一、成果簡介
針對國內(nèi)外煤礦膠結(jié)充填開采充填站制漿能力偏低從而制約充填采煤生產(chǎn)能力，而大能力制漿裝備研發(fā)周期長的問題，提出將兩套制漿系統(tǒng)集中布置同時(shí)作業(yè)以提高充填能力；針對充填站制漿系統(tǒng)存在較多的物料向上輸送環(huán)節(jié)從而造成能耗浪費(fèi)的問題，提出將主要制漿設(shè)備布置于地下設(shè)備池，改傳統(tǒng)的運(yùn)料罐車向上打灰輸料為水平打灰輸送，大幅度減少了物料運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的能耗損失和浪費(fèi)。
該充填站設(shè)計(jì)方式打破了制漿系統(tǒng)布置在地面以上且單套設(shè)備運(yùn)行的傳統(tǒng)，提高了制漿能力、降低了制漿成本，推動(dòng)了高效低成本充填開采技術(shù)的發(fā)展。該設(shè)計(jì)在地處陜北環(huán)境脆弱區(qū)的榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填采煤技術(shù)中得到了應(yīng)用。實(shí)踐表明，充填站布置簡單緊湊，運(yùn)行順暢，充填能力達(dá)到400m3/h，是目前常規(guī)充填能力的2倍以上；充填站土建、設(shè)備投資共約4000萬元，按照同等充填能力的充填站投資折算，約降低20%~30%；每立方米充填體油耗、電費(fèi)由2.12元降至1.64元，降低23%，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
二、技術(shù)背景
充填開采是控制煤礦采動(dòng)影響、礦井廢棄物資源化利用、建設(shè)綠色生態(tài)礦山的重要技術(shù)措施，近年來在解放“三下”壓煤、實(shí)現(xiàn)保水開采、處理地面矸石山等方面發(fā)揮了突出作用，贏得了社會(huì)廣泛贊譽(yù)，是煤炭行業(yè)“十三五”規(guī)劃無害化開采中大力發(fā)展和推廣的技術(shù)之一。其中，膏體、似膏體充填開采由于充填材料強(qiáng)度高、整體性好，巖層移動(dòng)控制效果最為顯著。然而，充填采煤生產(chǎn)能力低、充填成本增加較大是影響該技術(shù)大規(guī)模推廣的主要掣肘，提高制漿能力和減少制漿過程能耗則是解決上述問題的途徑之一。
膏體充填系統(tǒng)主要包括地面充填站、輸送管路及工作面充填開采裝備。作為充填系統(tǒng)的咽喉工程，充填站將各種原材料按照設(shè)計(jì)配比配制成充填漿液的場所，主要設(shè)備包括破碎機(jī)房、輸料系統(tǒng)、充填攪拌站、控制系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、蓄水池及泵房等。目前國內(nèi)外煤礦充填站大多采用一套制漿系統(tǒng)運(yùn)行，制漿能力僅為60~150m3/h左右，最大不超過200m3/h，較小的充填能力是造成充填效率低的主要原因。
此外，充填站設(shè)備多且大部分儲(chǔ)料罐高度較高，有些罐體高度達(dá)到數(shù)十米，所有設(shè)備設(shè)施布置在地面以上，會(huì)形成較為龐大的建筑群落（如圖1和圖2所示），給安裝和檢修帶來不便和安全隱患。更重要的是，運(yùn)輸粉煤灰、水泥等粉料的罐車需要向儲(chǔ)料罐頂部打灰，骨料、水也向安裝高度較高的攪拌倉輸送，充填材料在向上輸送這一過程中造成的電力和能量損耗在制漿費(fèi)用中占了不低的比重。
