井下充填泵站制浆能力改造研究

余正阳

（霍州煤电集团鑫钜煤机装备制造有限责任公司，山西 霍州 031400）

霍州煤电集团有限公司李雅庄煤矿在布置2-620 工作面期间，揭露大量原小煤窑巷式开采遗留空巷，预计对回采造成严重影响[1-2]，因工作面急需接替，必须尽快对空巷进行充填处理。目前矿方的充填泵站制浆能力难以满足工期要求，因此需要针对现有系统进行改造，满足工作面快速投产要求。

1 工程背景

山西焦煤霍州煤电集团有限公司李雅庄煤矿开采2#煤层，平均厚度3.3 m，煤层倾角8°。目前正在布置2-620 工作面，走向长度1450 m，倾斜长度140 m，布置2-6201 进风和2-6202 回风两条顺槽。

在两条顺槽和切眼掘进过程中，陆续揭露遗留空巷。结合矿井小窑分布资料和探测情况，初步确定8 条空巷，方向不一，如图1。揭露时发现，空巷未发生明显的坍塌，具备注浆充填条件，但空巷内瓦斯浓度高，局部有积水，且仅有木垛支护，顶板下沉量较大，受采动影响预计发生严重变形，对回采安全影响较大，因此必须采取治理措施。8 条空巷按照宽度3 m、高度2.5 m、长度1803 m 测算，空巷体积13 522 m3。

图1 空巷分布示意图（m）

因空巷不可进入，但未发生明显的坍塌，具备注浆充填条件。因此计划在进风顺槽施工钻孔，穿透空巷，进行全部注浆充填。充填材料选择超高水充填材料，水灰比6:1，材料消耗约160 kg/m3。相较于其他充填材料，可以大幅减少材料使用量和运输量。同时，因李雅庄煤矿无后续空巷充填需求，没有必要采取充填能力超大的地面充填站，本次计划采取建立井下充填泵站的方式进行空巷治理。充填站布置在2-6201 进风顺槽，距离切眼400 m 位置硐室内，可以满足整个工作面钻孔的注浆需求。如图2。

图2 注浆钻孔布置及泵站硐室位置示意图

2 现有制浆系统充填能力

2.1 现有设备及参数

矿方现有一台ZBYSB320/8-22 液压注浆泵、两台JB1500 电动搅拌桶。液压注浆泵主要参数见表1，电动搅拌桶主要参数见表2。

表1 ZBYSB320/8-22 液压注浆泵参数表

表2 JB1500 电动搅拌桶参数表

2.2 实际充填能力

充填材料为AB 型，两种材料分别加水在搅拌桶内搅拌，然后通过双通道液压注浆泵分别吸浆、出浆，通过三通混合器混合，注入钻孔和空巷内。现有设备连接系统如图3。

图3 现有设备连接系统图

实际充填过程中发现，液压注浆泵充填能力较大，系统充填能力主要受制于搅拌桶的制浆能力。为了保证浆液制备均匀，不能采取边加水边加料的方式，需要制一桶浆打一桶浆，注浆泵处于间歇工作状态，不能发挥到最大能力。按照“加水（10 min）→下料（6 min）→搅拌（4 min）→注浆（12 min）”工序，每个循环需要32 min，单个搅拌桶搅拌状态下有效容积1.3 m3，则充填方量为2.6 m3，实际充填能力仅为4.8 m3/h，注浆泵约62.5%的时间处于停机状态。按照每天实际充填时间12 h测算，本次13 522 m3体积空巷充填约需要235 d 才可完成。

矿方要求90 d 内必须完成空巷充填，因此必须对泵站制浆充填能力进行改造，不得影响工作面接替回采。

3 泵站制浆能力改造方案

3.1 4 搅拌桶制浆方案

为了增大制浆能力，提高注浆泵工效，方案一采取4 搅拌桶制浆方案，即A 料和B 料各采用2 个搅拌桶。A 料搅拌桶包括A1 和A2 搅拌桶，两个搅拌桶交替制浆，通过管路和三通阀连接吸浆管A，通过交替制浆实现连续供浆，实现注浆泵连续工作的目的。如图4。

图4 4 搅拌桶制浆连接方案

实际测试中发现，4 搅拌桶制浆方案一定程度上提高了注浆泵工效。如A1 和A2 搅拌桶，单桶制浆时间约20 min，但注浆泵仅需12 min 即可完成注浆，需要等待8 min 后A2 桶方可完成制浆，交替过程中注浆效率逐渐丧失。经进一步优化，采取降低每桶制浆量以缩短制浆时间，将每桶制浆量由1.3 m3调整至0.6 m3，制浆时间缩短到11 min，注浆时间为6 min，注浆泵等待时间为5 min，相对提高了注浆泵工效，但注浆泵仍需停机等待。

4 搅拌桶制浆方案，测算实际充填能力10.4 m3/h，注浆泵约45.4%的时间处于停机状态。按照每天实际充填时间12 h 测算，本次13 522 m3体积空巷充填约需要108 d 才可完成，难以满足工期要求。

