风积砂似膏体充填站优化设计与实践

刘鹏亮，孙凯华

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)



风积砂似膏体充填站优化设计与实践

刘鹏亮1，2，孙凯华1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

针对风积砂似膏体充填料浆的特点，设计了充填站制浆工艺流程，制定了风积砂筛分输送工艺和粉煤灰库存储及输送工艺。提出了双制浆系统集中布置同时作业以提高充填能力的思路，并设置地下设备池，将不同罐体高低错落布置，充分利用地势降低了物料输送过程中的能耗。榆阳煤矿风积砂似膏体充填站建设运行实践表明，该系统布置方式简单紧凑，投资低，各设备能够发挥较高的效能，制浆能力不低于360m3/h，为高效充填采煤提供了充填能力保障。

风积砂似膏体；充填站；粉煤灰库；双制浆系统；地下设备池

胶结充填开采是煤矿解放“三下”压煤、实现矿井绿色开采的重要技术措施，该技术通过采用强度较高的类似“混凝土”的胶结充填材料填充采煤后形成的空区，支撑上覆岩层，达到减小采动影响的效果，在我国多个矿区得到推广应用[1-2]，取得了良好的经济社会效益。近年来，专家学者在胶结充填开采的充填材料、充填工艺、充填设备等方面进行了大量的研究[3-6]，但对于地面充填站设计方面的研究略显不足。某些煤矿由于充填站系统工艺设计欠佳，存在投资过大、能耗浪费较大、制浆能力偏低等问题，对充填工程的质量和效益造成影响。本文结合风积砂似膏体充填技术，对胶结充填站的系统优化设计进行了探讨与实践。

1 风积砂似膏体充填技术概述

西北地区如榆林、鄂尔多斯等地煤炭资源储量丰富、煤层开采条件优越，是我国煤炭能源的重要生产基地，但该区生态环境脆弱，大规模的煤炭垮落法开采极易造成地面大面积塌陷、水资源流失、荒漠化加剧等环境灾害。针对这一问题，天地科技股份有限公司研发了风积砂似膏体充填采煤技术——采煤工作面每推进一定距离，采用风积砂似膏体充填材料对后方采空区进行一次充填，充填体凝固后工作面继续推进，如此“采煤—充填”交替循环进行，在控制覆岩沉降条件下将煤炭资源置换出来。风积砂似膏体充填材料的特点在于：一是以当地广泛存在的风积砂为骨料，大幅度降低了充填材料成本；二是以粉煤灰、辅料(生石灰、石膏等)和水泥等为胶结剂，初始流动度大于190mm，30min流动度大于170mm，可在充填倍线不超过15条件下自流输送至井下采空区。

陕西中能煤田有限公司榆阳煤矿在2307综采充填工作面进行风积砂似膏体充填采煤工业性试验。工作面宽160.8m(含两巷)，长1149m，平均采厚3.30m，埋深190m，平均倾角0.28°。工作面采用专用充填支架，充填步距6.4m，单次充填量约3300m3，充填采煤能力设计0.6Mt/a。地面充填站位于主斜井工业广场，距2307工作面水平距离约1000m，满足浆液自流输送的倍线条件，设计制浆能力360m3/h。

2 风积砂似膏体制浆工艺流程

榆阳煤矿风积砂似膏体充填材料的配比为水泥∶辅料∶粉煤灰∶风积砂∶水=1∶1.6∶10∶12∶(9.2～11)[7]。以制浆能力180m3/h的制浆系统为例，其设备包括4个100m3初浆罐、1个80m3辅料罐、1个80m3水泥罐、1个16m3成浆罐、1套风积砂筛分输送系统和1套自动化控制系统。制浆工艺为：先向初浆罐内注入定量的水，启动搅拌电机后边搅拌边注入粉煤灰，制成初浆；然后将初浆、辅料、水泥和风积砂按照设定的比例同时输入成浆罐，在搅拌器的作用下混合均匀，边搅拌边输出料浆；料浆经管路自流输送到充填工作面。

3 充填站系统优化设计

充填站制浆系统应依据充填料浆的特点及制浆能力要求，本着安全性、实用性和经济性的原则，将物料存储、输送与搅拌等各设备进行合理配置布局。国内已建成运行的多座矸石(似)膏体充填站主要包括破碎系统、原料存储系统、搅拌系统、泵送系统、自动化控制系统等[8-11]。榆阳煤矿风积砂似膏体充填站系统组成与此相似，但风积砂与矸石性能差别较大、粉煤灰用量大，因此应有针对性地解决风积砂筛分输送工艺及粉煤灰存储输送工艺，并研究提高制浆能力和降低能耗的措施。

