連采連充膏體充填工藝系統設計與應用

吳建華，李玉增，王 壯

(1.山東省煤田地質局第四勘探隊，山東 濰坊 261200；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

我國“三下”煤炭資源豐富，其中建筑物下的壓煤儲量約84億t[1]，開采三下煤炭時需要保護采區上方建筑物、鐵路、水體不受損壞。充填開采對于煤炭的采出率普遍在85%以上，為釋放三下壓煤、延長老礦區使用年限提供了較好的解決方案[2]。近年來，已有麻黃梁煤礦、冒溪煤礦、王莊煤礦[3-5]等礦井采用充填采煤法成功釋放了建筑物下壓煤。目前，我國施行充填開采的煤礦相對較少，充填礦井中，采用較多的充填方式有矸石充填、膏體充填和高水充填[6，7]。矸石充填工藝簡單，投資小，但是充實率低，充填體的強度小[8]；膏體是由膠結料與骨料混合成的賓漢流體，膏體充填對于地表移動變形的控制效果最好[9，10]；高水充填法中充填材料強度低，易受風化破壞[11]。又結合查莊礦周圍的矸石、粉煤灰等資源條件，遂采用膏體充填采煤法開采工業廣場下3煤層。

連采連充工藝通過間隔跳采、跳充的方式，實現了工作面采、充同步進行，提高了充填開采效率，該工藝已在查哈素礦井、昊源煤礦、裕興煤礦、黃白茨煤礦[12-14]等得到了成功應用。連采連充工作面的布置具有長壁布局與短壁開采的特點[15]。

1 工程概況

查莊煤礦位于山東省肥城市石橫鎮境內，于1968年建成投產，設計生產能力為60萬t/a。井田面積15.6 km2，井田可采煤層10層，可采總厚度15.4 m，煤層傾角為6°～15°。經過數十年的不斷開采，礦區易采煤炭資源面臨枯竭。查莊煤礦工業廣場下3煤層埋深155.5～236.3 m，煤層充填開采區域走向長約580 m，傾向長約460 m，面積278500 m2，資源儲量150萬t。地面標高為：+70.79～+73.20 m，平均72.0 m。地面充填站位置如圖1所示，為節約資源，充填鉆孔利用已報廢的水源井。

工業廣場下3煤層采用連采連充開采方式，充填材料為：充填膠結料(水泥+粉煤灰+水)20%和煤矸石80%，充填開采設計生產能力30萬t/a。

2 階段性采充循環

連采連充首采工作面走向長586 m，傾向長86 m，煤層厚度1.6～3.5 m，支巷長度80 m，巷寬4 m，每十條支巷劃為一個生產單元，一個單元的采煤過程可分為以下四個階段，如圖2所示。

圖2 采充循環階段Fig.2 Mining and filling cycle stage

1)階段一：利用連續采煤機開采1號支巷，通過刮板輸送機將煤運出，然后通過間隔跳采的方式開采3號支巷的同時，利用充填系統將充填材料送入采空的1號支巷，充填擋墻采用木板、液壓點柱、鐵棚腿、木支柱等制作；通過煤體側掏槽、提前打設加固錨桿、打設戧柱等方式防止潰漿。

