引言

"三下"壓煤的開(kāi)采,主要是指對(duì)被構(gòu)建筑物、水體及鐵路下的壓煤進(jìn)行的開(kāi)采活動(dòng)的總稱(chēng)。我國(guó)作為煤炭資源大國(guó),"三下"壓煤量巨大,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)"三下"壓煤工業(yè)儲(chǔ)量超過(guò)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(kāi)采量還不到總體儲(chǔ)量的7%,開(kāi)采率低的主要原因是"三下"壓煤的開(kāi)采往往會(huì)造成一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。"三下"壓煤開(kāi)采容易使地表產(chǎn)生沉陷和積水問(wèn)題,甚至可能引發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害:另外,還容易對(duì)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(kāi)采技術(shù)的發(fā)展

針對(duì)"三下"壓煤開(kāi)采的種種問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種針對(duì)性開(kāi)采技術(shù),目前較為成熟的有房柱式開(kāi)采技術(shù)、條帶開(kāi)采技術(shù)、限厚開(kāi)采技術(shù)、充填開(kāi)采技術(shù)等等,其中充填開(kāi)采技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。充填開(kāi)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(kāi)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(guò)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(lèi)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(lái)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(diǎn)是原材料獲取容易,運(yùn)輸簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)則是制成的漿料流動(dòng)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?yàn)樵O(shè)備成本高、能量消耗大的問(wèn)題,應(yīng)用不多。

2膏體充填開(kāi)采技術(shù)的特點(diǎn)

膏體充填開(kāi)采技術(shù)是近年來(lái)應(yīng)用最為廣泛的一種充填開(kāi)采技術(shù),其工藝原理如下:將井下掘進(jìn)、開(kāi)采過(guò)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(diǎn),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(diǎn),整個(gè)系統(tǒng)后期管理及運(yùn)營(yíng)成本較低,同時(shí)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(chǔ)量豐富,有條件建設(shè)大型礦井,目前年設(shè)計(jì)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(duì)該礦區(qū)進(jìn)行地表沉陷預(yù)測(cè),結(jié)果顯示,預(yù)計(jì)井田累計(jì)下沉深度可達(dá)4554mm,沉陷面積高達(dá)145.26km2,也就是說(shuō),在全井田煤層開(kāi)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(huì)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(duì)相關(guān)煤層進(jìn)行自燃傾向性試驗(yàn),試驗(yàn)報(bào)告顯示,其各可采煤層的自燃傾向性多為Ⅱ類(lèi),即為較容易自燃的煤。由此可見(jiàn),中峪礦井需要同時(shí)解決研石環(huán)保處理和采空區(qū)防滅火的問(wèn)題,而膏體充填技術(shù)恰好能夠同時(shí)解決以上兩個(gè)問(wèn)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(jì)算

充填膏體制備及泵送系統(tǒng),是用來(lái)集中攪拌充填膏體并通過(guò)充填管路將充填膏體泵送到充填點(diǎn)的聯(lián)合機(jī)械裝置,涉及充填膏體原材料上料、計(jì)量、攪拌、卸料和泵送等充填膏體制備及泵送的整個(gè)過(guò)程,對(duì)充填膏體的質(zhì)量影響極大,是整個(gè)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(duì)于整個(gè)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(duì)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(cè)算的需充填處理研石量為110萬(wàn)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(jì)算,即研石處理量約為200t/h,按照充填料漿比例推算,同時(shí)考慮設(shè)計(jì)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(guò)研石轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶送至研石儲(chǔ)料場(chǎng)進(jìn)行存儲(chǔ):同時(shí)將粉煤灰、水泥、添加劑也分別存儲(chǔ)至各自料倉(cāng)備用。根據(jù)設(shè)計(jì)的膏體料漿配比,通過(guò)計(jì)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(jì)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(guò)上述礦充填系統(tǒng)處理能力的計(jì)算,結(jié)合其他礦井膏體充填經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有成熟的膏體充填設(shè)備,設(shè)計(jì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)研石的采樣分析得知,中峪礦井研石的特點(diǎn)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(jí)破碎,第一級(jí)利用PFw1318III型反擊式破碎機(jī),將研石粒度降至200mm以下,第二級(jí)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(dòng)性較低、給料速度較大的給料場(chǎng)合。該帶式輸送機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式,研石通過(guò)帶式輸送機(jī)向研石稱(chēng)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(dòng)性好、配料精度較高的給料要求。對(duì)于水泥、粉煤灰的給料,則根據(jù)上文所計(jì)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(shí),為螺旋給料設(shè)備配備變頻器,可通過(guò)調(diào)整給料機(jī)轉(zhuǎn)速和螺旋給料的口徑以實(shí)現(xiàn)配料速度的調(diào)整,進(jìn)而實(shí)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(kāi)始攪拌,攪拌時(shí)間約60s,出料時(shí)間約20s。攪拌完成后,充填工業(yè)泵開(kāi)始膏體泵送工作。系統(tǒng)選取HGBsw270型號(hào)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(diǎn),可以高效地完成膏體的遠(yuǎn)距離輸送任務(wù)。

5結(jié)語(yǔ)

在綠色礦山的建設(shè)成為煤炭行業(yè)共識(shí)的今天,如何在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益之間實(shí)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(xiàng)新的課題。膏體充填開(kāi)采技術(shù)作為一種環(huán)境友好型的開(kāi)采技術(shù),必將在未來(lái)的煤礦開(kāi)采中發(fā)揮出更加重要的作用,而針對(duì)礦井的自身特點(diǎn)和需求,進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算,選擇合理的方案以及設(shè)備,無(wú)疑可以對(duì)礦井的綠色生產(chǎn)起到積極的作用。