3.1 风积砂筛分及输送工艺

风积砂由于长期受到风的吹扬、搬运、堆积，其粉粘粒含量少，表面活性低，松散、无聚性，具有明显的非塑性；粒径0.15～0.60mm，平均0.249mm，属特细砂，无需破碎即可作为充填浆液骨料。风积砂进入制浆系统前，需经历存储、筛分及定量输送3个环节。工艺流程为：地面受砂口→定量给料机→偏心式同步水平筛→带式输送机(电子胶带秤)→成浆罐。充填站布置见图1。

图1 充填站布置示意

具体步骤为：

(1)存储 风积砂原料堆放至充填站地面受砂口附近，存储量按单次充填浆液所需风积砂量的2倍考虑，约4300t。砂堆上方搭设防雨棚。

(2)筛分 用铲车将风积砂从砂堆推入受砂口，进入定量给料机，由溜槽送入偏心式同步水平振动筛进行筛分，筛余物由筛下漏斗输送到大倾角带式输送机提升至地面。每台给料机的最大能力为150t/h，计量精度误差不超过0.5%；偏心式同步水平振动筛最大筛分能力200t/h，入料粒度不超过150mm，考虑到可混入杂物最大粒径与浆液输送管径的关系确定筛孔尺寸为25mm。

(3)定量输送 筛分后的风积砂经安装有电子胶带秤的带式输送机输送至成浆罐，输送量可通过胶带秤反馈调整。

3.2 粉煤灰库存储及输送工艺

榆阳煤矿2307综采充填工作面单次充填所需粉煤灰约1600t，而其距榆阳煤矿最近的电厂20km以上，仅靠灰罐车实时运输存在的供给风险较大，因此建立粉煤灰库进行临时存储周转十分必要。粉煤灰库设计的原则为：

(1)容量满足2次充填所需粉煤灰量。

(2)满足普通灰罐车向粉煤灰库打灰，实现由粉煤灰库向初浆罐定量供灰。

(3)整个粉煤灰库系统具有先进性和可靠性，能耗较低。

(4)充分利用现有场地，与充填站各设备协调，达到整体布局美观。

国际价格的持续上涨无疑对国内市场提供利好支撑，甚至让不少人对尿素出口再度抱有期待。无论尿素能否再度走出国门，中国近300美元/吨的离岸价对国内市场提供的价格支撑是实实在在的。

在满足上述原则的前提下，设计了φ11m×18m，储存能力为1800m3的钢板仓粉煤灰库2个(图1)。粉煤灰向初浆罐定量输送工艺如下：

(1)库底卸料 粉煤灰库采用流态化卸料。库底设置4个下料钢锥，卸料量控制在20～120t/h之间，每个下料钢锥加4块流化板，当库内粉煤灰板结、起拱、堵塞时起松动作用。所有流化板皆采用罗茨风机而不采用压缩空气供气，避免了因压缩空气里所含的水分使流化板的透气效果差而造成设备不能长时间使用的缺陷。

(2)中间过程输送及计量 粉煤灰库与放置初浆罐的设备池之间相距近10m，库底卸下的粉煤灰首先由气力输送斜槽输送到提升机，经过天桥平台，再进入设备池的气力输送斜槽，将粉煤灰整理为均匀料流，依靠重力进入冲板式流量计计量。

(3)进入初浆罐 计量后的粉煤灰，由设备池气力输送斜槽输送到初浆罐。每套气力输送斜槽上装有6个气动闸阀，用于控制向各个初浆罐打灰。粉煤灰输送能力为90～180t/h。

3.3 双制浆系统联合作业提高充填能力

目前国内外煤矿充填站制浆能力最大约150m3/h左右，制约了充填采煤生产能力。榆阳煤矿提出了充填站制浆能力360m3/h的目标。提高制浆能力的途径有两种：一是提高相关设备规格实现制浆能力的增加，但这需要在现有基础上进行研发制造，而且系统运行过程中的风险也相应提升；二是2套常规能力制浆系统同时作业实现制浆能力翻倍。在目前技术水平条件下，第二种方式简单易行，可靠性高。因此，将2套能力均为180m3/h的常规制浆系统集中布置联合作业，平面如图1(a)所示，充填浆液分别通过各自管路输送至充填区域，总充填能力达到360m3/h。2套制浆系统联合布置应兼顾集中性和独立性，达到既节省空间，又不造成两系统相互干扰的效果。

