超大体积底板空巷地面制浆充填技术研究

李星星

（晋能控股煤业集团机电管理分公司，山西 大同 037000）

晋能控股煤业集团盈盛煤业为资源整合矿井，受整合前小煤窑私挖滥采影响，井田内分布多种类型遗留空巷，存在冒顶、支架塌陷、瓦斯积聚等多种安全隐患，对回采造成严重影响，治理难度较大[1-2]。以工作面过超大体积完整底板空巷为工程背景，研究治理技术。

晋能控股煤业集团盈盛煤业开采3#煤层。3511上分层工作面位于五盘区，设计走向长度1100 m，倾向长度220 m，正在掘进上分层回采巷道。

根据矿井原有地质资料和打钻探测，在掘进进度607～632 m 范围，探测到三条原小煤窑遗留空巷，分别为五西北回风巷、五西进风巷、五西南回风巷。三条空巷基本平行，长度约1000 m，中间有联络巷沟通。空巷除了对3511 工作面回采产生影响，对后续接替的3512、3513、3514 三个工作面都将产生影响，空巷影响范围如图1。

图1 空巷影响范围示意图

煤层总厚6 m，采用分层开采方式，先采上分层，采厚2.4 m，后采下分层，采厚3.6 m。三条空巷为原小煤窑主要巷道，经锚杆索支护，目前维护状况良好。空巷沿煤层底板掘进，宽度4 m，高度2.4 m，如图2。

图2 空巷与分层开采关系示意图（m）

空巷危害分析：由于空巷与切眼基本平行，上分层回采通过空巷时，支架距离空巷之间煤体厚度仅约1.2 m，如不采取治理措施，整个工作面支架会整体下陷，掉入空巷内，危害极大。

三条空巷总体积约28 800 m3，共计影响4 个工作面，按照逐个充填方式，单个工作面充填体积7200 m3。传统井下泵站充填方式，主要受制于井下充填材料运输能力，盈盛煤业日最大运输能力20 t，日最大充填方量20 m3，单个工作面约需360 d 才能完成充填作业，严重影响工作面生产。因此，计划建立一套地面制浆充填系统，材料无需下井，大幅提高充填能力。

2.1 地面制浆充填设备

在回风井井口平整场地，约300 m2，建设一座综合制浆充填站。设计制浆充填能力为60 m3/h，设计日充填方量300 m3。

地面制浆设备系统包括5 个部分：储料仓、上料系统、称重装置、高速搅拌装置、储浆装置。

储料仓设计4 个，根据使用的粉煤灰基充填材料：粉煤灰75%、石灰20%、辅料5%。其中3 个封闭式储料仓设计储量120 t，两个用于存储主料粉煤灰，1 个用于存储主料石灰；
1 个开放式储料仓设计储量5 m3，用于存储辅料。总存储能力360 t，每天需使用充填材料283 t。每日用水量共180 t，准备一个200 m3蓄水池，持续供水。

上料系统包括4 台螺旋上料机和一台潜水泵，螺旋上料机用于输送粉料进入称量装置，型号为LS-219，2 台用于粉煤灰上料，剩余2 台分别用于石灰和辅料上料。潜水泵设计送水能力100 m3/h。

称重装置包括2 台称重料斗和一台称重水箱，粉煤灰用一台称重料斗，石灰和辅料共用另一台称重料斗，均设计为800 kg 容量。水采用称重水箱称量，设计容积1.5 m3。

高速搅拌装置包括两台涡流式高速搅拌机，其主要工作原理是水和灰料进入泵体后，超高速涡流搅拌，浆体可以通过下部的出浆口进入外部管道重新从进浆口进入，形成内外循环搅拌，大大提高了浆液搅拌的速度。同时，泵体内壁安装了不同角度的挡板，起到切刀作用，将从进浆口进入的浆体切割成不同形态，加速了浆液搅拌过程。高速搅拌机设计容积1.5 m3，搅拌时间40 s 左右，制备好的浆液送入储浆装置。

储浆装置为一台低速泥浆搅拌罐，容积5 m3。两台高速搅拌机制备好的浆液交替进入储浆装置，实现连续充填，泥浆搅拌罐低速运转，保证浆液均匀，不出现沉淀。

地面制浆充填设备系统及连接如图3。

图3 地面制浆充填系统示意图

地面制浆充填系统主要设备见表1。

表1 地面制浆充填系统主要设备表

2.2 自动控制系统

以往地面充填多使用人工控制方式，依赖操作工人经验，效率低下，水灰比准确性差。本次在地面建设控制室，安装自动控制系统，通过雷达物位计、称重传感器、超声波液位计、流量传感器等多种传感设备，将监测到的数据传输给PLC 控制系统，数据交换转换成可视信号，进行实时监控。操作人员根据PLC 显示的数据，通过对计算机进行控制，发出所需命令，指令进入PLC 后进行一系列的逻辑解算、输出信号，控制现场各个环节的运行状态。