三、設(shè)計(jì)方案
風(fēng)積砂似膏體充填采煤技術(shù)是針對我國西北環(huán)境脆弱礦區(qū)煤炭大規(guī)模開發(fā)與環(huán)境保護(hù)矛盾突出而開發(fā)的技術(shù)，采用的是以風(fēng)積砂為骨料的似膏體材料。充填站制漿工藝為：先向初漿罐內(nèi)注入定量的水，啟動(dòng)攪拌電機(jī)后邊攪拌邊注入粉煤灰，制成初漿；然后將初漿、輔料、水泥和風(fēng)積砂按照設(shè)定的比例同時(shí)輸入成漿罐，在攪拌器的作用下混合均勻，邊攪拌邊輸出料漿；料漿經(jīng)管路自流輸送到充填工作面。
單套制漿系統(tǒng)能力為180m3/h，其設(shè)備包括4個(gè)100m3初漿罐、1個(gè)80m3輔料罐、1個(gè)80m3水泥罐、1個(gè)16m3成漿罐、1套風(fēng)積砂篩分輸送系統(tǒng)和1套自動(dòng)化控制系統(tǒng)。充填站設(shè)計(jì)采用了大能力低能耗充填站布置新方式。
①兩套制漿系統(tǒng)集中布置同時(shí)作業(yè)提高充填能力
提高制漿能力的途徑有兩種：一是進(jìn)行大能力新制漿裝備的研發(fā)，但研發(fā)周期較長，難以盡快投入應(yīng)用；二是采用兩套制漿系統(tǒng)同時(shí)作業(yè)的方式。在當(dāng)前技術(shù)狀況下，第二種方式是大幅提高制漿能力可靠易行的方式。兩套系統(tǒng)的合理集中布置方式，可達(dá)到既節(jié)省空間又實(shí)現(xiàn)集中供料和聯(lián)合制漿的優(yōu)勢。經(jīng)過調(diào)研和多個(gè)方案的論證比較，最終采用了“對稱集中式”布置，如圖1a所示，“對稱”是指兩套系統(tǒng)以中間線相互對稱，兩系統(tǒng)作業(yè)互不干擾且美觀，“集中”是將兩系統(tǒng)中相同類型的設(shè)備放置在一起，便于集中供料、作業(yè)和管理，如，將初漿、輔料、水泥和成漿12個(gè)罐體呈環(huán)形布置，內(nèi)層為成漿罐，中間層為輔料罐和水泥罐，外層為初漿罐，該布置方式為粉料罐車向原料罐體輸料提供了較大空間，為平穩(wěn)有序作業(yè)創(chuàng)造了條件。兩個(gè)系統(tǒng)制備好的漿液分別通過成漿罐下方管路輸送至井下工作面。
②設(shè)置地下設(shè)備池利用地勢高差減少物料輸送過程能耗
為減少罐車向高大罐體頂部打灰耗能較大及管理維護(hù)過程安全性較差等問題，提出了設(shè)置地下設(shè)備池并將不同設(shè)備高低錯(cuò)落布置的方式（如圖1b所示），設(shè)備池分地面以下10m和15m兩個(gè)層次：Ⅰ、初漿罐、輔料罐、水泥罐置于地面以下10m設(shè)備池中，罐體頂部基本與地面平行，利于罐車向罐頂部打灰；Ⅱ、成漿罐置于地面以下15m的小型設(shè)備池中央，利于各原材料向成漿罐的自然輸送；Ⅲ、風(fēng)積砂系統(tǒng)的存儲(chǔ)、篩分、輸送部分由地面到地面以下10m設(shè)備池底部依次布置，篩分后的風(fēng)積砂皮帶輸送機(jī)經(jīng)走廊輸送到成漿罐。該布置方式將設(shè)備布置立體化，減少了物料輸送過程中的能耗，且方便工人安裝、維修及作業(yè)。
粉煤灰?guī)熳鳛閬砹喜患皶r(shí)情況下的備用設(shè)施，體積較大且不常用，設(shè)置于地面，非置于地下設(shè)備池中。
四、技術(shù)優(yōu)勢
與目前膏體充填站布置方式相比，本設(shè)計(jì)通過雙制漿系統(tