膏體充填開(kāi)采技術(shù)

1、 膏體充填開(kāi)采技術(shù)是指：將煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣、劣質(zhì)土、城市固體垃圾等加工成一定級(jí)配的骨料，并按一定比例與膠結(jié)材料、水混合成為無(wú)臨界流速、不需脫水的膏狀漿液（膏體），在外加力（充填泵泵壓）及膏體自身重力作用下通過(guò)管道輸送到井下，實(shí)時(shí)充填采空區(qū)的采礦方法。 膏體充填技術(shù)要解決這幾個(gè)問(wèn)題： 1、要什么樣的充填膏體 2、怎樣制備成你需要的膏體 3、怎樣按需要的量輸送到需要的地點(diǎn) 4、怎樣快速形成充填所需的封閉空間 5、怎樣提高生產(chǎn)能力和效率 6、怎樣降低充填成本 濃度高 一般膏體充填材料質(zhì)量濃度大于75%，目前最高濃度達(dá)到88%，而普通水砂材料濃度低于65%。 流動(dòng)狀態(tài)為柱塞結(jié)構(gòu)流 普通水

2、砂充填料漿管道輸送過(guò)程中呈典型的兩相紊流特征，管道橫截面上漿體的流速為拋物線分布，從管道中心到管壁，流速逐漸由大減小為零，而膏體充填料漿在管道中基本是整體平推運(yùn)動(dòng)，管道橫截面上的漿體基本上以相同的流速流動(dòng)，稱之為柱塞結(jié)構(gòu)流（見(jiàn)下幀圖）。1、柱塞流；2、水泥漿潤(rùn)滑層；3、水膜層；4、管壁；5、速度分布線；6、潤(rùn)滑層；D、管道直徑；L、單位管道長(zhǎng)度；A1、A2管道兩斷面；0、起始切應(yīng)力；P1、P2為A1、A2斷面的應(yīng)力 料漿基本不沉淀、不泌水、不離析 不需要復(fù)雜的過(guò)濾排水設(shè)施，減少了膠結(jié)材料的流失，也降低凝結(jié)前對(duì)隔離裝置要求，使充填工作面其他工作不受影響，充填密實(shí)度高。 無(wú)臨界流速 最大顆粒粒徑達(dá)

3、到25 35 mm，流速小于1 m/s 仍然能夠正常輸送，所以膏體充填所用的矸石等物料只要破碎加工即可，可降低材料加工費(fèi)，低速輸送能夠減小管道磨損。 相同膠結(jié)材料用量下強(qiáng)度較高 可降低價(jià)格較高的膠結(jié)材料用量，降低材料成本。 膏體充填體壓縮率低 膏體充填材料中固體顆粒之間的空隙由細(xì)料和水充滿，一般壓縮率只有1% 左右，控制地表開(kāi)采沉陷效果好，“三下一上”壓煤有條件得到最大限度的開(kāi)采。 早強(qiáng)性好，初凝可控 膏體早強(qiáng)性好，充填數(shù)小時(shí)以后膏體充填體就具有一定強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，滿足脫模條件，并對(duì)頂板有適當(dāng)?shù)闹巫饔茫桓囿w初凝時(shí)間可通過(guò)調(diào)整材料配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)各種充填方法的要求。 充填材料應(yīng)因地制宜

4、，就地取材。峰峰集團(tuán)具有百年開(kāi)采歷史，歷史形成18座矸石山，堆積矸石5000余萬(wàn)噸，每年產(chǎn)矸石量為380萬(wàn)噸，另有五座自備電廠年產(chǎn)生120萬(wàn)噸粉煤灰，因此，峰峰集團(tuán)主要以煤礦矸石為膏體充填材料，將電廠粉煤灰等按一定比例與其混合，并加入特定膠結(jié)材料、添加劑而加工成的一種膏狀漿體材料。 膏體充填材料具有穩(wěn)定性、可塑性和流動(dòng)性三大基本特性： 穩(wěn)定性指它具有抵抗分層和離析的能力，是材料泵送的關(guān)鍵。體現(xiàn)在實(shí)踐中，就是膏體在密閉的管道中停留數(shù)小時(shí)不沉淀、不分層、不離析，能順利地進(jìn)行輸送。 可塑性是指膏體充填材料在輸送或充填過(guò)程中發(fā)生變形后，其基本結(jié)構(gòu)仍保持不變的能力。 流動(dòng)性是指它能流動(dòng)，產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是膏體

5、的物料構(gòu)成中有15%以上的20m細(xì)粒級(jí)含量。細(xì)粒級(jí)有很強(qiáng)的飽水能力，使水量能夠填滿膏體微細(xì)顆粒之間的空隙，起到顆粒之間的潤(rùn)滑作用。在實(shí)踐中流動(dòng)性體現(xiàn)為在其重力作用下能在充填空間中流動(dòng)。 為高效輸送矸石膏體充填材料和對(duì)覆巖有效控制，對(duì)矸石膏體充填材料有如下要求： 流動(dòng)性能要求：膏體料漿的坍落度180mm。可泵送時(shí)間：不小于4h，即從加水混合以后，靜置4h，仍能正常泵送，料漿無(wú)明顯分層，坍落度保持在150mm以上。靜置泌水率：3%5%。單軸抗壓強(qiáng)度：810h達(dá)到0.10.2 MPa， 28d達(dá)到1015MPa。矸石最大粒徑小于25mm，其中小于等于5mm部分占35%45%。破碎矸石顆粒級(jí)配將直接影

6、響膏體的流動(dòng)性能，對(duì)充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此煤矸石的級(jí)配優(yōu)化主要考慮以下兩個(gè)方面：一是矸石膏體的流動(dòng)性能要好，能夠滿足管道輸送要求；二是在其它物料相同條件下，矸石膏體的早期強(qiáng)度（早強(qiáng)性）和最終齡期強(qiáng)度高。矸石作為膏體充填的粗骨料，一般為防止堵管和充填密實(shí)，最大粒徑 25mm。煤矸石自然粒徑級(jí)配變化大，對(duì)膏體的配比和流動(dòng)性影響較大，因此需對(duì)煤矸石進(jìn)行破碎。在滿足膏體配比的前提下，破碎煤矸石的粒徑級(jí)配考慮了兩種規(guī)格：一是5mm煤矸石；二是525mm煤矸石。通過(guò)對(duì)兩種規(guī)格的煤矸石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化配比，初步確定出兩種煤矸石的配比關(guān)系。5mm破碎煤矸石的含量在30%50%之間時(shí)，其膏體坍落度均在2025

7、cm，能夠滿足膏體管道泵送的需要，說(shuō)明兩種規(guī)格的矸石級(jí)配具有較大的選擇空間。 從強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)5mm矸石的含量在30%50%時(shí)強(qiáng)度變化不大，相對(duì)而言5mm破碎煤矸石的含量33%40%左右，膏體充填材料早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都相對(duì)較高。膠結(jié)料和普通硅酸鹽水泥的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖： 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：膠結(jié)料早期強(qiáng)度高的特性明顯，在60kg/m3時(shí)膏體8h齡期強(qiáng)度0.22MPa；膠結(jié)料用量150kg/m3時(shí)，8h齡期膏體強(qiáng)度1.27MPa；同樣條件下使用普通硅酸鹽水泥，8h齡期膏體沒(méi)有強(qiáng)度。膠結(jié)料用量在60150kg/m3范圍內(nèi)，1d齡期膏體強(qiáng)度為同量水泥膏體的58倍，3d齡期強(qiáng)度為同量

8、水泥膏體的23倍，7d齡期強(qiáng)度為同量水泥膏體的1倍以上，用量越少，早強(qiáng)性能越明顯。膠結(jié)料膏體的早強(qiáng)性對(duì)維護(hù)頂板完整，減小充填區(qū)頂板下沉量十分有利。 膠結(jié)料主要原料采用鋼廠水淬渣，矸石作粗骨料，細(xì)集料采用不同矸石電廠粉煤灰，在統(tǒng)一坍落度為25010mm條件下，初步配比實(shí)驗(yàn)得到的典型結(jié)果如表351（膏體充填材料配比初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。粉煤灰粉煤灰種類種類 配比（配比（kg/m3）質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度（%）單軸抗壓強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）膠結(jié)料粉煤灰煤矸石水8h1d7d28d粉煤灰1100400770494720.00 0.11 0.280.54120400751494720.12 0.12 0.430

