引言

"三下"壓煤的開采,主要是指對被構(gòu)建筑物、水體及鐵路下的壓煤進(jìn)行的開采活動的總稱。我國作為煤炭資源大國,"三下"壓煤量巨大,據(jù)不完全統(tǒng)計,我國"三下"壓煤工業(yè)儲量超過140億t,其中構(gòu)建筑物下近80億t,約占"三下"壓煤總量的62%,并且廣泛分布在各城市村鎮(zhèn)中。但就目前而言,"三下"壓煤的開采量還不到總體儲量的7%,開采率低的主要原因是"三下"壓煤的開采往往會造成一些現(xiàn)實問題。"三下"壓煤開采容易使地表產(chǎn)生沉陷和積水問題,甚至可能引發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害:另外,還容易對地面構(gòu)建筑物等的安全性和穩(wěn)定性造成不利影響。

1充填開采技術(shù)的發(fā)展

針對"三下"壓煤開采的種種問題,國內(nèi)外發(fā)展了多種針對性開采技術(shù),目前較為成熟的有房柱式開采技術(shù)、條帶開采技術(shù)、限厚開采技術(shù)、充填開采技術(shù)等等,其中充填開采技術(shù)在我國已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。充填開采技術(shù)是指在采空區(qū)內(nèi)利用研石、砂石等材料進(jìn)行填充支護(hù),進(jìn)而避免地表變形。傳統(tǒng)的充填開采技術(shù),按照充填材料的不同,大致可以分為水力充填技術(shù)、粉煤灰充填技術(shù)、風(fēng)力充填技術(shù)。其中,水力充填技術(shù)是利用水力通過管道把充填材料送入采空區(qū),這種充填方法采用砂礫、碎石等材料,此類材料填充能力大、填充密度高,但由于水力充填工序復(fù)雜,成本較高,近些年應(yīng)用得越來越少。粉煤灰充填技術(shù)采用煙道飛灰及鍋爐爐灰等材料,其優(yōu)點是原材料獲取容易,運(yùn)輸簡單,缺點則是制成的漿料流動性較大,難以控制。風(fēng)力充填技術(shù)是利用風(fēng)壓將充填材料輸送到采空區(qū)的一種工藝方法,同樣因為設(shè)備成本高、能量消耗大的問題,應(yīng)用不多。

2膏體充填開采技術(shù)的特點

膏體充填開采技術(shù)是近年來應(yīng)用最為廣泛的一種充填開采技術(shù),其工藝原理如下:將井下掘進(jìn)、開采過程中產(chǎn)生的研石運(yùn)輸至地面膏體制備系統(tǒng),加入粉煤灰、水泥等材料,按照一定的比例與水混合,并添加一定劑量的添加劑,加工成不離析、不沉淀、不脫水的膏狀漿體,然后利用管道運(yùn)送至井下,進(jìn)行采空區(qū)的填充。

膏體充填技術(shù)具有一般充填技術(shù)的特點,如能夠穩(wěn)定維護(hù)圍巖、有效減少地表沉降、提高自然資源回收率等,還具有連續(xù)性、高濃度、大規(guī)模的特點,整個系統(tǒng)后期管理及運(yùn)營成本較低,同時可兼顧采空區(qū)防滅火的功能。

3中峪礦井概述

中峪礦井位于山西省晉中煤炭基地的霍東礦區(qū)北部,礦井資源儲量豐富,有條件建設(shè)大型礦井,目前年設(shè)計生產(chǎn)能力500Mt,本井田內(nèi)主要可采煤層2層。利用概率積分法對該礦區(qū)進(jìn)行地表沉陷預(yù)測,結(jié)果顯示,預(yù)計井田累計下沉深度可達(dá)4554mm,沉陷面積高達(dá)145.26km2,也就是說,在全井田煤層開采結(jié)束后,除受安全煤柱保護(hù)區(qū)域外,井田內(nèi)大部分區(qū)域均會出現(xiàn)不同程度的沉陷。利用煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法,對相關(guān)煤層進(jìn)行自燃傾向性試驗,試驗報告顯示,其各可采煤層的自燃傾向性多為Ⅱ類,即為較容易自燃的煤。由此可見,中峪礦井需要同時解決研石環(huán)保處理和采空區(qū)防滅火的問題,而膏體充填技術(shù)恰好能夠同時解決以上兩個問題。

4地面膏體制備及泵送系統(tǒng)

4.1膏體制備及泵送系統(tǒng)處理能力計算

充填膏體制備及泵送系統(tǒng),是用來集中攪拌充填膏體并通過充填管路將充填膏體泵送到充填點的聯(lián)合機(jī)械裝置,涉及充填膏體原材料上料、計量、攪拌、卸料和泵送等充填膏體制備及泵送的整個過程,對充填膏體的質(zhì)量影響極大,是整個膏體充填系統(tǒng)的核心部分。所以,選用一套可靠、精準(zhǔn)和安全的充填膏體制備及泵送系統(tǒng)對于整個充填膏體系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

