超高水材料充填系统优化及应用研究

黄 峰

（山西焦煤集团店坪煤矿，山西 吕梁 033199）

1 工程概况

超高水材料为无机双液组分，绿色无污染且充填的成本低，逐渐被广泛应用[1-3]。随着煤矿发展，充填效率对煤矿效益有直接的影响，而现有的充填系统无法满足日益提高的充填量需求[4-5]。本文结合店坪村煤矿2319 工作面的实际工程需求，展开超高水材料充填系统的优化研究以及应用。2319 工作面位于工业广场西侧，工作面走向长度约427 m，倾向长度200 m，开采16 号煤，平均煤厚1.23 m。煤层直接顶是5.5 m 厚的灰岩，底板是1.2 m 的铝质黏土。

已知2319 工作面采高1.2 m，采煤机日进尺约为3.6 m，故充填空间在500 m3，按照每天充填8 h，制浆量按照1.3 倍系数计算，超高水材料制浆站的生产能力约为80 m3/h，单液的浆液生产量约为40 m3/h。综上分析，为满足充填制浆量的需求，对超高水充填制浆系统进行了优化设计，提高制浆效率。根据工作面的地质情况，结合超高水材料的特点，本次充填开采计划采用开放式充填和包式充填结合的方法，提高回采和充填的效率。

2 超高水地面制浆充填系统设计

超高水地面制浆充填系统设计，本着设备简化、占用空间小、人员使用少、管路输送布置简单、管路易冲洗的原则，设计了地面制浆、管路输送及冲洗系统。

制浆系统是充填系统的核心部分，在工业广场建造，制浆系统采用电和气动结合的方式，将粉料与水混合制造成单种浆液，通过管路输送至充填工作面处混合。由于超高水材料是双液组分，因此制浆系统也是A、B 两个系统，但两种系统完全相同，其中主要包括材料的储存、粉料输送、输水、单液制造以及存储。制浆站系统如图1，以浆液A 为例，超高水材料制浆系统的设计简单，所需设备少，减少了工人日常检修工作。称量系统主要采用斗称和监控系统，保证浆液的配比精准，进而确保超高水材料充填体的性能。

以A 浆液为例，对从上料到制浆最后到输送的工艺过程展开简单的阐述，工艺过程示意图如图2。

（1）储料系统。超高水材料呈粉末状，因此储存在封闭的储料仓中，防止扬尘产生并有利于环保，同时也便于粉料储量的计量。A、B 两种粉料的储存罐体积均为50 m3，AA 和BB 添加剂储存仓体积为5 m3。

图1 超高水材料制浆站示意图

（2）储水系统。超高水材料每日充填量为500 m³，根据1.2 倍水量蓄水计算，储水仓水量应不小于600 m³。流量和总水量主要通过流量器和水量计算仪进行准确的控制，保证每日的供水量，进而保证材料的水灰比。

（3）上料系统。材料主要是粉料，输送材料时主要使用螺旋输送机，长度根据到制浆机的距离设计。粉料A 在输送过程中，主要利用动态称重螺旋称重，添加剂AA 主要由失重秤计量，控制系统主要采用PLC 设计完成。

图2 超高水材料制浆工艺流程

（4）制浆系统。由图2 可以看出，A、B 两种浆液的制作过程完全相同。制浆的整体核心在于，如何在完成精确的材料和水的配比后，使浆料混合均匀，并且充分搅拌。浆液的搅拌效率对充填能力有直接影响，浆料是否混合均匀直接影响超高水材料充填体的固结效果，进而影响采空区的充填效果。因此，优化设计主要通过自主研发的高速涡流制浆机，提供内外循环搅拌功能，能高效持续地制出浆液，实现搅拌的高效性。从下料口进入涡流式搅拌泵的浆体，自底端的出浆口流出，经电机抽送至上部进浆口再次进入泵中，以实现浆体的内外循环。泵体内壁焊接有不同角度的割刀，进浆口与泵内壁相切，自进浆口进入桶内的浆体，以旋流形式搅拌，在割刀的作用下，调整旋流角度并使大块体分割为小块体，让浆体各组分趋于均匀。通过涡流泵，下部的浆体可被抽送达上部，有效控制传统搅拌中浆液上下成分不均现象。搅拌过程速度快，可快速制得均匀的浆体。浆液充分混合后，经气动阀调节，关闭进浆口，开启放浆口，浆体输送至低速搅拌罐。