9、.73150400723494720.14 0.17 0.621.16粉煤灰21004001086372810.29 0.31 0.841.17粉煤灰31004001086372810.20 0.21 0.470.66表351 膏體充填材料配比初步試驗(yàn)結(jié)果用矸石發(fā)電廠粉煤灰作細(xì)集料，對(duì)照膏體充填材料技術(shù)要求，配比如下。（1）質(zhì)量濃度控制在72%左右，配比要求：膠結(jié)料 150kg/m3；粉煤灰 400kg/m3；煤矸石 723kg/m3；水 494kg/m3。（2）當(dāng)質(zhì)量濃度控制在81%左右時(shí)，配比要求：膠結(jié)料 100kg/m3； 粉煤灰 400kg/m3；煤矸石 1084kg/m3； 水 37

10、2kg/m3。需要說(shuō)明是不同電廠粉煤灰及煤礦矸石其礦物成分含量需要說(shuō)明是不同電廠粉煤灰及煤礦矸石其礦物成分含量不同，對(duì)膏體材料固結(jié)強(qiáng)度影響較大，因此必須進(jìn)行配比試驗(yàn)不同，對(duì)膏體材料固結(jié)強(qiáng)度影響較大，因此必須進(jìn)行配比試驗(yàn)確定。確定。 矸石膏體注入時(shí)、初凝和7天齡期的凝固狀態(tài)4、膏體充填系統(tǒng) 膏體充填系統(tǒng)由六部分組成：1、矸石破碎系統(tǒng)、2、配比攪拌系統(tǒng)、3、膏體泵送及管路輸送系統(tǒng)、4、風(fēng)水清洗系統(tǒng)、5、充填系統(tǒng)過(guò)程控制與方案、6、工作面充填工藝 充填站分為快裝式充填站和固定式充填站，快裝式充填站適用于生產(chǎn)能力50萬(wàn)t/a以下充填系統(tǒng)，其設(shè)備能力較小，組成相對(duì)簡(jiǎn)單，其最大優(yōu)勢(shì)在于它的易搬移性、快裝性

11、，充填站由一系列模塊組成，這些組成模塊各成一體，便于拆裝、便于搬移，能夠快速建站，除少量基礎(chǔ)外，其余部分皆可重復(fù)利用； 固定式充填站適用于生產(chǎn)能力大于50萬(wàn)t/a的充填系統(tǒng)，其設(shè)備能力較大，基礎(chǔ)設(shè)施較復(fù)雜，拆裝較困難。1-充填矸石稱料斗及收塵器；2-液壓動(dòng)力包及電機(jī) ；3-膠帶輸送機(jī) ；4- 攪拌裝置；5-膠結(jié)料添加裝置 ；6- 添加計(jì)量控制裝置；7-充填管路；8-充填泵圖四21 膏體充填站主要設(shè)備布置總圖（三層）圖422 充填站外觀圖4.1.1系統(tǒng)構(gòu)成 為了方便系統(tǒng)管理，破碎系統(tǒng)也單獨(dú)運(yùn)行，在不需要充填的時(shí)候也可以安排破碎加工矸石，這時(shí)所加工出來(lái)的矸石存放在成品堆料場(chǎng)備用。設(shè)備種類如下：裝載

12、機(jī)；振動(dòng)給料機(jī)；從振動(dòng)給料機(jī)到振動(dòng)篩固定通用膠帶輸送機(jī)；強(qiáng)力振動(dòng)篩；篩下物固定通用膠帶輸送機(jī)；移動(dòng)膠帶輸送機(jī)；向矸石配料倉(cāng)輸送矸石的覆帶式膠帶輸送機(jī)；從成品矸石喂料斗向矸石配料倉(cāng)輸送矸石的覆帶式膠帶輸送機(jī)。4.1.2 設(shè)備選擇破碎機(jī)。矸石從最大粒徑300mm破碎加工到最大粒徑25mm以下，一般需要破碎機(jī)的破碎比達(dá)到12以上，如果考慮破碎機(jī)調(diào)節(jié)粒徑5mm顆粒與525mm顆粒比例需要，破碎比將達(dá)到20左右。 反擊式破碎機(jī)的破碎比大，一般能夠達(dá)到1030，甚至達(dá)到50，可采用一級(jí)破碎，沒(méi)有篦條，對(duì)濕度較大或含粘土的物料有較好的適應(yīng)性，因此首選反擊式破碎機(jī)。 矸石破碎系統(tǒng)矸石破碎系統(tǒng)反擊式破碎機(jī)反擊式

13、破碎機(jī)與強(qiáng)力振動(dòng)篩與強(qiáng)力振動(dòng)篩實(shí)物圖實(shí)物圖振動(dòng)篩。振動(dòng)篩需要對(duì)充填所需要的矸石全量處理，根據(jù)充填材料用量的計(jì)算，篩分能力不低于設(shè)計(jì)要求。根據(jù)矸石的特點(diǎn)，選擇QLS1560型強(qiáng)力振動(dòng)篩。QLS型強(qiáng)力振動(dòng)篩振幅大、振動(dòng)強(qiáng)度大、較低頻率和彈性篩面的特點(diǎn)，是一種適合潮濕難篩物料的篩分設(shè)備，這對(duì)于含有細(xì)粒料的原狀矸石十分必要。運(yùn)輸：矸石山原狀矸石可選擇移動(dòng)裝載機(jī)加固定膠帶輸送機(jī)聯(lián)合運(yùn)輸至喂料斗4.1.3 破碎加工工藝破碎加工工藝 矸石破碎要求。作為膏體充填骨料的矸石，需要有合理的粒級(jí)組成，才能夠使膏體充填材料有良好的流動(dòng)性能和較高的強(qiáng)度性能，破碎加工以后要能夠滿足上述要求：. 最大粒徑25mm；.粒徑5

14、mm顆粒所占比例38%左右，最少 30%，最高 50%。 精確制備是按照粒徑5mm和粒徑在525mm之間兩種規(guī)格分級(jí)、分儲(chǔ)，然后再按設(shè)計(jì)比例配合使用。 考慮到充填材料允許矸石粒徑變化范圍較大，為簡(jiǎn)化矸石破碎系統(tǒng)，節(jié)省投資，矸石可按25mm一種規(guī)格加工，通過(guò)調(diào)節(jié)破碎機(jī)出料口大小來(lái)實(shí)現(xiàn)控制粒徑5mm比例。 根據(jù)原狀矸石堆積情況，要求裝運(yùn)矸石期間發(fā)現(xiàn)大塊顆粒比較集中時(shí)，要與附近的顆粒較小的矸石搭配使用，為控制矸石粒級(jí)創(chuàng)造更好條件；如果矸石中粒徑25mm比重大，在進(jìn)入破碎機(jī)前先用振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，避免已經(jīng)滿足要求的矸石進(jìn)行不必要的破碎，也有利于降低破碎加工成本。 制作膏體料漿采用周期式雙臥軸混凝土強(qiáng)制攪

15、拌機(jī)，國(guó)內(nèi)最大一次可以攪拌6m3的混凝土，技術(shù)成熟，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連工作可靠性高。 配比攪拌系統(tǒng)由相同的兩套設(shè)備組成，主要包括2臺(tái)間隙式強(qiáng)制雙臥軸混凝土攪拌機(jī)、矸石配料倉(cāng)及其氣動(dòng)卸料閘門(mén)、皮帶秤、膠結(jié)料倉(cāng)、粉煤灰倉(cāng)、膠結(jié)料螺旋給料機(jī)、粉煤灰螺旋給料機(jī)、供水泵、矸石緩沖倉(cāng)、膠結(jié)料稱量斗、粉煤灰稱量斗、稱水斗、收塵袋和料漿緩沖斗等。強(qiáng)制雙臥軸混凝土攪拌機(jī)強(qiáng)制雙臥軸混凝土攪拌機(jī)4 2 1 配比攪拌子系統(tǒng)能力配比攪拌系統(tǒng)設(shè)計(jì)制備膏體能力160m3/h，每臺(tái)攪拌機(jī)攪拌能力為80m3/h，生產(chǎn)混凝土?xí)r一般攪拌機(jī)每小時(shí)可以完成5060罐，因?yàn)楦囿w充填材料中膠結(jié)料用量少，需要長(zhǎng)距離管道輸送，對(duì)攪拌質(zhì)量的要求更高，

