流程監(jiān)控的基礎上，具備更多自動化、信息化、智能化的特征。

自動化：充填全流程控制。基于PLC 和組態(tài)軟件的過程控制系統(tǒng)在礦山充填行業(yè)已較為成熟，除具備傳統(tǒng)組態(tài)系統(tǒng)的界面、報警、歸檔、參數(shù)配置功能，項目將實現(xiàn)過程控制(即從原料到充填工作面)自動化，井上充填制備訂單式一鍵啟動，井下閥門遠程監(jiān)控，井下液位自動檢測，全流程可視化的集控系統(tǒng)，保障生產(chǎn)過程全天候安全、穩(wěn)定、高效運行。

信息化：井上井下信息的一體化監(jiān)控。信息化的核心是將數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)化為對企業(yè)生產(chǎn)管理有用的信息。目前充填行業(yè)的井下檢測數(shù)據(jù)不多，增加管路壓力、流量、濃度、充填液位檢測等大量傳感器的檢測，實現(xiàn)全方位數(shù)字化監(jiān)控；同時對井下截止閥、布料閥的關鍵閥門進行遠程控制，實現(xiàn)一體化監(jiān)控，一鍵啟動和少人值守的目標；配合井上、井下視頻監(jiān)控信息，對現(xiàn)場進行實時圖像監(jiān)控。

智能化：基于數(shù)字化和模型算法的智能控制。智能化是自動化+信息化的升級。即在大量數(shù)據(jù)樣本的基礎上，充分挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在信息和工作模式，設計可完全替代復雜勞動的控制程序。例如，由井下充填液位的實時監(jiān)測對井上膏體制備的APS 排產(chǎn)系統(tǒng)，力求對較為復雜的人工操控過程進行模型，達到智能化運行。該系統(tǒng)保留大量和生產(chǎn)調(diào)度MES、集團企業(yè)ERP、信息化IOT 平臺的數(shù)據(jù)化接口。

因此，該系統(tǒng)要求既能夠?qū)崿F(xiàn)安全、穩(wěn)定、可靠的傳統(tǒng)全流程過程控制，又將作為充填工藝信息化以及智能化具有前瞻性的良好實踐。項目的總體目標可以概括為：安全可靠、減員增效、數(shù)據(jù)互聯(lián)。

安全可靠：安全性和可靠性永遠是第一位的。安全性包括安全生產(chǎn)和質(zhì)量安全。安全生產(chǎn)要求按照安全標準，通過“手動、停止、遠程”標準HOA 模式、設備連鎖、報警、權限等手段，保障操作安全、運行安全。生產(chǎn)安全包括實現(xiàn)操作可追溯。

減員增效：減員增效的具體手段包括優(yōu)化控制程序，在保證井上膏體制備配料精準和井下閥門動作準確度的情況下，最大限度地提升運行效率；提高全流程自動化水平，最大限度地減少人工干預；讓操作更加簡單便捷，最大限度降低操作復雜性。這樣，可以大幅減少操作崗位，提高生產(chǎn)效率。系統(tǒng)注重人機交互，實現(xiàn)更簡單直觀的操作界面。

數(shù)據(jù)互聯(lián)：該系統(tǒng)可以收集井上配方的批次信息和原料消耗數(shù)據(jù)、井下壓力和流量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析形成報表，操作站可以實時性監(jiān)控生產(chǎn)情況，同時該系統(tǒng)可以和集團ERP 實現(xiàn)對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時該系統(tǒng)符合IOT 信息化平臺的數(shù)據(jù)傳輸格式，如OPC、MQTT,預留豐富的數(shù)據(jù)對接接口。

3.3 充填支架選型

（1）膏體充填支架功能。膏體充填液壓支架與垮落法支架差距較大，充填支架不僅要滿足一般采煤工作面支架對采空區(qū)頂板支護要求，還需對充填區(qū)域提供適度支撐和隔絕作用。在充填隔離方面需要具備以下功能：抵抗支架后方的膏體側向壓力；封閉煤層頂板、底板與支架的間隙；封閉臨近液壓支架的間隙；設置音體充填布料孔。

（2）充填支架架型選擇。充填開采支架由頂梁、護幫板、整體頂梁、四連桿機構、立柱、活動隔離板、后掩護梁、底座、推移機構、抬底千斤頂、調(diào)架千斤頂?shù)冉M成，其中，整體頂梁后部頂梁主要功能為掩護面后隔離作業(yè)作用。隔離板主要作用是配合隔離布快速布置充填空間。

（3）支架型號確定。擬膏體充填區(qū)域采高設為3.5m,暫定膏體充填開采支架型號為ZC5600/20/38 型四柱充填支架。

4 結語

該研究成果不但對礦井可持續(xù)發(fā)展具有極大的現(xiàn)實意義，減少了地面農(nóng)田塌陷面積，有利于緩解工農(nóng)關系，可增加就業(yè)崗位，有利于和諧社會發(fā)展。而且為國內(nèi)類似條件下膏體充填開采推廣利用提供了非常關鍵的理論基礎，隨著我國“綠水青山就是金山銀山”觀念的深入，對于礦業(yè)產(chǎn)生的固體廢物，對周邊環(huán)境污染的處罰及重視程度加大，以及礦井自身環(huán)保理念的提高，膏體充填開采技術的成功，也為我國礦井有效處理井下矸石提供了經(jīng)濟實惠的解決方案，為環(huán)境保護、減少土地、有效增加工作面回采率起到了大力提升作用，具有較為廣闊的應用推廣前景。