各类罐体高度一般在10m左右，上料、检修存在一定难度，向罐体打灰输浆过程中能量损耗较多，这也是目前多数充填站运行中普遍存在的问题。基于此，提出了设置地下设备池并将设备高低错落布置的方式(如图1(b)所示)：初浆罐、辅料罐、水泥罐置于地面以下10m设备池中，罐体顶部基本与地面平行，利于粉状物料和水从罐顶向罐体内输送；风积砂系统的存储、筛分、输送部分由地面到设备池底部利用地势高差依次布置，筛分后的风积砂胶带输送机经地下走廊输送到成浆罐；成浆罐置于设备池中央、地面以下15m的小型设备池中，利于初浆、风积砂、辅料和水泥向成浆罐输送。该布置方式将设备布置与地势充分结合，减少了物料输送过程中的能耗，且方便作业。

4 应用效果

2012年5月，榆阳煤矿风积砂似膏体充填站建设安装完毕并进行了调试，7月进行了充填开采工业性试验。充填站制浆过程中各设备运转正常，风积砂筛分输送系统顺畅，筛孔大小合理，料流均匀、稳定；粉煤灰库存量合理、计量准确、输送均匀；初浆、辅料、水泥掺加比例控制在合理范围，浆液性能指标与设计一致；整体故障率低，制浆能力不低于360m3/h，为高效充填采煤提供了充填能力保障。充填站土建、设备投资共约4000万元，与同等充填能力的充填站投资折算相比，约降低20%～30%，经济效益显著。充填站概貌如图2所示。

图2 榆阳煤矿充填站概貌

5 结束语

(1)风积砂似膏体制浆工艺流程简述为：将粉煤灰和水在初浆罐搅拌均匀后与辅料、水泥和风积砂按照设定的配比输入成浆罐，在搅拌器的作用下均匀混合，边搅拌边输出料浆。为保证制浆过程中风积砂和粉煤灰两大主料的连续定量输送，设计了风积砂筛分及输送工艺、粉煤灰库存储及输送工艺。

(2)提出了充填站双制浆系统集中布置联合作业的思路，可使制浆能力提高1倍；设置了地下设备池将不同设备高低错落布置，达到充分利用地势降低物料输送过程中能耗的目的。

(3)榆阳煤矿风积砂似膏体充填开采工业性试验表明，该充填站设计方式简单紧凑，整体投资比同等能力充填站折算降低20%～30%，运行过程中，各项设备发挥了较高的效能，制浆能力不低于360m3/h，为高效充填采煤提供了充填能力保障，经济效益显著。

[1]徐法奎.我国煤矿充填开采现状及发展前景[J].煤矿开采，2012，17(4)：6-7，49.

[2]解飞翔，徐志远，刘春英.膏体充填特点及其现状分析[J].中小企业管理与科技，2009(8)：296.

[3]戚庭野，冯国瑞，郭育霞，等.煤矿膏体充填材料性能随龄期变化的试验研究[J].采矿与安全工程学报，2015，32(1)：42-48.

[4]孙万明，刘鹏亮，孙凯华，等.榆阳煤矿近水平煤层高充填率充填工艺技术研究[J].煤炭技术，2014，33(12)：23-25.

[5]张万里，杨 眉，郭海伟，等.膏体充填液压支架的设计研究[J].煤矿机械，2010，31(12)：125-126.

[6]刘鹏亮.刀柱充填工作面采充间隔宽度及充填体强度指标[J].煤矿开采，2013，18(6)：70-73，22.

[7]孙凯华，刘鹏亮，孙万明，等.风积沙似膏体煤矿充填材料的研究及应用[J].金属矿山，2016(4)：172-176.

[8]赵有生，杜学岭，党 鹏，等.新阳煤矿高浓度胶结充填站设计[J].煤炭工程，2014，46(1)：31-33.

[9]张钦礼，肖崇春，陈秋松.某矿山最佳充填站站址方案选择[J].科技导报，2013，31(19)：39-43.

[10]刘金鹏，王宝亮，王忠军，等.井下全尾砂自流型充填站的建设及应用[J].黄金，2007，28(7)：23-26.

[11]张立伟.充填站改造实践[J].矿山机械，2008，36(4)：100-101.

[责任编辑：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

国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045007-003)；中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目(2016MS011)；天地科技股份有限公司青年创新基金项目(KJ-2014-TDKC-15)

刘鹏亮(1980-)，男，河北石家庄人，博士研究生，主要从事煤矿充填开采技术方面的研究工作。

刘鹏亮，孙凯华.风积砂似膏体充填站优化设计与实践[J].煤矿开采，2016，21(6)：65-67，53.

TD853.34

A

1006-6225(2016)06-0065-03