16、設(shè)計(jì)攪拌時(shí)間從普通混凝土的30s提高到50s，設(shè)計(jì)小時(shí)攪拌能力40罐，故要求攪拌周期為90s，每次攪拌2m3。4 2 2 配料精度要求配料精度要求 按照一般混凝土的概念，是一種“極貧”混凝土，必須按照設(shè)計(jì)的濃度，以及煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料的比例準(zhǔn)確制備充填漿體，并充分混合均勻，才能夠保證充填材料流動(dòng)性能、凝結(jié)固化性能。根據(jù)材料配比實(shí)驗(yàn)，要使材料流動(dòng)性能穩(wěn)定，充填料漿的質(zhì)量濃度變化幅度要求控制在0.5%范圍內(nèi)。 針對(duì)煤矸石、干粉煤灰、專用膠結(jié)料等配制充填材料方案中，導(dǎo)致充填料漿質(zhì)量濃度波動(dòng)主要有兩方面原因，一是各種物料的計(jì)量誤差，二是煤矸石水分檢測(cè)誤差。對(duì)此，進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，圖423是質(zhì)量濃度

17、波動(dòng)范圍為0.5%時(shí)的物料計(jì)量允許誤差與設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度之間的關(guān)系； 圖424則是不同質(zhì)量濃度波動(dòng)下煤矸石水分檢測(cè)允許誤差與設(shè)計(jì)濃度之間的關(guān)系。圖423允許計(jì)量誤差與質(zhì)量濃度波動(dòng)的關(guān)系圖424允許水分檢測(cè)誤差與質(zhì)量濃度波動(dòng)的關(guān)系 經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外水分檢測(cè)儀器儀表和各種稱重傳感器的初步調(diào)查，綜合比較確定，保證充填料漿質(zhì)量濃度變化幅度在0.5%范圍內(nèi)，必須要求：（1）物料（煤矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料、水）計(jì)量允許誤差1.0%；（2）水分檢測(cè)允許誤差0.5%。4 2 3 配比攪拌系統(tǒng)設(shè)備選擇配比攪拌系統(tǒng)設(shè)備選擇（1）攪拌機(jī) 按照前面介紹的膏體充填材料配比和所用物料的松散密度指標(biāo)，計(jì)算出2m3膏體漿液在攪拌前

18、的干容積為3.4m3，所選攪拌機(jī)需要同時(shí)滿足這兩個(gè)指標(biāo)，DKX2.25型混凝土攪拌機(jī)與之最吻合。DKX系列混凝土攪拌機(jī)系德國(guó)技術(shù)，由天津BHS公司生產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)混凝土攪拌機(jī)產(chǎn)品中屬于一流，具有性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。DKX2.25型混凝土攪拌機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：每罐干料容積： 3.38 m3； 每罐壓實(shí)混凝土體積：2.25 m3；適應(yīng)物料粒徑 ：040 mm；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ：2臺(tái)蝸輪蝸桿減速機(jī)；電機(jī)功率 ： 165 kW； 設(shè)備重量 ： 8 t。（2）稱量皮帶 矸石稱料由稱料皮帶與稱量斗配合東給靜稱，處于停止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行放料稱量，計(jì)好量以后將矸石轉(zhuǎn)運(yùn)到皮帶輸送機(jī)送到充填樓三層的矸石緩沖倉(cāng)，設(shè)計(jì)周期90s根據(jù)

19、設(shè)計(jì)能力計(jì)算出皮帶輸送機(jī)的能力應(yīng)該大于190t/h，（3）膠結(jié)料螺旋給料機(jī) 膠結(jié)料螺旋給料機(jī)供料考慮兩種情況的需要，一是正常充填期間的矸石粉煤灰膏體漿液配制的需要，二是充填開(kāi)始和結(jié)束階段粉煤灰膏體配制的需要，按照每次膠結(jié)料用量300kg，設(shè)計(jì)給料時(shí)間40s，膠結(jié)料螺旋輸送機(jī)的輸送能力大于26t/h，選擇193 mm螺旋給料機(jī)，電機(jī)功率11 kW。（4）粉煤灰螺旋給料機(jī) 粉煤灰螺旋給料機(jī)供料主要按照充填開(kāi)始和結(jié)束階段粉煤灰膏體配制的需要考慮，每次需要量為1280kg，設(shè)計(jì)給料時(shí)間60s，粉煤灰螺旋輸送機(jī)的輸送能力大于 77t/h，選擇323mm型螺旋給料機(jī)，電機(jī)功率15kW。（5）水泵 配比攪拌

20、所需要水量以粉煤灰膏體拌制時(shí)最多，按此設(shè)計(jì)每次需要水量為1280kg，水的供給由水泵從蓄水池泵送，輸送距離150m左右，每次加水時(shí)間設(shè)計(jì)為60s水泵的排量應(yīng)不低于77m3/h，考慮取水管內(nèi)徑為D=100mm，充填樓三層稱水斗位置與蓄水池高差12m，管道中水的平均流速2.7m/s，輸送壓力損失約為12mH2O，考慮蓄水池吸水揚(yáng)程，需要水泵總揚(yáng)程為約30m，以此選擇IS100-80-160型單級(jí)單吸離心清水泵，性能參數(shù)為：流量100m3/h，揚(yáng)程32m，功率18.5kW。（6）粉煤灰倉(cāng)與膠結(jié)料倉(cāng) 膏體充填開(kāi)采所需的粉煤灰選用干粉煤灰，與膠結(jié)料均是細(xì)粉狀材料，均采用粉體散裝運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸，圓筒鋼板倉(cāng)存儲(chǔ)

21、。 所用粉煤灰主要是來(lái)自自發(fā)電廠，距離較近，來(lái)源可靠，粉煤灰倉(cāng)總?cè)萘績(jī)?chǔ)備2d時(shí)間充填的需要量，計(jì)算量為390516t，合488645m3，取600m3，即設(shè)置2個(gè)300m3粉煤灰倉(cāng)。 膠結(jié)料由峰峰集團(tuán)公司自己組織生產(chǎn)，從生產(chǎn)廠到礦充填站距離近、且用量較少，按3d時(shí)間充填的需要量考慮膠結(jié)料倉(cāng)總?cè)萘?，?jì)算量為194232t，合149178m3，取200m3，即設(shè)置2個(gè)100m3膠結(jié)倉(cāng)。 膏體料漿滿足可泵的基本條件：（1）必須是穩(wěn)定性好的飽和性膏體。高質(zhì)量的膏體在管道運(yùn)動(dòng)中呈“柱塞”流，阻力較小，膏體中的固體顆粒不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在泵送過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)流狀態(tài)，不失水、不失漿、不離析、不沉積。（2）有

22、良好的流動(dòng)性，管道輸送摩擦阻力要小。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，以150mm通用管徑計(jì)算，每米摩擦阻力以50100Pa較為合理。膏體料漿滿足可泵的基本條件（3）泵壓過(guò)程中不允許產(chǎn)生離析現(xiàn)象。膏體充填料的離析必然導(dǎo)致沉積，而沉積的結(jié)果就是管道堵塞事故。因此，對(duì)充填料及其配比要合理選擇，并應(yīng)進(jìn)行常壓及高壓下的泌水試驗(yàn)。對(duì)添加粗骨料的膏體更應(yīng)特別注意啟動(dòng)時(shí)的潤(rùn)滑導(dǎo)流，結(jié)束時(shí)的清洗方法，沿程輸送時(shí)的管件變化。（4）膏體中必須有一定的細(xì)顆粒含量。保持膏體固體含量中的-20m不得少于15。這一條是各國(guó)專家學(xué)者公認(rèn)的可泵送膏體的準(zhǔn)則。我們的經(jīng)驗(yàn)是保持2035較好，因?yàn)?20m含量過(guò)高，不僅過(guò)濾脫水困難，管輸阻力也大

23、。（5）膏體制備質(zhì)量要穩(wěn)定。濃度、塌落度、粒度配比、泌水性等主要參數(shù)不能波動(dòng)幅度過(guò)大，并且穩(wěn)定性(不離析、不失漿、不泌水)要穩(wěn)定。否則，難以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 1、膏體泵送及管路輸送系統(tǒng)由充填泵機(jī)組、充填管、沉淀池、控制閥等組成。 2、充填泵選型 充填泵由兩大部分組成： 雙缸活塞泵和液壓站。雙缸活塞泵由料斗、液壓缸及活塞、輸送缸(膏體缸)、換向閥(分配閥)、冷卻槽以及攪拌槽等組成。液壓站主要有電動(dòng)機(jī)、多組液壓泵及液壓管路系統(tǒng)(與缸體各動(dòng)作部件用高壓油管相連)、液壓油箱及冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力及電控操作系統(tǒng)等。膏體泵送及管路輸送系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施組成及充填泵選型 充填泵的運(yùn)轉(zhuǎn)由液壓驅(qū)動(dòng)。液壓裝置的電機(jī)帶動(dòng)液壓

24、油泵，使液壓油油壓升高，通過(guò)液壓油管連接到泵的各有關(guān)部位，帶動(dòng)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。膏體充填料在管道中的流速取決于液壓活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率。當(dāng)活塞推動(dòng)膏體流動(dòng)一個(gè)行程期間的膏體流速是一定的。 目前，專門(mén)生產(chǎn)充填用工業(yè)泵的廠家國(guó)外主要有德國(guó)的普茨邁斯特公司和施維英公司，國(guó)內(nèi)主要有中聯(lián)重工、三一重工、飛翼股份等廠家，目前充填泵最大充填能力已達(dá)到400m3/h。 普茨邁斯特公司和施維英公司生產(chǎn)的充填泵參數(shù)如表飛翼股份研制生產(chǎn)的幾種活塞式工業(yè)泵產(chǎn)品參數(shù)如表 。廠廠 家家普茨邁斯特普茨邁斯特施維英施維英型 號(hào)KOS 25100 HPKSP220V電機(jī)功率 /kW22502250最大輸送量 /m3/h150150最高泵

25、送壓力 /MPa1010最大輸送量時(shí)泵送壓力 /MPa8.58.5活塞沖程 /mm25003100泵送缸直徑 /mm360300沖程容積 /L254.3219.0泵出口管徑/mm250150最大沖程數(shù) /次/min10.912.7最短沖程時(shí)間 /s5.54.7長(zhǎng)寬高 /mm750017001500950013001300重量（不包括動(dòng)力系統(tǒng)）/kg80006000表四31普茨邁斯特公司和施維英公司生產(chǎn)的充填泵參數(shù)型型 號(hào)號(hào)HGBSHGBS400.12.400.12.12601260HGBSHGBS200.14.200.14.800800HGBSHGBS150.15.150.15.500500H

26、GBSHGBS120.15.120.15.320320HGBSHGBS100.15.100.15.320320HGBSHGBS100.12.100.12.250250HGBSHGBS80.16.280.16.22020HGBSHGBS80.18.380.18.32020最大出口壓力（MPa）12.514.214.211.516.617.6最大排量（m3/h）3951931431209710878.275.2泵送物料尾礦砂、粉煤灰膏體、煤矸石膏體、混凝土等功率（kW）630630400400250250160160160160125125110110160160外形尺寸(長(zhǎng)寬高，mm)工作部分1

27、140023531845905521031580785521031580785521031580705821031580686016851532655016851532705821031580動(dòng)力部分500027502195500027502195460027502195425027502195410020622174325016002106320016502128425020621770電控柜48005002200360050022002400500220024005002200200050012002400500200024005002200總質(zhì)量(kg)工作部分1650010500975

28、097509350578552009250動(dòng)力部分8500+85008550705070005150380021004850電控柜800600400表飛翼股份研制生產(chǎn)的幾種活塞式工業(yè)泵產(chǎn)品參數(shù) 膏體充填料漿采用專用充填泵加壓管道輸送。在充填系統(tǒng)中，攪拌機(jī)攪拌好的料漿先放入漿體緩沖斗，漿體靠自重給充填泵供料，經(jīng)過(guò)充填泵加壓后的充填料漿通過(guò)管路，由充填站附近的充填鉆孔下井，再沿巷道管道輸送到充填工作面，在充填工作面采用膠管閥布料管、控制采空區(qū)充填順序。 充填管路布置：（1）充填站到充填鉆孔之間管道布置。從充填站到充填鉆孔之間的管道一般直管長(zhǎng)度取6m，彎頭半徑取1.5m。為了方便事故處理，每隔5根左

29、右的直管，布置一個(gè)帶盲板的三通，以便應(yīng)急處理堵管。管道泵送操作要點(diǎn)管道泵送操作要點(diǎn)（2）充填鉆孔管。鉆孔套管一般選用無(wú)縫鋼管，采用焊接方式連接。（3）井下干線管。井下干線管指從充填鉆孔孔底到工作面入口前的充填管，其規(guī)格與地面充填管相同。（4）工作面支管。為了實(shí)現(xiàn)工作面隨支架整體前移，工作面管選擇鋼編管，沿工作面每隔15m左右布置一個(gè)三通，向待充填空間布置一個(gè)布料管，布料管的充填采用膠管閥控制。 為避免因充填泵發(fā)生故障等原因造成嚴(yán)重管道堵塞事故，在地面充填站附近設(shè)立沉淀池，在充填鉆孔孔底巷道處開(kāi)挖事故處理水溝，充填管每隔一段距離設(shè)置三通，保證發(fā)生意外停機(jī)等事故時(shí)，能夠快速處理，避免充填管，特別是

30、充填鉆孔堵塞。 泵送過(guò)程與控制： 充填泵泵送分充填料漿和清水兩種介質(zhì)，在輸送管道中有四種情況，即完全充填料漿、完全清水、灰漿推水、水推灰漿，充填泵的泵送過(guò)程控制的目的是保持泵送速度與攪拌機(jī)拌料的速度協(xié)調(diào)一致，維持泵送系統(tǒng)的連續(xù)作業(yè)，控制每班充填量。泵送流量的控制以泵送流量計(jì)、料漿緩沖倉(cāng)的料位計(jì)等檢測(cè)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，采用電動(dòng)調(diào)節(jié)充填泵泵送油路單向調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。 泵送充填工藝中應(yīng)重點(diǎn)注意的問(wèn)題：泵送充填工藝中應(yīng)重點(diǎn)注意的問(wèn)題：（1）滿管輸送是膏體泵送充填工藝希望達(dá)到的要求，但是在深礦井條件下有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不滿管，如當(dāng)垂直管段較長(zhǎng)，而井下水平段又較短時(shí)，垂直段不能滿管，則膏體充填料將在泵壓下斷續(xù)下落

31、。盡量提高膏體的泵送濃度；加大泵送盡量提高膏體的泵送濃度；加大泵送流量，即提高流速；流量，即提高流速；（2）啟動(dòng)充填泵是向下泵送膏體充填料的技術(shù)難點(diǎn)。先用水將井下水平管和鉆孔充滿，電動(dòng)門(mén)閥在開(kāi)泵前關(guān)閉，讓水和膏體充滿鉆孔后再慢慢打開(kāi)。（3）膏體泵送管路在充填作業(yè)完成前后應(yīng)注意清洗。一旦清洗效果不好，將造成下一次充填時(shí)發(fā)生堵管事故。 泵送充填操作時(shí)應(yīng)重點(diǎn)注意的問(wèn)題 （1）開(kāi)始泵送時(shí)要注意觀察泵的壓力和各部分運(yùn)轉(zhuǎn)情況，速度宜慢，操作工應(yīng)處于可隨時(shí)采取加速、反抽、停泵等措施的準(zhǔn)備狀態(tài)。 （2）泵送要連續(xù)，盡量不要中途停泵，遇有不正常情況，可放慢泵速，盡量保持連續(xù)泵送。 （3）泵送過(guò)程中要定時(shí)檢查活塞

32、沖程，不使其超過(guò)最大沖程。為防止油缸不均勻磨損，應(yīng)采用較長(zhǎng)沖程的泵； （4）在泵送過(guò)程中應(yīng)注意料斗內(nèi)至少要保持料面不低于上口500mm，否則不但吸入效率低，而且易吸入空氣形成堵塞。由于充填泵送能力的限制，充填能力遠(yuǎn)低于采煤生產(chǎn)能力。作為膏體充填采煤主要工序充填時(shí)間占總循環(huán)用時(shí)的13以上，是發(fā)展瓶頸。本項(xiàng)目以雙泵并聯(lián)方法研究多泵并聯(lián)高效自動(dòng)化膏體充填采煤技術(shù)，就是要大幅度提高膏體充填系統(tǒng)的泵送能力，從而徹底解決了制約膏體充填開(kāi)采產(chǎn)能偏低的瓶頸問(wèn)題。傳統(tǒng)膏體泵送是兩臺(tái)泵交叉工作，一臺(tái)運(yùn)行，另一臺(tái)備用。而雙泵并聯(lián)膏體泵送是兩臺(tái)泵同時(shí)工作，各泵的充填管路在經(jīng)過(guò)一定的安全距離后，相互合流成一條總充填管路