選用水泥、粉煤灰、研石、水及少量添加劑作為原材料進(jìn)行膏體充填料漿的制備,各種材料的比例為水泥:粉煤灰:研石:水=1:4:15:6:考慮井下環(huán)境溫度等因素對充填料漿膠結(jié)及泵送性能的影響,可適量使用減水劑、早強(qiáng)劑等添加劑,以增強(qiáng)膏體的有效性能:礦井測算的需充填處理研石量為110萬t/a,按照充填系統(tǒng)每年運(yùn)轉(zhuǎn)330天,每天運(yùn)轉(zhuǎn)16h計算,即研石處理量約為200t/h,按照充填料漿比例推算,同時考慮設(shè)計余量后,相應(yīng)的水泥、粉煤灰及水的供應(yīng)量分別為18t/h、70t/h、110t/h。

4.2膏體制備及泵送系統(tǒng)工藝流程

充填料漿制備工藝主要包括干料準(zhǔn)備、配料混合、加水?dāng)嚢?、泵送充填四部?井下研石通過研石轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶送至研石儲料場進(jìn)行存儲:同時將粉煤灰、水泥、添加劑也分別存儲至各自料倉備用。根據(jù)設(shè)計的膏體料漿配比,通過計量配料裝置將各干料成分充分混合。將混合后的充填干料成分轉(zhuǎn)運(yùn)至攪拌機(jī),根據(jù)設(shè)計的充填材料濃度加水進(jìn)行攪拌,并使各種成分混合均衡。將充分?jǐn)嚢韬笾瞥傻某涮盍蠞{放入泵送料漿斗內(nèi)進(jìn)行泵送,并經(jīng)充填管路運(yùn)輸至工作面進(jìn)行充填工作。

膏體制備及泵送系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

4.3膏體制備及泵送系統(tǒng)設(shè)備選型

通過上述礦充填系統(tǒng)處理能力的計算,結(jié)合其他礦井膏體充填經(jīng)驗及現(xiàn)有成熟的膏體充填設(shè)備,設(shè)計選用的地面膏體充填站主要設(shè)備包括:反擊式破碎機(jī)、高細(xì)破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、螺旋給料機(jī)、雙臥軸混凝土攪拌機(jī)、充填工業(yè)泵、電控系統(tǒng)等。

根據(jù)對現(xiàn)場研石的采樣分析得知,中峪礦井研石的特點是大塊占比較多,小塊占比較少,故在膏體制備系統(tǒng)中選用兩級破碎,第一級利用PFw1318III型反擊式破碎機(jī),將研石粒度降至200mm以下,第二級利用PC1400×1600高細(xì)破碎機(jī),將研石進(jìn)一步破碎至8mm以下的小顆粒,以滿足膏體制備的需要。在研石顆粒的配送中,選用帶式輸送機(jī)為給料裝置。帶式輸送機(jī)適用于物料流動性較低、給料速度較大的給料場合。該帶式輸送機(jī)采用變頻驅(qū)動方式,研石通過帶式輸送機(jī)向研石稱重斗中加料,研石給料速度可調(diào),保證研石的配料精度。

螺旋給料機(jī)適用于物料流動性好、配料精度較高的給料要求。對于水泥、粉煤灰的給料,則根據(jù)上文所計算的供應(yīng)量,分別選取LsY193和LsY400型螺旋給料機(jī),其最大給料量分別為30t/h、140t/h,可以滿足系統(tǒng)的需要。同時,為螺旋給料設(shè)備配備變頻器,可通過調(diào)整給料機(jī)轉(zhuǎn)速和螺旋給料的口徑以實現(xiàn)配料速度的調(diào)整,進(jìn)而實現(xiàn)物料的精確配比。

原材料分別加入DKx雙臥軸攪拌機(jī)后,開始攪拌,攪拌時間約60s,出料時間約20s。攪拌完成后,充填工業(yè)泵開始膏體泵送工作。系統(tǒng)選取HGBsw270型號充填工業(yè)泵,其理論泵送能力可達(dá)270m3/h,具有壓力高、排量大、可靠性好的特點,可以高效地完成膏體的遠(yuǎn)距離輸送任務(wù)。

5結(jié)語

在綠色礦山的建設(shè)成為煤炭行業(yè)共識的今天,如何在經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益之間實現(xiàn)統(tǒng)一,已經(jīng)成為礦產(chǎn)資源管理工作中和礦業(yè)發(fā)展道路上一項新的課題。膏體充填開采技術(shù)作為一種環(huán)境友好型的開采技術(shù),必將在未來的煤礦開采中發(fā)揮出更加重要的作用,而針對礦井的自身特點和需求,進(jìn)行準(zhǔn)確的計算,選擇合理的方案以及設(shè)備,無疑可以對礦井的綠色生產(chǎn)起到積極的作用。