煤矿采空区灌浆装备研发与应用

刘 丹

(国能神东煤炭集团地测公司,内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

近年来,综采放顶煤技术得到大力的推广和应用,使煤矿生产效率大幅提高,但该技术冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重,使得矿井煤炭自燃时有发生[1-3]。经过多年实践,并在开展煤矿防灭火工作中不断总结、发现灌浆是主要预防和控制矿井煤炭自燃且行之有效的手段[4-5]。在预防性注浆工作中采用采前预注法、随采随注法、采后注浆法,灭火过程中注浆采用地面钻孔注浆、消火道注浆及井下区域性集中注浆等方法[6-7]。从目前来看,地面固定注浆系统形式多样,主要包括鼠笼式注浆系统、双鼠笼式注浆系统、滚筒式注浆系统、联合式注浆系统、螺旋双作用注浆系统等,被广泛应用的地面注浆系统虽能实现长时间、大流量的连续注浆作业,满足煤矿注浆防灭火工作的初期基本使用要求。但随着矿井的开采,采空区的面积逐渐变大,加上采空区塌陷较分散地表漏风不易控制[9-14],现有固定注浆系统输送范围达不到矿井注浆使用要求,矿井需要准备一套或几套经济实用的快速灌浆装备。

1 现有灌装备存在的主要问题

1.1 输送能力方面

现有地面固定式注浆系统因其泵送装置输送能力有限,导致其服务范围小。对于走向长、采高大、采空区面积大、地表裂隙分布较广的矿区,采用固定注浆设备,但压力损失大,特别容易造成管路堵塞,因此普遍固定注浆系统难以满足大面积采空区防灭火需求。

1.2 制浆能力方面

注浆系统制浆时,水土比的控制十分重要。水土比越小,泥浆浓度越高,粘度、致密性越好,包裹碎煤、隔绝氧气越好。但目前注浆系统中普遍使用的渣浆难以灌注高密度的浆液。

1.3 转移能力方面

目前市场上的固定式注浆系统多不具备移动性或转移起来比较困难,费时费力,且设备需要制作基础,从转移至工程开工需要至少10d以上工期,难以实现大面积矿井对不同作业地点快速开展灌浆工程的需求。目前国内多个生产单位都拥有防灭火技术与装备的相关专利,但多为局部部件的专利,没有整套系统或产品集成方面的专利。

1.4 功能转换方面

经过调研,发现市场上多为仅有单一灌浆功能的灌浆系统,没有一套能够同时实现黄泥浆、沙浆、粉煤灰、三项泡沫、凝胶、复合胶体、阻化泡沫、添加悬浮剂等多种防灭火材料灌注作业的地面多功能移动注浆系统。矿井火灾自然隐患成因复杂,采用的治理方式、治理手段、治理材料需要多样性,以利于在采空区高温或着火初期,能及时、有效、快速的进行预防或灭火。

2 灌浆装备研制

2.1 灌浆装备设计目标

2.1.1 总体目标

研制出适应大面积采空区多功能地面移动注浆装备,该装备的技术领先、质量可靠。能为矿井防灭火工作发挥积极作用,减少经济损失,保障生产,实现良好的经济效益和社会效益。

2.1.2 功能目标

装备具备防雨、加热、防冻、智能化控制等功能。该装备需适用多种不同的灭火材料,具有安全防护设施。

2.1.3 技术目标

装备实现灭火介质配比范围可调,浆液灌注能力达到100 m3/h左右,各子系统配比齐全,水平输浆距离大于1 000 m,扬程大于100 m。灌注三项泡沫、阻化泡沫能力要与1 000 m3/h的惰性气源相匹配,发泡不小于30倍稳定时间高于10 h;有效发泡大于10倍稳定时间高于24 h、凝胶灌注装置能力不小于10 m3/h。