33、，將膏體料漿輸送到井下采空區(qū)，達(dá)到泵送能力倍增的目的，下幀雙泵并聯(lián)實(shí)景圖片。雙泵并聯(lián)的條件是泵的運(yùn)行相互不受干擾，那就必須要找到這樣一個(gè)符合要求的最佳合流點(diǎn)。管道泵送中的雙泵并聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)管道泵送中的雙泵并聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)雙泵并聯(lián)實(shí)景圖片雙泵并聯(lián)實(shí)景圖片 管路布置與管道內(nèi)壓力分布：地面充填泵鉆孔口，向上或水平輸送壓力逐步降低；當(dāng)向下輸送時(shí)，阻力大于下滑力壓力逐步降低。下滑力大于阻力壓力逐步升高，如沒(méi)有局部高阻力會(huì)一直升壓到鉆孔底。鉆孔管由于垂直自上而下壓力升高。鉆孔底出口情形類似泵鉆孔口段。 （1）雙泵并聯(lián)膏體充填管路合流點(diǎn)的研究 最佳合流點(diǎn)條件為：距泵有一定距離，在系統(tǒng)中壓頭較低，合流后壓力應(yīng)繼續(xù)降

34、低?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究表明：兩臺(tái)泵的相互干擾隨著到合流點(diǎn)距離的增大而逐漸減小。合流點(diǎn)水平距離大于100m時(shí)，兩泵相互干擾忽略不計(jì)。因膏體力的傳遞特性介于固體和流體之間，有明顯的方向性，其塌落度越小，方向性越強(qiáng)。所以合流管路結(jié)構(gòu)為小角度銳角并聯(lián)結(jié)構(gòu)及向低壓匯流，最大程度的減小向另一側(cè)的壓力傳遞，膏體輸送管路合流點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)如圖。圖膏體輸送管路合流點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)（2）雙泵并聯(lián)運(yùn)行最佳工況的確定一臺(tái)充填泵的灰色 性能曲線，兩臺(tái)相同充 填泵并聯(lián)的紅色性能曲 線。與充填管路性能曲線1-4相交區(qū)就是雙泵并 聯(lián)的虛擬泵的最大工況點(diǎn)。泵性能曲線左下方沿線區(qū)域?yàn)楦咝^(qū)。通過(guò)監(jiān)測(cè)泵的壓力和功率，自動(dòng)調(diào)整流量，使兩臺(tái)并聯(lián)工

35、作的泵始終在高效區(qū)工作，雙泵并聯(lián)運(yùn)行的工況分析圖如左。 研究結(jié)果表明：膏體在輸送過(guò)程中固化反應(yīng)一直在發(fā)生，只是泵送加壓的擾動(dòng)固化速度較慢，膏體一旦在管道中靜止沉降固化速度會(huì)明顯加快，靜止一段時(shí)間再啟動(dòng)阻力明顯增大，甚至無(wú)法啟動(dòng)形成堵管。實(shí)現(xiàn)泵送持續(xù)工作才能保證充填管路輸送的可靠，提高工作效率。 兩臺(tái)充填泵并聯(lián)運(yùn)行工作比兩臺(tái)泵一運(yùn)一備工況更穩(wěn)定；一臺(tái)泵的可靠度為1，另一臺(tái)泵的可靠度為2，則并聯(lián)運(yùn)行的可靠度：=1-（1-1）*（1-2），兩臺(tái)一樣的泵工作時(shí)相互獨(dú)立，1=2=0.95，可得出雙泵并聯(lián)運(yùn)行可靠度=0.9975，該系統(tǒng)可靠度顯著增加。 膏體充填料漿經(jīng)攪拌機(jī)攪拌好放入漿體緩沖斗，漿體緩沖斗

36、靠漿體自重給充填泵供料，經(jīng)過(guò)充填泵加壓后的充填料漿通過(guò)管道，由充填站附近的充填鉆孔下井，再沿巷道管道輸送到充填工作面，在充填工作面布料管、控制順序注入采空充填區(qū)。 管路輸送系統(tǒng)由無(wú)縫鋼管、高壓布料軟管、快卡連接頭和液控閘板閥等組成，下幀為管路輸送系統(tǒng)組件。 為了快速處理管道堵塞，設(shè)立放漿沉淀池，每隔一段距離設(shè)置放漿三通。管路輸送系統(tǒng)管路輸送系統(tǒng)管路輸送系統(tǒng)組件自主自主研制研制的液的液控閘控閘板閥板閥高壓布料軟管高壓布料軟管快卡連接頭與快卡連接快卡連接頭與快卡連接4 4、風(fēng)水清洗系統(tǒng) 依次用清水、壓風(fēng)把充填管路內(nèi)的遺留物吹依次用清水、壓風(fēng)把充填管路內(nèi)的遺留物吹出充填管路出充填管路, , 完成管路

37、清洗工作的系統(tǒng)。完成管路清洗工作的系統(tǒng)。 當(dāng)井下充填完成時(shí)，就要對(duì)膏體泵送系統(tǒng)進(jìn)行有效清洗，以防止膏體尾槳在充填泵、輸送管路中固化，造成系統(tǒng)輸送能力下降，甚至造成堵管（堵塞輸送管路）的重大事故，影響安全、影響生產(chǎn)。傳統(tǒng)的清洗方法是拆開(kāi)充填管路，先接上水管，對(duì)充填管路進(jìn)行水清洗，然后，再換成風(fēng)管，對(duì)充填管路進(jìn)行最后吹掃，這樣，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且在拆裝操作過(guò)程中也容易發(fā)生安全事故。峰峰集團(tuán)羊東礦、新三礦、大力公司應(yīng)用成功自動(dòng)投入的雙冗余膏體充填管路自動(dòng)清洗系統(tǒng)，使清理變得簡(jiǎn)單起來(lái)。 雙冗余膏體充填管路自動(dòng)清洗系統(tǒng)組成包括水源管及控制閥、風(fēng)源管及控制閥、控制回路以及相關(guān)設(shè)施；分別接到兩臺(tái)充填泵系統(tǒng)上

38、；正常膏體充填時(shí)，水源控制閥、風(fēng)源控制閥關(guān)閉；充填結(jié)束時(shí)，水源控制閥先自動(dòng)打開(kāi)，開(kāi)始向充填管路中打水；待充填管內(nèi)膏體尾漿被水全部推出充填管后，水源控制閥關(guān)閉，同時(shí)風(fēng)源控制閥打開(kāi)，停止打水的同時(shí)開(kāi)始打風(fēng)，直至將充填管內(nèi)膏體遺留物吹掃干凈。集中的、能夠自動(dòng)投入的設(shè)置使管道中膏體尾漿及遺留物不停頓的被水、風(fēng)推出管路，從而達(dá)到對(duì)充填管路有效清洗的目的。控制邏輯圖框及管路自動(dòng)清洗系統(tǒng)實(shí)際布置如下幀。水 源 控 制 閥 關(guān) 閉充 填 管 內(nèi) 膏 體遺 留 物 吹 掃 干凈正 常 充 填集中控制裝置充 填 結(jié) 束充 填 管 內(nèi) 膏 體尾 漿 被 水 全 部推 出 充 填 管 后風(fēng) 源 控 制 閥 關(guān) 閉水

39、源 控 制 閥 打 開(kāi)風(fēng) 源 控 制 閥 關(guān) 閉水 源 控 制 閥 關(guān) 閉風(fēng) 源 控 制 閥 打 開(kāi)水 源 控 制 閥 關(guān) 閉風(fēng) 源 控 制 閥 關(guān) 閉雙 冗 余 膏 體 充 填 管 路 自 動(dòng) 清 洗 系 統(tǒng) 控 制 邏 輯 圖 框 膏體充填工藝是一個(gè)將煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和適量的水等按照一定比例混合、攪勻，用充填泵輸送到井下充填采空區(qū)的過(guò)程，系統(tǒng)包括矸石破碎系統(tǒng) 、配比攪拌系統(tǒng) 、膏體泵送及管路輸送系統(tǒng) 、風(fēng)水清洗系統(tǒng) 、充填系統(tǒng)過(guò)程控制與方案、工作面充填工藝等，需要各系統(tǒng)協(xié)同一致，才能夠保證整個(gè)工藝系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。為此，充填站矸石破碎系統(tǒng)、配比攪拌系統(tǒng)、膏體泵送及管路輸送系統(tǒng)必須實(shí)行集中