（5）储浆系统。为了保证充填浆液的连续充填，应该要保证有一定的浆液储存量，因此设计了低速的搅拌罐，让浆液不会发生沉淀或者固结，在保证浆液满管流动的同时减小了地面盛浆池挖掘，节省了基建的费用，能达到简洁高效的目的。

3 充填工艺设计及工程效果

3.1 充填方案设计

2319 工作面采用全包式充填和开放式充填相结合的充填法。由图3 可以看出，包式充填主要是为了提供一个密闭的充填空间，其主要部分是构筑板墙和充填包的放置，并且要设计挡煤板，便于开放式充填的展开。充填包主要分为工作面的充填包和顺槽的充填包，其中工作面充填包为圆柱体，直径3 m，长30 m，顺槽充填包为长方体，长3.8 m，宽3 m，高2.5 m。根据工作面的推进量，每3.6 m 为一个充填循环。

图3 2319 工作面充填方案示意图

通过两种充填方式结合的综合充填法，可以解决完全包式充填存在未接顶空间的问题，同时可以减少充填包之间挡板的基建工作，能提高充填效率。

3.2 工程效果分析

在现场应用后，为了检验超高水材料的充填效果，通过在2319工作面中顺槽安装顶板下沉检测仪，统计充填后顺槽的顶板下沉量。测点距离工作面停采线约200 m，通过数据整理，绘制出随着时间变化顶板的下沉速率曲线，如图4。

图4 顶板下沉速率曲线

根据数据整理可知，2319 工作面中顺槽的顶板最终下沉量约为150.5 mm。根据数据的实时监测情况，根据时间变化，大致可以把充填后顶板下沉分为三个阶段。

（1）在0～24 h 内是第一阶段，由于设备安装在充填前一天，此时是未充填巷道顶板在采动影响下的变形特征。由图中可以看出平均下沉速率约在2.5 mm/h，该阶段累计下沉量为60 mm。

（2）在24～192 h 是顶板下沉的第二个阶段，主要是超高水材料强度的增长阶段，顶板下沉速率呈现逐渐降低的趋势。起初充填体的强度较低，顶板下沉速率较快但略小于未充填顶板下沉速率，随着充填体强度增长，顶板下沉逐渐降低。该阶段顶板共下沉88.5 mm。

（3）大于192 h 后为第三阶段，此时超高水材料充填体的强度稳定，能有效支撑顶板，保证顶板基本不下沉。该阶段的顶板下沉量共计为2 mm。

根据三个阶段的顶板变形特征可知，顶板发生变形主要集中在前两个阶段，主要是未充填和充填体强度的增长阶段。当充填体强度增大到峰值强度的90%以上，顶板变形就趋于稳定。超高水材料充填能够较好地充填采空区，能够控制顶板的变形，但需要给充填体足够的强度增长空间，因此应用中应该适当在两次充填期间留出适当时机供充填体性能发育，可以有更好的充填效果。

4 结论

（1）根据超高水材料的特点，设计了能够自动上料、称重、连续放浆并能实现高效内外循环搅拌制浆于一体的充填系统，在保证超高水材料配比的同时，提高制浆效率和充填效果。

（2）采用设计的超高水材料充填系统，并结合包式充填和开放式充填结合的综合充填方法在店坪村煤矿某工作面应用的效果良好。通过监测顺槽顶板的下沉速率可知，随着充填体强度增长，顶板下沉速率变缓并趋于不变，顶板最大下沉量为150.5 mm。超高水材料的充填效果良好，为其他类似工程提供了经验借鉴。