2)階段二：開采完3號支巷后，繼續開采單元內剩余的奇數巷，同時充填前一條開采完的空巷，實現采煤與充填的連續、同步作業，偶數巷作為煤柱支撐頂板。

3)階段三：奇數巷開采完畢后，連續采煤機退至運輸巷道，移步到2號支巷下端口處，開采第一條偶數支巷。在開采4號支巷的過程中，對2號空巷進行充填。

4)階段四：將剩余的偶數巷采、充完畢，利用奇數巷支撐頂板，實現整個單元全采全充。

3 膏體充填工藝設計

膏體充填系統由地面充填站和輸送管道組成，膏體在地面制備完畢后，通過泵送的方式進入充填管道，膏體到達待充填巷道上端口，借助煤層傾角，利用勢能流入空巷接頂密實。

3.1 膏體制備工藝

連采連充膏體制備與充填工藝如圖3所示。水泥、粉煤灰先后通過螺旋輸送機進入稱重料斗，達到預設值后下方電動閥門開啟，粉末進入一級攪拌機。水池中的清水經水泵、水管、電磁流量計流入下方的攪拌機中，同其他原料一起高速攪拌50 s。攪拌均勻的灰漿進入儲漿緩沖罐中暫存，緩沖罐可以多次儲存一級攪拌機制得的灰漿，內部安裝低速旋轉的攪拌裝置防止料漿沉淀。

圖3 連采連充膏體制備與充填工藝Fig.3 Preparation and filling process of continuous mining and filling paste

前期煤炭開采的伴生廢料煤矸石儲存在矸石倉中，矸石倉下接一級破碎機對矸石進行初步破碎后，由帶式輸送機將矸石送至滾軸篩進行篩選，25 mm以下的矸石通過下方帶式輸送機運至矸石棚中，25 mm以上的矸石滾入二級破碎機進行二次破碎，從破碎機出口落入下方帶式輸送機。鏟車將矸石棚中的碎矸石送入送料機中，送料機保證矸石定量、均勻釋放。

灰漿與帶式輸送機上的碎矸石進入二級攪拌機中，由攪拌機制得的成品膏體流入充填工業泵，等待泵送至井下。

水泥與粉煤灰儲料倉上方安裝袋式除塵器，防止罐車泵送粉料時倉內的粉塵排放至倉外，同時及時從外界補充氣體，保證物料正常流出。為了及時了解儲料倉內物料剩余情況，在倉頂安裝了雷達料位計，通過微波脈沖反射測得料位信息，并反饋給工控機實時顯示。儲料倉底部應安裝氣體破拱裝置，防止出口堵塞。

根據水泥與粉煤灰的堆積角為40°～45°[16]，稱重料斗的底部錐形結構傾角設為60°，用來提高下料時的流暢度。料斗內安裝有壓式稱重傳感器和氣動蝶閥，由工控機控制氣動蝶閥實現自動啟閉。料斗下配置一臺功率為50 W的振動器，防止物料發生堆積堵塞。

一級攪拌機采用攪拌軸高速旋轉的渦流制漿機，主要負責灰漿的攪拌制作，其入口緊接稱重料斗的出口，防止物料濺出。攪拌葉輪的轉速、葉片數、葉輪直徑等參數對于攪拌效果有重要的影響。一級攪拌機的設計參數見表1，攪拌機生產能力為60 m3/h。

表1 一級攪拌機設計參數Table 1 Design parameters of primary mixer

儲漿緩沖罐可多次儲存一級攪拌機制得的成品漿液，主要用于提高流入二級攪拌機的灰漿的連續性。攪拌葉輪共有5層，每層葉輪有2枚斜葉槳，儲漿緩沖罐的相關設計參數見表2。

表2 儲漿緩沖罐設計參數Table 2 Design parameters of slurry buffer tank

二級攪拌機采用雙臥軸攪拌機，主要由殼體、主軸、襯板、攪拌臂、葉片、減速機等組成。與單軸攪拌機相比，具有攪拌量大、結構緊湊、攪拌時與介質接觸面大、磨損程度較低等優點[17]。二級攪拌機工作周期為45 s，二級攪拌機設計參數見表3。

表3 二級攪拌機設計參數Table 3 Design parameters of secondary mixer

破碎機主要由殼體、襯板、錘頭轉子、帶輪等組成，錘頭轉子由帶輪驅動，矸石通過在高速旋轉的錘頭與貼于殼體內壁的襯板間反復碰撞實現破碎效果[18]。一級破碎機選用2PF-1010型雙轉子反擊式破碎機，工作時，通過雙電機的帶動，兩套轉子同時高速運轉，將矸石倉滾落出的矸石破碎至30 mm以下。二級破碎機則選用XCP-1010型反擊式破碎機，負責將矸石的出料粒度控制在25 mm以下。一、二級破碎機關鍵參數見表4。

