劉鵬亮，孫凱華

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

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風積砂似膏體充填站優(yōu)化設計與實踐

劉鵬亮1，2，孫凱華1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

針對風積砂似膏體充填料漿的特點，設計了充填站制漿工藝流程，制定了風積砂篩分輸送工藝和粉煤灰?guī)齑鎯拜斔凸に?。提出了雙制漿系統(tǒng)集中布置同時作業(yè)以提高充填能力的思路，并設置地下設備池，將不同罐體高低錯落布置，充分利用地勢降低了物料輸送過程中的能耗。榆陽煤礦風積砂似膏體充填站建設運行實踐表明，該系統(tǒng)布置方式簡單緊湊，投資低，各設備能夠發(fā)揮較高的效能，制漿能力不低于360m3/h，為高效充填采煤提供了充填能力保障。

風積砂似膏體；充填站；粉煤灰?guī)?；雙制漿系統(tǒng)；地下設備池

膠結(jié)充填開采是煤礦解放“三下”壓煤、實現(xiàn)礦井綠色開采的重要技術(shù)措施，該技術(shù)通過采用強度較高的類似“混凝土”的膠結(jié)充填材料填充采煤后形成的空區(qū)，支撐上覆巖層，達到減小采動影響的效果，在我國多個礦區(qū)得到推廣應用[1-2]，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。近年來，專家學者在膠結(jié)充填開采的充填材料、充填工藝、充填設備等方面進行了大量的研究[3-6]，但對于地面充填站設計方面的研究略顯不足。某些煤礦由于充填站系統(tǒng)工藝設計欠佳，存在投資過大、能耗浪費較大、制漿能力偏低等問題，對充填工程的質(zhì)量和效益造成影響。本文結(jié)合風積砂似膏體充填技術(shù)，對膠結(jié)充填站的系統(tǒng)優(yōu)化設計進行了探討與實踐。

1 風積砂似膏體充填技術(shù)概述

西北地區(qū)如榆林、鄂爾多斯等地煤炭資源儲量豐富、煤層開采條件優(yōu)越，是我國煤炭能源的重要生產(chǎn)基地，但該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，大規(guī)模的煤炭垮落法開采極易造成地面大面積塌陷、水資源流失、荒漠化加劇等環(huán)境災害。針對這一問題，天地科技股份有限公司研發(fā)了風積砂似膏體充填采煤技術(shù)——采煤工作面每推進一定距離，采用風積砂似膏體充填材料對后方采空區(qū)進行一次充填，充填體凝固后工作面繼續(xù)推進，如此“采煤—充填”交替循環(huán)進行，在控制覆巖沉降條件下將煤炭資源置換出來。風積砂似膏體充填材料的特點在于：一是以當?shù)貜V泛存在的風積砂為骨料，大幅度降低了充填材料成本；二是以粉煤灰、輔料(生石灰、石膏等)和水泥等為膠結(jié)劑，初始流動度大于190mm，30min流動度大于170mm，可在充填倍線不超過15條件下自流輸送至井下采空區(qū)。

陜西中能煤田有限公司榆陽煤礦在2307綜采充填工作面進行風積砂似膏體充填采煤工業(yè)性試驗。工作面寬160.8m(含兩巷)，長1149m，平均采厚3.30m，埋深190m，平均傾角0.28°。工作面采用專用充填支架，充填步距6.4m，單次充填量約3300m3，充填采煤能力設計0.6Mt/a。地面充填站位于主斜井工業(yè)廣場，距2307工作面水平距離約1000m，滿足漿液自流輸送的倍線條件，設計制漿能力360m3/h。

2 風積砂似膏體制漿工藝流程

榆陽煤礦風積砂似膏體充填材料的配比為水泥∶輔料∶粉煤灰∶風積砂∶水=1∶1.6∶10∶12∶(9.2～11)[7]。以制漿能力180m3/h的制漿系統(tǒng)為例，其設備包括4個100m3初漿罐、1個80m3輔料罐、1個80m3水泥罐、1個16m3成漿罐、1套風積砂篩分輸送系統(tǒng)和1套自動化控制系統(tǒng)。制漿工藝為：先向初漿罐內(nèi)注入定量的水，啟動攪拌電機后邊攪拌邊注入粉煤灰，制成初漿；然后將初漿、輔料、水泥和風積砂按照設定的比例同時輸入成漿罐，在攪拌器的作用下混合均勻，邊攪拌邊輸出料漿；料漿經(jīng)管路自流輸送到充填工作面。

3 充填站系統(tǒng)優(yōu)化設計

充填站制漿系統(tǒng)應依據(jù)充填料漿的特點及制漿能力要求，本著安全性、實用性和經(jīng)濟性的原則，將物料存儲、輸送與攪拌等各設備進行合理配置布局。國內(nèi)已建成運行的多座矸石(似)膏體充填站主要包括破碎系統(tǒng)、原料存儲系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)等[8-11]。榆陽煤礦風積砂似膏體充填站系統(tǒng)組成與此相似，但風積砂與矸石性能差別較大、粉煤灰用量大，因此應有針對性地解決風積砂篩分輸送工藝及粉煤灰存儲輸送工藝，并研究提高制漿能力和降低能耗的措施。

3.1 風積砂篩分及輸送工藝

風積砂由于長期受到風的吹揚、搬運、堆積，其粉粘粒含量少，表面活性低，松散、無聚性，具有明顯的非塑性；粒徑0.15～0.60mm，平均0.249mm，屬特細砂，無需破碎即可作為充填漿液骨料。風積砂進入制漿系統(tǒng)前，需經(jīng)歷存儲、篩分及定量輸送3個環(huán)節(jié)。工藝流程為：地面受砂口→定量給料機→偏心式同步水平篩→帶式輸送機(電子膠帶秤)→成漿罐。充填站布置見圖1。

圖1 充填站布置示意

具體步驟為：

(1)存儲 風積砂原料堆放至充填站地面受砂口附近，存儲量按單次充填漿液所需風積砂量的2倍考慮，約4300t。砂堆上方搭設防雨棚。

(2)篩分 用鏟車將風積砂從砂堆推入受砂口，進入定量給料機，由溜槽送入偏心式同步水平振動篩進行篩分，篩余物由篩下漏斗輸送到大傾角帶式輸送機提升至地面。每臺給料機的最大能力為150t/h，計量精度誤差不超過0.5%；偏心式同步水平振動篩最大篩分能力200t/h，入料粒度不超過150mm，考慮到可混入雜物最大粒徑與漿液輸送管徑的關(guān)系確定篩孔尺寸為25mm。

(3)定量輸送 篩分后的風積砂經(jīng)安裝有電子膠帶秤的帶式輸送機輸送至成漿罐，輸送量可通過膠帶秤反饋調(diào)整。

3.2 粉煤灰?guī)齑鎯拜斔凸に?/p>

榆陽煤礦2307綜采充填工作面單次充填所需粉煤灰約1600t，而其距榆陽煤礦最近的電廠20km以上，僅靠灰罐車實時運輸存在的供給風險較大，因此建立粉煤灰?guī)爝M行臨時存儲周轉(zhuǎn)十分必要。粉煤灰?guī)煸O計的原則為：

(1)容量滿足2次充填所需粉煤灰量。

(2)滿足普通灰罐車向粉煤灰?guī)齑蚧?，實現(xiàn)由粉煤灰?guī)煜虺鯘{罐定量供灰。

(3)整個粉煤灰?guī)煜到y(tǒng)具有先進性和可靠性，能耗較低。

(4)充分利用現(xiàn)有場地，與充填站各設備協(xié)調(diào)，達到整體布局美觀。

國際價格的持續(xù)上漲無疑對國內(nèi)市場提供利好支撐，甚至讓不少人對尿素出口再度抱有期待。無論尿素能否再度走出國門，中國近300美元/噸的離岸價對國內(nèi)市場提供的價格支撐是實實在在的。

在滿足上述原則的前提下，設計了φ11m×18m，儲存能力為1800m3的鋼板倉粉煤灰?guī)?個(圖1)。粉煤灰向初漿罐定量輸送工藝如下：

(1)庫底卸料 粉煤灰?guī)觳捎昧鲬B(tài)化卸料。庫底設置4個下料鋼錐，卸料量控制在20～120t/h之間，每個下料鋼錐加4塊流化板，當庫內(nèi)粉煤灰板結(jié)、起拱、堵塞時起松動作用。所有流化板皆采用羅茨風機而不采用壓縮空氣供氣，避免了因壓縮空氣里所含的水分使流化板的透氣效果差而造成設備不能長時間使用的缺陷。

(2)中間過程輸送及計量 粉煤灰?guī)炫c放置初漿罐的設備池之間相距近10m，庫底卸下的粉煤灰首先由氣力輸送斜槽輸送到提升機，經(jīng)過天橋平臺，再進入設備池的氣力輸送斜槽，將粉煤灰整理為均勻料流，依靠重力進入沖板式流量計計量。

(3)進入初漿罐 計量后的粉煤灰，由設備池氣力輸送斜槽輸送到初漿罐。每套氣力輸送斜槽上裝有6個氣動閘閥，用于控制向各個初漿罐打灰。粉煤灰輸送能力為90～180t/h。

3.3 雙制漿系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)提高充填能力

目前國內(nèi)外煤礦充填站制漿能力最大約150m3/h左右，制約了充填采煤生產(chǎn)能力。榆陽煤礦提出了充填站制漿能力360m3/h的目標。提高制漿能力的途徑有兩種：一是提高相關(guān)設備規(guī)格實現(xiàn)制漿能力的增加，但這需要在現(xiàn)有基礎上進行研發(fā)制造，而且系統(tǒng)運行過程中的風險也相應提升；二是2套常規(guī)能力制漿系統(tǒng)同時作業(yè)實現(xiàn)制漿能力翻倍。在目前技術(shù)水平條件下，第二種方式簡單易行，可靠性高。因此，將2套能力均為180m3/h的常規(guī)制漿系統(tǒng)集中布置聯(lián)合作業(yè)，平面如圖1(a)所示，充填漿液分別通過各自管路輸送至充填區(qū)域，總充填能力達到360m3/h。2套制漿系統(tǒng)聯(lián)合布置應兼顧集中性和獨立性，達到既節(jié)省空間，又不造成兩系統(tǒng)相互干擾的效果。

各類罐體高度一般在10m左右，上料、檢修存在一定難度，向罐體打灰輸漿過程中能量損耗較多，這也是目前多數(shù)充填站運行中普遍存在的問題?；诖耍岢隽嗽O置地下設備池并將設備高低錯落布置的方式(如圖1(b)所示)：初漿罐、輔料罐、水泥罐置于地面以下10m設備池中，罐體頂部基本與地面平行，利于粉狀物料和水從罐頂向罐體內(nèi)輸送；風積砂系統(tǒng)的存儲、篩分、輸送部分由地面到設備池底部利用地勢高差依次布置，篩分后的風積砂膠帶輸送機經(jīng)地下走廊輸送到成漿罐；成漿罐置于設備池中央、地面以下15m的小型設備池中，利于初漿、風積砂、輔料和水泥向成漿罐輸送。該布置方式將設備布置與地勢充分結(jié)合，減少了物料輸送過程中的能耗，且方便作業(yè)。

4 應用效果

2012年5月，榆陽煤礦風積砂似膏體充填站建設安裝完畢并進行了調(diào)試，7月進行了充填開采工業(yè)性試驗。充填站制漿過程中各設備運轉(zhuǎn)正常，風積砂篩分輸送系統(tǒng)順暢，篩孔大小合理，料流均勻、穩(wěn)定；粉煤灰?guī)齑媪亢侠?、計量準確、輸送均勻；初漿、輔料、水泥摻加比例控制在合理范圍，漿液性能指標與設計一致；整體故障率低，制漿能力不低于360m3/h，為高效充填采煤提供了充填能力保障。充填站土建、設備投資共約4000萬元，與同等充填能力的充填站投資折算相比，約降低20%～30%，經(jīng)濟效益顯著。充填站概貌如圖2所示。

圖2 榆陽煤礦充填站概貌

5 結(jié)束語

(1)風積砂似膏體制漿工藝流程簡述為：將粉煤灰和水在初漿罐攪拌均勻后與輔料、水泥和風積砂按照設定的配比輸入成漿罐，在攪拌器的作用下均勻混合，邊攪拌邊輸出料漿。為保證制漿過程中風積砂和粉煤灰兩大主料的連續(xù)定量輸送，設計了風積砂篩分及輸送工藝、粉煤灰?guī)齑鎯拜斔凸に嚒?/p>

(2)提出了充填站雙制漿系統(tǒng)集中布置聯(lián)合作業(yè)的思路，可使制漿能力提高1倍；設置了地下設備池將不同設備高低錯落布置，達到充分利用地勢降低物料輸送過程中能耗的目的。

(3)榆陽煤礦風積砂似膏體充填開采工業(yè)性試驗表明，該充填站設計方式簡單緊湊，整體投資比同等能力充填站折算降低20%～30%，運行過程中，各項設備發(fā)揮了較高的效能，制漿能力不低于360m3/h，為高效充填采煤提供了充填能力保障，經(jīng)濟效益顯著。

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[責任編輯：徐乃忠]

Optimal Design and Practical of Aeolian Sand Paste-like Backfill Station

LIU Peng-liang1,2, SUN Kai-hua1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

To the characters of aeolian sand paste-like backfill material，then grouting process of backfill station was designed，screening transportation technology of aeolian sand，coal ash storeroom storage and transportation technology were formulated. the method that double grouting system was distributed concentration and working at the same time was put forward ,which backfill capacity could be improved obviously，underground equipment pool was set，and different tank body were arranged scatter，the energy consumption that appeared during transportation was decreased with terrain. The practical of aeolian sand paste-like back station constructed in Yuyang coal mine showed that the arrangement form is simply and compactly，investment low，all equipment works well and grouting capacity not small than 360m3/h. It offered backfill capacity safeguard for backfill coal mining effectively.

aeolian sand paste-like；backfilling station；coal ash storeroom；double grouting system；underground equipment pool

2016-06-06

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.018

國家科技重大專項資助項目(2016ZX05045007-003)；中國煤炭科工集團科技創(chuàng)新基金資助項目(2016MS011)；天地科技股份有限公司青年創(chuàng)新基金項目(KJ-2014-TDKC-15)

劉鵬亮(1980-)，男，河北石家莊人，博士研究生，主要從事煤礦充填開采技術(shù)方面的研究工作。

劉鵬亮，孫凱華.風積砂似膏體充填站優(yōu)化設計與實踐[J].煤礦開采，2016，21(6)：65-67，53.

TD853.34

A

1006-6225(2016)06-0065-03