40、計(jì)算機(jī)控制。概述概述 充填站使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制具有特別重要的意義。 煤礦充填有以下特點(diǎn)：一是要求充填成本更低；二是集料沒(méi)有條件進(jìn)行脫泥等凈化處理；三是早期強(qiáng)度要求高，煤礦充填跟隨采煤工作面進(jìn)行，充填數(shù)小時(shí)以后充填體必須能夠凝結(jié)固化到能夠自穩(wěn)并達(dá)到脫模條件，否則，充填將影響工作面煤炭生產(chǎn)。 制作充填材料需要的細(xì)集料一般用粉煤灰，如果按照國(guó)內(nèi)外充填的經(jīng)驗(yàn)，即-20m的細(xì)集料占15%以上，用煤矸石作充填材料，需要摻加粉煤灰500600kg/m3以上，從經(jīng)濟(jì)上是難以承受的。 煤礦充填的特點(diǎn)決定了在煤礦充填工藝上必須進(jìn)行更加準(zhǔn)確的控制，以減少充填材料中為達(dá)到強(qiáng)度要求的膠結(jié)料富裕量，最大程度地減少

41、材料的損失，才能夠?qū)崿F(xiàn)充填成本最低化。同時(shí)，選擇周期式攪拌機(jī)制作膏體，要保證充填的連續(xù)作業(yè)，也需要充填系統(tǒng)自動(dòng)化控制。1、充填站檢測(cè)控制采用工業(yè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制方式，充填站測(cè)控的設(shè)計(jì)原則是：“檢測(cè)準(zhǔn)確、控制可靠、操作簡(jiǎn)便”。第一，檢測(cè)準(zhǔn)確原則。根據(jù)長(zhǎng)期充填的經(jīng)驗(yàn)，充填過(guò)程中充填漿體的重量濃度波動(dòng)范圍需要控制在 0.5%范圍以內(nèi)。第二，控制可靠原則。測(cè)控方案，主機(jī)和儀表的選擇要先進(jìn)、成熟；關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置失控或超限的聲光報(bào)警與事故處理方法，要切實(shí)可靠。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)要與機(jī)電二次控制電路連鎖，集中操作；主要崗位配備閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)。第三，操作簡(jiǎn)便原則。充填站檢測(cè)控制的計(jì)算機(jī)操作必須簡(jiǎn)便，一般工人經(jīng)過(guò)培訓(xùn)

42、以后能夠正確操作使用。地面充填站測(cè)控的基本技術(shù)要求地面充填站測(cè)控的基本技術(shù)要求 2、充填站檢測(cè)的基本內(nèi)容與要求 充填站系統(tǒng)檢測(cè)內(nèi)容包括：料位、水分、稱重、流量、密度、壓力以及來(lái)料稱重驗(yàn)收等7個(gè)方面：（1）料位：根據(jù)需要對(duì)粉煤灰倉(cāng)、膠結(jié)料倉(cāng)、充填料漿緩沖倉(cāng)等設(shè)置料位計(jì)，實(shí)時(shí)檢測(cè)料位上、下限報(bào)警。對(duì)于水池設(shè)置上下液位計(jì)，控制潛水泵的開(kāi)與停。（2）水分：煤矸石需要及時(shí)測(cè)定其水分含量，以便及時(shí)調(diào)整配比。水分測(cè)量誤差需要控制在0.5%以內(nèi)。（3）稱重：煤矸石、粉煤灰、水、膠結(jié)料各自分批以稱料斗形式稱重計(jì)量，保證配比準(zhǔn)確，稱重誤差需要控制在1%以內(nèi)。（4）流量：充填泵出口管道漿體或清水累計(jì)流量，累計(jì)流量的

43、測(cè)量誤差需要控制在1%以內(nèi)。（5）密度：充填泵出口管道漿體的密度。（6）壓力：檢測(cè)充填泵驅(qū)動(dòng)油缸壓力、充填泵出口管道漿體壓力。（7）來(lái)料稱重驗(yàn)收：對(duì)來(lái)料重車(chē)空車(chē)計(jì)量統(tǒng)計(jì)。 需要指出的是，充填過(guò)程中，還需要根據(jù)煤矸石、粉煤灰取料地點(diǎn)的變化等，及時(shí)測(cè)定煤矸石粒級(jí)組成、含泥量、水分，粉煤灰水分等，為充填系統(tǒng)調(diào)整配比提供依據(jù)。1、配料的過(guò)程與控制充填配料涉及4種物料，包括煤矸石、粉煤灰、水及膠結(jié)料，這些物料的配料過(guò)程及其控制如下：（1）煤矸石定量供給：煤矸石供給子系統(tǒng)包括煤矸石緩沖倉(cāng)、皮帶秤、斗式提升機(jī)、水分測(cè)定儀和緩沖斗。每個(gè)緩沖倉(cāng)設(shè)置2個(gè)出料口。在配料過(guò)程中，在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，首先打開(kāi)煤矸石緩沖

44、倉(cāng)出口給料器同時(shí)給料，到達(dá)到設(shè)計(jì)值90%時(shí)，保留1個(gè)給料器繼續(xù)給料，直到達(dá)到設(shè)計(jì)值；再由提升機(jī)把煤矸石運(yùn)送到充填樓第三層的煤矸石緩沖斗。控制方案控制方案 （2）粉煤灰定量供給：粉煤灰供給子系統(tǒng)包括粉煤灰料倉(cāng)、螺旋給料機(jī)和稱料斗，在規(guī)定時(shí)間的配料過(guò)程中，首先料倉(cāng)螺旋給料機(jī)快速給料到稱料斗，稱料斗開(kāi)始監(jiān)視進(jìn)斗物料質(zhì)量，到達(dá)到設(shè)計(jì)值90%時(shí)，改為慢速給料，達(dá)到設(shè)計(jì)值前適當(dāng)時(shí)間螺旋給料機(jī)停機(jī)，利用螺旋機(jī)慣性使所加物料正好達(dá)到設(shè)計(jì)值。（3）膠結(jié)料定量供給：膠結(jié)料供給子系統(tǒng)包括圓筒料倉(cāng)、螺旋給料機(jī)、稱料斗，在規(guī)定時(shí)間的配料過(guò)程中，首先料倉(cāng)螺旋給料機(jī)快速給料到稱料斗，稱料斗開(kāi)始監(jiān)視進(jìn)斗物料質(zhì)量，到達(dá)到設(shè)計(jì)值

45、90%時(shí)，改為慢速給料，達(dá)到設(shè)計(jì)值前適當(dāng)時(shí)間螺旋給料機(jī)停機(jī)，利用螺旋機(jī)慣性使所加物料正好達(dá)到設(shè)計(jì)值。（4）水定量供給：水的供給子系統(tǒng)包括潛水泵、單級(jí)離心水泵、調(diào)節(jié)閥、稱水斗。潛水泵負(fù)責(zé)從觀測(cè)井中向蓄水池供水，單級(jí)離心水泵負(fù)責(zé)由蓄水池向稱水斗供水。在規(guī)定時(shí)間的配料過(guò)程中，水泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥、管道向稱水斗內(nèi)加水，達(dá)到一定程度后，調(diào)節(jié)閥控制小量給水，水量加到設(shè)計(jì)值，調(diào)節(jié)閥截止，水泵停止供水。需要指出的是，充填站在制漿過(guò)程中要定期檢測(cè)煤矸石的含水率，根據(jù)煤矸石含水率的變化及時(shí)調(diào)整充填材料配比。 2、攪拌的過(guò)程與控制周期式攪拌機(jī)攪拌制作充填料漿的過(guò)程是加料、攪拌、出料按周期性循環(huán)作業(yè)的過(guò)程。從稱料

46、斗向攪拌機(jī)的投料時(shí)間1520 s、攪拌時(shí)間5060s、出料時(shí)間15s，一個(gè)攪拌周期90s。在充填過(guò)程中攪拌機(jī)的攪拌機(jī)構(gòu)開(kāi)啟以后便連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，攪拌機(jī)的卸料門(mén)通過(guò)電動(dòng)或氣動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)勻速打開(kāi)或關(guān)閉，攪拌機(jī)在推桿兩側(cè)裝有限位開(kāi)關(guān)，控制卸料門(mén)的開(kāi)閉極限位置，所以攪拌的過(guò)程需要控制的是開(kāi)啟和關(guān)閉攪拌機(jī)卸料門(mén)的時(shí)機(jī)，在執(zhí)行加料時(shí)，要確保卸料門(mén)已經(jīng)全部關(guān)閉，在出料完成以后才關(guān)閉卸料門(mén)。3、矸石破碎加工過(guò)程與控制矸石破碎加工過(guò)程涉及1臺(tái)破碎機(jī)、2臺(tái)振動(dòng)篩、8臺(tái)輸送機(jī)和2個(gè)振動(dòng)給料機(jī)和配套的除塵設(shè)備等，整個(gè)破碎加工過(guò)程還需要與配比攪拌子系統(tǒng)協(xié)調(diào)。矸石破碎子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制主要是設(shè)備順序動(dòng)作控制，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備狀況實(shí)行可視

47、化監(jiān)視，取消人工操作。4、泵送的過(guò)程與控制充填泵泵送分充填料漿和清水兩種介質(zhì)，在輸送管道中有四種情況，即完全充填料漿、完全清水、灰漿推水、水推灰漿，充填泵的泵送過(guò)程控制的目的是保持泵送速度與攪拌機(jī)拌料的速度協(xié)調(diào)一致，維持泵送系統(tǒng)的連續(xù)作業(yè)，控制每班充填量，為協(xié)調(diào)井上下作業(yè)提供依據(jù)。泵送流量的控制以泵送流量計(jì)、料漿緩沖倉(cāng)的料位計(jì)等檢測(cè)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，采用電動(dòng)調(diào)節(jié)充填泵泵送油路單向調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、來(lái)料稱重驗(yàn)收與管理來(lái)料稱重是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但是，此環(huán)節(jié)與充填站攪拌、泵送過(guò)程是相對(duì)獨(dú)立的，來(lái)料稱重驗(yàn)收與管理有兩個(gè)方案，一是不考慮計(jì)算機(jī)控制，采用一般的地稱對(duì)來(lái)料車(chē)稱重計(jì)量，二是與充填系統(tǒng)計(jì)算控制系

48、統(tǒng)形成一體，來(lái)料稱重管理是其中一部分。膏體充填開(kāi)采過(guò)程中，如何確保料漿的濃度滿足泵送要求，減少堵管事故的發(fā)生，保證充填過(guò)程的順利進(jìn)行，是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效充填開(kāi)采面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。小屯礦膏體充填開(kāi)采過(guò)程中采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)料漿濃度實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保了充填過(guò)程中料漿的濃度，避免了因料漿濃度變化發(fā)生的堵管事故。料漿濃度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)料漿濃度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)攪拌機(jī)攪拌電流就是指料漿攪拌均勻以后攪拌機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相電流穩(wěn)定的電流值。根據(jù)攪拌機(jī)特性，攪拌電流一般在攪拌30 s后即達(dá)到。在同料漿類型、相同攪拌體積條件下，攪拌電流與漿體的流動(dòng)性能成正比關(guān)系，料漿越稠，流動(dòng)性越差，攪拌電流越大，反之亦然。利用攪

49、拌電流可以掌握每罐次攪拌料漿的流動(dòng)性能變化，超過(guò)變化范圍可以在出漿前采取補(bǔ)水/補(bǔ)灰措施，即使所用粉煤灰吸水性變化、煤矸石水分變化，也能夠保證漿體流動(dòng)性在合理要求范圍，保證充填安全。（1）監(jiān)測(cè)技術(shù)與原理在地面主操控室內(nèi)，通過(guò)電流傳感器把主控室攪拌機(jī)主回路電流轉(zhuǎn)化為4 20 mA模擬量信號(hào)傳送給PLC，然后PLC通過(guò)循環(huán)中斷500 ms實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出不同濃度下電流變化曲線，根據(jù)平均電流的變化情況來(lái)反映膏體濃度的變化，傳感器工作原理如下圖：（2）膏體充填質(zhì)量濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn) 為了準(zhǔn)確掌握料漿質(zhì)量濃度與傳感電流之間的關(guān)系，對(duì)不同濃度的矸石漿、灰漿所對(duì)應(yīng)的電流進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，取得了大量的

50、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況分別對(duì)不同濃度的矸石漿和灰漿的電流值進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示，攪拌機(jī)入料、初期攪拌、其它動(dòng)力裝置啟停、物料出廠時(shí)間及濕度等這些因素影響膏體充填料漿的攪拌電流值，其中對(duì)小屯礦充填攪拌電流影響較大的動(dòng)力裝置是充填泵。料漿濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)；在工程實(shí)踐過(guò)程中，膏體充填材料的質(zhì)量濃度一般要求控制在一定的合理的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，這樣系統(tǒng)才能有更大的適應(yīng)性而不至于質(zhì)量濃度的稍微波動(dòng)就給充填系統(tǒng)料將在管路輸送過(guò)程中帶來(lái)較大的影響。鑒于此，首先通過(guò)實(shí)測(cè)設(shè)定某一質(zhì)量濃度充填料漿的攪拌電流值，然后再測(cè)定上下極限質(zhì)量濃度料漿的攪拌電流值，并將該極限攪拌電流值設(shè)置為監(jiān)測(cè)料漿質(zhì)量濃度的上下閥值（考慮

51、到上述影響因素，取一定的富裕系數(shù)k=1.4）。當(dāng)系統(tǒng)采集到的攪拌電流均值超過(guò)閥值上限時(shí)（料漿質(zhì)量濃度較大超過(guò)合理范圍的最大質(zhì)量濃度）系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)水，反之系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)充物料。由攪拌電流與質(zhì)量濃度在設(shè)計(jì)范圍濃度內(nèi)變化近乎線性關(guān)系。（1）膏體配料自動(dòng)化控制技術(shù)充填膏體配料是指將所需物料（煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料、水）按照生產(chǎn)要求的給定質(zhì)量進(jìn)行稱重的過(guò)程，它的精度直接決定了充填料漿流動(dòng)性能、凝結(jié)固化性能，從而影響充填效果。 模糊理論是解決在控制過(guò)程中各種信號(hào)量不易定量表示的有效途徑，運(yùn)用模糊推理實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的最佳調(diào)整。以此提出基于模糊PID控制器的配料系統(tǒng)，膏體配料自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與稱重過(guò)程實(shí)

52、際值之間的偏差，即實(shí)時(shí)流量與設(shè)定流量比較得到配料偏差，經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)改變輸出信號(hào)，控制給料量調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)定量給料，配料系統(tǒng)控制原理如下幀圖所示。膏體制備自動(dòng)控制系統(tǒng)膏體制備自動(dòng)控制系統(tǒng)配料系統(tǒng)控制原理圖配料系統(tǒng)控制原理圖 基于模糊PID控制器的配料系統(tǒng)，將模糊控制技術(shù)與傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)共同應(yīng)用于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)當(dāng)中，有效的解決傳統(tǒng)PID誤差不穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性不理想的問(wèn)題，保證了配料系統(tǒng)的精度。（2）膏體料漿供給量的自動(dòng)化控制技術(shù) 膏體料漿供給系統(tǒng)是為滿足充填泵送按控制系統(tǒng)優(yōu)化的工況點(diǎn)運(yùn)行。系統(tǒng)用超聲波物位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)得料漿緩沖斗里料漿的實(shí)時(shí)高度，當(dāng)料位高度達(dá)到90%時(shí)，攪拌機(jī)底門(mén)進(jìn)料閥