2.2 灌浆装备关键技术性能

2.2.1 实现系统装备集成化和移动性

将系统的所有设备合理布置安装到一个集装箱内。集装箱通过集装箱锁专用连接方式,普遍使用于集装箱运输车辆与集装箱的连接中,稳定可靠,设备集成实现整体吊装。另外,其他设备附件也合理的安装在专用的运输底盘上,以实现灌浆系统的集成化和可移动化。

2.2.2 控制系统有效应用

灌浆系统装备采用闭环控制系统,该控制系统的应用有效实现对各子系统工作的实时监测与控制,包括设备启停、数据采集、控制输出等,以实现提高系统装备的自动化程度,使用方便、科学合理。

2.2.3 可带压、大流量、高扬程、远距离的浆液输送

灌浆装备采用恒功率柱塞泵用以实现更大压力泵送浆液,不仅能够实现水平1 000 m、垂直100 m的长距离输送功能,还能够使浆液到达钻孔后仍然保持较大的压力从而实现带压注浆。高压力有效扩大了单一钻孔注浆的辐射面积,可实现降低工程成本,提高注浆效率。

2.2.4 实现系统装备的多功能性

灌浆系统装备将在有限的空间中实现多种功能注浆。矿井可根据防灭火实际需要选择灌注泥浆、粉煤灰浆、三项泡沫或凝胶等功能切换。

2.2.5 实现浆液质量提高

上料系统采用锤式机对注浆原料进行破碎,破碎后颗粒直径小于20 mm,提高原料利用率及浆液质量。采用滚筒式制浆机实现轴向出浆,内设扬料板,增加物料混合时间,提高浆液质量,排渣效果好,维修方便且稳定,可大大提高设备运转的连续性。设缓浆集液装置,对形成浆液进行二次搅拌,既可以防止浆液沉淀,又能提高浆液质量控制系统的应用,可保证对浆液质量的实时监测和有效控制,并对所有数据进行数据库存储,可对不同工况的防灭火工作进行分析,提供科学、可靠的数据分析材料。

2.2.6 适应低温环境制浆

灌浆系统装备将会在野外作业,工作环境恶劣,尤其是在低温环境中制浆效果产生直接的影响。系统将以集装箱作为防风挡雨棚,内壁安装岩棉保温层,集装箱内部安装电暖风,保证集装箱内温度,防止在制浆过程中产生冻结等现象,从而保证浆液质量。

2.3 灌浆装备设计内容

2.3.1 灌浆装备主体

装备主体须自带抽水设备,并附带管路100 m。设计能够实现破碎粒径小于20 mm的破碎装置,进料斗设计满足黄土、山沙、粉煤灰不同的上料要求。料斗适应装载机单次上黄土、山沙至少3 m3不外溢的要求;料斗设有上粉煤灰接口,满足粉煤灰罐车上料要求,且密封良好。设计添加剂添加料斗,满足浆液配比要求。设计不小于1 000 m3/h的惰性气体进气口,设计可接入380 V和660 V电源,设计终端出料口要与输浆管路相匹配。

2.3.2 灌浆装备移动化

灌浆装备具备模块化、整体化,吊装简单,安装方便,连接快速,投入使用便捷。相应安全防护设施齐全可靠。

2.3.3 灌浆装备智能化

装备可实现自动、手动控制切换,具备自动监测、报警功能。实现灌浆浆液自动配比,对原料进行分别计量,浆液总量进行计量,并具有记忆存储和读取功能。

2.3.4 灌浆装备附属性能

装备要具备防雨、加热、防冻功能。适应矿区全天候灌注黄泥浆、沙浆(山沙+悬浮剂)、粉煤灰、三项泡沫、阻化泡沫、凝胶的条件。

2.4 灌浆装备关健创新点

2.4.1 多功能移动式灌浆方式

多功能移动式灌浆方式改变了制浆、注浆地点固定的注浆方式。将制浆、蓄浆、控制、排渣、泵送等系统集约化、一体化、模块化。所有设备安装在集装箱内,方便快速组装、吊运。缓浆槽、水泵、输液泵等最大限度地实现了共用性。可实现黄泥浆、沙浆(山沙+悬浮剂)、粉煤灰、三项泡沫、阻化泡沫、凝胶等不同注浆材料的灌注作业。该系统装备具有灵活性好,移动方便,整体化强等优点,且工程建设周期短,省去建厂房、蓄浆池、排渣系统和设备基础等土建工程,节省了大量井下注浆管路,缩短了维护时间长,减少了工程占地面积。