表4 一、二級破碎機關鍵參數Table 4 Key parameters of primary and secondary crushers

滾軸篩的篩面由12根等距排列的篩軸構成，每根篩軸上帶有若干個梅花形篩盤，相鄰兩根篩軸上的篩片交錯布置，形成整齊有序、大小一致的篩孔[19]，當矸石在篩面上滾動時，粒徑小于25 mm的煤矸石會從篩孔中通過，大于25 mm的煤矸石則在篩軸帶動下前進，最終落入二級破碎機內。

3.2 管道充填工藝

管道充填工藝如圖4所示，管道運輸系統由地面管、鉆孔管、井下管、工作面管組成，膏體充填采空區時，通過三通閥改變膏體流向，利用自行式噴射機對巷道上端口進行上三角密封，保證充填體接頂率95%以上。

圖4 管道充填工藝Fig.4 Pipeline filling process

泵送充填流程及作業順序：充填準備→管道充水→膏體推水→正常充填→水推膏體→打風→充填結束。膏體充填前后都需要對管道進行清洗，清洗前，井下安排專人對充填管路進行檢查，確保充填管道吊掛平直、固定牢固以及相關接頭緊固有效。管路沖洗完畢后，啟動充填系統進行充填。工作面充填至規定要求時，井下充填工作人員通知地面充填站停料，下水沖洗管路，待充填出料口流出清水且確認管路內無余料后通知地面停水，隨后打風完成管路的進一步清洗工作。

4 采動影響分析

頂板離層量一般使用頂板離層儀進行監測，通過讀取深孔測點與淺孔測點的位移來反映離層變化。根據查莊煤礦頂板特點，確定了淺孔測點安裝深度為2 m，深孔安裝深度為6 m。運輸巷道頂板離層儀所監測到的離層變化情況如圖5所示。由圖可知，運輸巷道頂板于8月11日產生了離層，深孔測點的離層量為20.5 mm，淺孔測點離層量為5.5 mm，兩測點之間的頂板離層量為15 mm，分析產生離層的原因為開采運動造成頂板破裂，充填體接頂后離層量趨于穩定。

圖5 頂板離層測點位移變化曲線Fig.5 Displacement variation curve of roof separation measurement points

對3煤層上方的工業廣場進行地表沉降監測，測站設置在主廠房向東南方延伸，共設置8個走向測站、4個傾向測站。測站監測的地表下沉量見表5。

表5 工作面地表下沉值統計Table 5 Statistics of surface subsidence values in working faces

通過觀察表中數據可以發現非充分采動的地表最大下沉量27 mm，為距離工作面最近的測站L6；L1測站距離連采連充工作面最遠，為307 m，地表下沉值為0 mm。因此可以得到充填開采運動對地表造成的影響范圍不超過307 m。實踐證明，工作面采取連采連充工藝后，有效控制了地表的沉降，地表水平變形值-0.4～0.6 mm/m、傾斜變形值-1.0～0.8 mm/m，地表建筑在I級建筑物損壞等級之內。

5 結 論

1)采用連采連充工藝對查莊煤礦工業廣場下3煤層進行了開采，實現煤炭全采全充。根據該礦資源條件，充分利用荒廢的水源井作為充填鉆孔，提高了資源利用率。

2)對膏體充填工藝和對應的充填系統進行了設計，通過“先制灰漿，再制矸石漿”的工藝順序保證了膏體質量，料漿在制作過程中全程封閉，避免粉料暴露對空氣造成污染；通過矸石倉-帶式輸送機-矸石棚的工藝路線實現了“矸石不落地”，保護生態環境，實現綠色開采。

3)充填后運輸巷道頂板最大離層量為20.5 mm，測站檢測的地表最大沉降值為27 mm，工業廣場上的建筑物功能正常，證明了連采連充膏體充填工藝在查莊礦具有良好的適應性，對于建筑物下采煤工作具有指導作用。