53、保持關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)上級(jí)供料停止； 當(dāng)料位低于50%時(shí)低限開(kāi)關(guān)接通，攪拌機(jī)底門(mén)進(jìn)料閥及上級(jí)供料恢復(fù)正常的開(kāi)閉。膏體制備系統(tǒng)根據(jù)料位的高低自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)膏體制備量的大小，從而滿足充填泵泵送能力的要求。工作面充填開(kāi)采設(shè)計(jì)采用“三八”工作制，每天完成一個(gè)“采煤充填凝固/檢修”循環(huán)。設(shè)計(jì)采煤班每班進(jìn)34刀，采煤機(jī)截深0.8m，日進(jìn)度為2.43.2m，采煤機(jī)割煤34刀，采空區(qū)充填一次，充填步距為2.43.2m。工作制度與工作制度與 充填步距充填步距1、充填工藝流程：手指口述安全確認(rèn)充填準(zhǔn)備檢查準(zhǔn)備管道充水灰漿推水矸石漿推灰漿正常（輪流）充填管道清洗（灰漿推矸石漿水推灰漿打風(fēng)）充填結(jié)束驗(yàn)收。2、充填具體步驟

54、（1）充填準(zhǔn)備吊掛塑料編織袋及工作面、上巷隔離墻支設(shè)；工作面充填管布置；（2）檢查準(zhǔn)備上下兩巷隔離墻及工作面隔離墻、吊掛充填袋檢查；干線充填管路檢查；工作面主管閥檢查（都開(kāi)）；布料管閥檢查（都關(guān)）；三通閥門(mén)檢查（打開(kāi)）；報(bào)告充填站。充填工藝充填工藝（3）管道充水（4）灰漿推水（5）矸石漿推灰漿（6）正常充填（7）灰漿推矸石漿（8）水推灰漿（9）壓風(fēng)推水（10）充填結(jié)束驗(yàn)收崗位工作結(jié)束、驗(yàn)收；交接班；報(bào)告礦調(diào)度室。（11）凝固充填工作結(jié)束后，充填體凝固時(shí)間為68小時(shí)左右。5.15.1、工作面布置、工作面布置峰峰集團(tuán)小屯礦膏體充填開(kāi)采首試工作面選擇在14259頂分層工作面。該工作面運(yùn)輸巷布置在已采

55、14459工作面材料道正上方，而材料道布置在已采14461采空區(qū)上方，開(kāi)切眼布置在東側(cè)井田邊界，這樣布置使工作面兩道處于野青保護(hù)層開(kāi)采的有效作用范圍內(nèi)，便于瓦斯的防治。14259（頂）首試工作面傾斜長(zhǎng)度120m，推進(jìn)長(zhǎng)度630余m，以平均采高2.7m計(jì)算，煤炭?jī)?chǔ)量29.5萬(wàn)t。依照膏體充填開(kāi)采首試工作面布置，保護(hù)煤柱充填開(kāi)采一共可以布置5組上下分層工作面，在首試工作面兩側(cè)布置14261、14259上下分層工作面全部采用沿空留巷，相互之間不留區(qū)段煤柱，最大量采出煤炭資源。5.2、充填方法的選擇膏體充填開(kāi)采工作面的充填方法有“全采全充法”和“部分充填法”。所謂全采全充，就是隨著回采工作面向前推進(jìn)，

56、在直接頂板尚未垮落之前，即用膏體材料把工作面后方的采空區(qū)全部充填起來(lái)?？刂聘矌r及地表變形效果最好，但充填量大，一般適用于村莊下厚煤層上分層開(kāi)采，或弱強(qiáng)度材料充填； 部分充填法有房柱充填法和條帶充填法，就是采空區(qū)不全部充填起來(lái)，而是在一個(gè)充填步距上間隔一定距離充填一個(gè)柱垛。房柱充填法，在下一個(gè)充填步距上每交錯(cuò)一定距離充填一個(gè)柱垛，這種充填方法支護(hù)效果好，充填量小，但工藝性差，操作不便。因此，一次采全高或底分層開(kāi)采膏體充填一般采用條帶充填法。5.3、膏體充填系統(tǒng)能力確定的原則及其影響因素分析膏體充填系統(tǒng)能力確定的原則是：其一，充填能力與工作面煤炭生產(chǎn)能力相適應(yīng)其二，便于回采工作面安排正規(guī)作業(yè)循環(huán)；

57、其三，充分發(fā)揮充填設(shè)備能力。綜合機(jī)械化充填采煤煤炭生產(chǎn)能力主要受充填準(zhǔn)備時(shí)間、充填時(shí)間和充填體凝固時(shí)間制約。膏體充填要能夠有效控制地表開(kāi)采沉陷，在工作面支架使充填前頂板保持完整和充填前頂板下沉量小的條件下，還需要具備兩個(gè)條件，一是每次充填前沿工作面設(shè)置的隔離墻必須保證充填接頂；二是為充填材料提供必要的凝固時(shí)間，在隔離和側(cè)護(hù)措施為進(jìn)行下一循環(huán)而拆除后，使新凝結(jié)固化的充填體有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，保持充填體自穩(wěn)不垮塌的同時(shí)，還能夠?qū)χ苯禹敯逵幸欢ǖ闹巫饔?，避免新充填體受頂板壓力作用而損壞。 如果采用人工設(shè)置充填隔離墻，充填以后還要等待八小時(shí)方能繼續(xù)回采，需要實(shí)行23個(gè)工作面輪采才能夠保證煤炭產(chǎn)量。 對(duì)此，

58、研制專門(mén)液壓膏體充填支架，提高單面膏體充填工作面生產(chǎn)能力，專門(mén)液壓膏體充填支架同時(shí)具備快速設(shè)置隔離墻功能、對(duì)待充填區(qū)有效支護(hù)功能、充填以后能夠繼續(xù)保持對(duì)新充填體提供必要側(cè)護(hù)同時(shí)又能夠采煤的功能。 峰峰為整體式結(jié)構(gòu)，解決了快速設(shè)置隔離墻和待充填區(qū)有效支護(hù)問(wèn)題，這樣充填系統(tǒng)需要滿足整體式液壓膏體充填支架支護(hù)工作面的需要，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度120150m，采高2.7m，日進(jìn)尺2.4-3.2m，即充填工作面采取“采煤充填凝固/檢修”三班循環(huán)能夠滿足單面年產(chǎn)50萬(wàn)t/a的需要。6.1充填管道輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)充填管線優(yōu)化布置的主要目標(biāo)是：在實(shí)現(xiàn)滿管流基礎(chǔ)上，盡可能地降低垂直管中的最大動(dòng)壓，以減少管線所受的動(dòng)

59、壓作用。對(duì)于具體的礦井而言，只要采深確定，在垂直高度的靜壓分布就已經(jīng)確定。通過(guò)對(duì)充填過(guò)程存在問(wèn)題的分析，先后對(duì)充填管路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造。6.1.1充填鉆孔管優(yōu)化原始設(shè)計(jì)方案中，充填鉆孔管路采用21918mm的雙金屬耐磨管，外層為管壁厚度10mm的無(wú)縫鋼管，內(nèi)襯8mm厚的耐磨層。 設(shè)計(jì)雙金屬耐磨管的初衷主要考慮膏體在輸送過(guò)程中對(duì)管路的磨損較為嚴(yán)重，管路的內(nèi)層8mm的耐磨層硬度高，耐磨性好，實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該耐磨層柔韌性差，另外耐磨層與外部的無(wú)縫鋼管沒(méi)有澆鑄在一起，留有一定的空隙，在運(yùn)輸和使用過(guò)程中管路的耐磨層較易出現(xiàn)斷裂破損，特別是在立井中，由于不滿管流漿體對(duì)管路的耐磨層反復(fù)沖擊，極易耐

60、磨層的斷裂及脫落，并造成堵管事故。為了研究耐摩擦的磨損情況，對(duì)管道磨損情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，結(jié)果表明，充填漿體對(duì)管路的磨損并不大，充填30萬(wàn)m3膏體，管路磨損最大處僅為0.2mm，2010年7月底將立井管更換成16Mn的無(wú)縫鋼管，至今已順利充填150萬(wàn)m3。6.1.2 井下主管路優(yōu)化 漿體在管路內(nèi)阻力變小，造成斷流，而且斷流距離過(guò)大，易發(fā)生堵管；隨著工作面推進(jìn)，充填管路系統(tǒng)變短，充填管路要進(jìn)行阻力調(diào)整，減少斷流發(fā)生。將原主管路雙層耐磨金屬管更換成無(wú)縫鋼管1689（內(nèi)徑150mm），承壓12MPa，每根管長(zhǎng)度4m，采用快速接頭連接，并將優(yōu)化后的管路延長(zhǎng)約200m。6.1.3 工作面充填管路優(yōu)化 工