2.4.2 改变灌注系统动力形式

灌注系统动力形式采用变量柱塞泵替代渣浆泵。灌浆装备采用变量柱塞泵注浆。通过调整泵的流量可以实现不同介质灌注量的要求,达到灌注黄泥、山沙、粉煤灰浆、三相泡沫、阻化泡沫等共用,从而使整套设备体积和重量大大降低。柱塞泵具有压力大、扬程高、流量大、不怕抽空、管路不容易堵塞等优点,可大大提高注浆效果。

2.4.3 改变粉煤灰上料方式

灌浆注浆装备采用粉罐车直接上料。工作时粉罐车送料口与制浆机上料架连接。上料架设有密封盖、除尘装置和泄压阀,可保证工作过程的安全性、可靠性。该种上料形式还可省去料仓、辅助除尘装置及空气压缩机等设施,可减少中间环节提高工作效率。

2.4.4 应对寒冷气候

灌浆装备可全年、全天候工作。为了保证能在低温下进行,灌浆设备主体安装了暖风机与空气幕,为制浆模块集装箱采暖,以保证冬季低温环境下可持续注浆。

2.4.5 一体化制滤结构

灌浆装备改变以往制浆、滤浆的独立结构,实现制浆、滤浆、排渣整体化。制浆筒增加扬料板使土块、石块随制浆筒旋转到一定高度后砸入浆液,使水土充分混合提高浆液质量。制滤机的滤网既能过滤草根等轻的漂浮物,同时也能过滤石头、砖块等重的固体残渣。灌浆装备采用新型的螺旋排渣结构装置,这种排渣装置不易堵塞,具有较好的排渣效果。

2.4.6 设置过压安全保护装置

灌浆装备在管路上安装过压保护装置。管路中装有安全保护阀,此阀处于常闭状态,当管路中的压力超过规定的压力值时,安全阀开启,由于安全阀动作触动压力传感器,传感器将信号上传至工控机使工控机发出警报。使用过压保护装置可实现对管路情况的远程监控,从而起到保护设备的作用。

2.4.7 实现自动化集中控制

灌浆装备工作时只需定量添加制浆原料,其余制浆、滤浆、泵送等过程可实现自动化。装备设置工控机,工控机安装一套组态软件,实现对柱塞泵、集浆池浆液位置的控制,泵出现故障及集浆池到达报警位置时控制室出现声光报警。系统可将设备信号和传感器信号上传到工控机上,在工控机上换算出泥浆量,并实现远程操控和数据上传,如图1所示。

图1 自动化数据显示Fig.1 Display of automatic data

3 灌浆装备现场应用

多功能移动灌浆装备有效应用于上湾煤矿注浆防灭火工程施工中,累计灌注浆177 d,注入黄土60 237 m3,注入水193 005 m3,注入浆液253 242 m3,上湾煤矿防灭火注浆工程统计见表1。可见,该装备具有移动性、服务范围大等优点,大幅度提高了神东公司防灭火注浆工程施工效率,在神东矿区具有推广应用价值。

表1 上湾煤矿防灭火注浆工程统计

4 结语

神东煤炭集团设计研发了一套具有灵活性、多功能、适用性、实用性的灌浆装备。将该装备应用于神东煤炭集团上湾煤矿,有效解决了井田采空区面积大的矿井固定注浆系统功能单一、不可移动、辐射范围小、生产能力小等实际问题,大幅度提升了神东煤炭集团防灭火注浆工程施工能力,促进了防灭火技术及装备的整体发展,为煤矿防灭火工作提供先进经验,应用前景广阔。