自动控制系统包括监测系统和控制系统。

（1）监测系统

实时在线监测物料重量、浆液流量、浆液浓度数据等参数，精确控制各种材料以及水的配比，保证浆液质量稳定均匀，符合要求。

（2）控制系统

整个制浆充填泵站的操作通过自动控制系统的控制，利用现场各环节与计算机进行数据交换、分析、中控室发出操作指令，可以对上料、称重、下料、搅拌、放浆等工序进行自动化操作，降低了人工操作因素的干扰，保证浆液质量，实现浆液的连续高效制备。

3.1 空巷两端封闭

为了3511 上分层工作面尽快具备回采条件，空巷采用逐段充填法，先充填3511 工作面下方部分，以提高实施效率。

先分别从进风巷和回风巷掘进探巷，探巷逐渐变坡揭露三条空巷后，在空巷内工作面两侧位置构筑密闭，划定充填区域。如图4。

图4 空巷两端封闭示意图

因进风巷一侧煤层底板较高，在进风巷内，与空巷交叉位置，向底板施工钻孔，穿透底板揭露空巷。一次成孔直径108 mm，经过两轮扩孔，最终孔径200 mm，下套管护孔，共实施3 个钻孔。

3.2 充填管路布置

充填管路一端连接充填制浆站低速搅拌机配备的泥浆泵，沿着回风立井延伸至井底，然后依次经过五盘区总回风巷、五盘区集中运输巷、3511 上分层工作面进风巷，达到充填钻孔处。如图5。

图5 管路布置示意图（m）

回风立井垂直高度为200 m，井下输送长度约1620 m，近水平，充填倍线为水平长度与垂直高度的比值，为8.1。根据理论计算和相关经验，浆液可以实现自流输送，但输送线路上有4 处弯道，会造成输送效果差，因此在每个弯道结束后，加装1台中转泵，以提高浆液输送能力。

所有管路均采用2 寸钢管，4 m/根，法兰连接，弯道处采用2 寸弯头转向。

3.3 充填材料及制浆参数

（1）粉煤灰基充填材料

粉煤灰75%，石灰20%，辅料5%，水灰比0.7:1，充填体密度1.6 t/m³，即每1 m³空间需要1.6 t 浆体。各组分质量为：粉煤灰0.70 t，石灰0.19 t，辅料0.05 t，水0.66 t。14 d 强度可达7～8 MPa。

（2）制浆参数

① 高速搅拌机容积1.5 m³，每次按照1 m³设计。粉煤灰用料700 kg，两台粉煤灰上料螺旋机同时上料，约30 s；
石灰用量190 kg，上料时间约为20 s；
辅料用量50 kg，主要靠人工投料，30 s。

② 每次用水660 kg，上水时间20 s。

③ 放料前先放10 s 水，称重设备称料结束后，卸料口开启放料，高速搅拌机开始进行搅拌。

④ 搅拌和称重可以平行作业，双高速搅拌机交替制浆。低速泥浆搅拌罐内浆液少于2 m³时自动控制加料。

⑤ 每天设计5 h 充填时间，充填空间300 m³，地面必须有足够的材料存储。粉煤灰300×0.70=210 t，石灰300×0.19=54 t，辅料300×0.05=15 t。

地面制浆充填站从平整土地、方案设计、设备采购及安装、控制系统安装、系统调试运行，共耗时60 d。

开始充填前3 d，日平均充填方量162 m³，从第4 天开始，日平均充填方量286 m³。三条空巷设计充填体积7200 m³，实际充填方量7654 m³，纯充填用时30 d，共计消耗7203 t，平均每天234 t。每天除了充填时间外，其余时间用于运输储备材料、冲洗检修设备。

充填过程中自动化控制系统运行良好，除开关机需人工操作外，其余工序均实现了自动控制。每天安排专人对低速泥浆搅拌罐内浆液进行取样检测，每30 min 取样一次，进行质量浓度测定，发现浆液质量浓度均匀，表明水料配比稳定。充填全部完成等待15 d 后，打开闭墙对充填体不同部位取样测试强度，强度在6.9～7.6 MPa 之间，充填体较为均质稳定，表明管路输送系统设计合理，浆液以稳定形态进入空巷内。

（1）对于盈盛煤业超大体积底板空巷，传统的井下泵站充填方式效率过低，设计了一套地面制浆充填系统，充填能力设计为60 m3/h。

（2）地面制浆设备系统由储料仓、上料系统、称重装置、高速搅拌装置、储浆装置5 个部分组成，通过自动化控制系统实现实时监测和自动控制。

（3）效果考察表明，实际充填方量7654 m³，纯充填用时30 d，平均255 m³/d，充填效率极高，是井下泵站充填方式的10 倍以上。进行浆液定时取样质量浓度检测和充填体取样强度测试，发现质量浓度和强度稳定、均匀，表明自动系统水料配比稳定，管路输送系统设计满足要求。