同时，三通阀位置容易堵塞，经常检修，影响制浆效率，且搅拌桶高度达1.9 m，人员上料十分困难，上料速度慢，劳动强度极大。

3.2 高速制浆系统方案

（1）设计思路

提高制浆能力，需要解决的关键问题如下：

① 充分利用供水能力。目前加水时间约10 min，井下供水能力充足，但受制于进水管路直径小、下料搅拌期间加水停止等因素，供水能力未充分利用。

② 大幅缩短加水时间。搅拌桶式搅拌，为保证水灰比精确，必须先加水，加水完毕再加料，严重制约了制浆效率。采用快速定量蓄水、快速加水思路，提高加水效率，兼顾水灰比精确控制和加水速度。

③ 加快下料速度。采用小型的搅拌设备，使人员上料操作更为简便，降低加料劳动强度，缩短加料时间。

④ 加快搅拌速度。搅拌桶式搅拌，因搅拌速度慢，需搅拌4 min 左右才能搅拌均匀，必须通过高速搅拌装置提高搅拌速度和搅拌效果。

⑤ 保证连续注浆。在保证浆液制备供应能力充足的前提下，尽量不停泵，连续注浆，提高充填实施效率。

（2）新增设备

新增设备包括两台气控定量水箱和两台高速搅拌机。主要性能如下：

① 气控定量水箱2 台

容积：300～500 L，可调节。气控定量水箱连接井下进水管，采用DN38 mm 管路进水，按照450 L蓄水量设计，仅需要60 s 即可完成蓄水。放水口采用Φ100 mm 钢丝软管，仅需20 s 即可完成放水，放水完毕后自动蓄水至设计水位。蓄水放水均通过气控阀门进行操作。

② 高速搅拌机2 台

搅拌容积500 L，使用电压660 V/1140 V，防爆电机型号YBKE3-132S-4，电机功率5.5 kW。由立式电机驱动传动于悬臂支撑的高速搅拌轴上，搅拌叶采用高速轴流型叶片。叶片呈锯齿状，剪切力大，可产生不规则的强力涡流，同时能撕裂粉碎固体团体流体进行高分散混合。高速旋转的流体经固定叶片再次强力剪切并向和搅拌叶片同轴的循环输送泵强制送浆，由输送泵快速将桶内的浆液循环均匀，制浆速度快，而且配置的浆液均匀充分，没有成团结块及鱼眼效应。450 L 水为450 kg，按照6:1水灰比，需要材料75 kg，下料时间约40 s，下料完毕再搅拌10 s 即可得到均匀的浆液。制浆完毕后，打开放浆阀门，由内循环切换至外循环，通过强大的离心力放浆，放浆时间仅为20 s。

（3）高速制浆系统连接

高速制浆系统包括两台高速制浆机、两台气控定量水箱、管路，如图5。两套高速制浆系统制备的浆液再分别注入AB 两个电动搅拌桶内，液压注浆泵从搅拌桶内吸取浆液并进行连续注浆。

图5 高速制浆系统

（4）高速制浆系统制浆能力

蓄水时间：60 s；放水时间：20 s；下料时间：40 s；搅拌时间：10 s；放浆时间：20 s。

制备2 桶浆液共1000 L 需要时间为150 s，换算制浆能力为24 m3/h，而注浆泵最大能力320 L/min，换算为19.2 m3/h，制浆能力足以保证注浆泵连续注浆，不停泵。

高速制浆系统方案，实际充填能力按18 m3/h测算，每天充填时间12 h，本次13 522 m3体积空巷充填约需要62 d 即可完成，可以满足工期要求。

4 现场实施情况

根据工期要求，现场采取了高速制浆系统方案，新增两台气控定量水箱和两台高速搅拌机，与原来的2 台JB1500 电动搅拌桶和液压注浆泵共同组成充填系统。高速制浆系统主要用于快速制浆，电动搅拌桶用于盛浆、低速搅拌，防止浆液沉淀。

现场设备安装耗时1 d，每日向井下运输40 t充填材料，充填材料储备120 t 耗时3 d，每日纯充填时间12 h，制浆能力能够保证注浆泵连续工作，消耗材料约33 t/d，每日充填体积约205 m3，纯充填时间65 d，期间设备检修累计耗时4 d。总计用时73 d 完成空巷充填作业。

5 结论

（1）传统的井下泵站充填能力，受制于搅拌桶的制浆能力，加水、加料、搅拌耗时过长，造成注浆泵工效低下，实际充填能力仅为4.8 m3/h，约62.5%的时间处于停机状态。

（2）为改造制浆能力，设计了4 搅拌桶制浆和高速制浆系统两种方案。4 搅拌桶制浆方式实际充填能力10.4 m3/h，注浆泵约45.4%的时间处于停机状态，难以满足工期要求。高速制浆系统通过快速加水和快速搅拌，制浆能力提高到24 m3/h，足以保证注浆泵连续工作。

（3）现场实施情况表明，注浆泵能够连续工作，每日充填体积约205 m3，纯充填时间65 d，总计用时73 d 提前完成空巷充填作业。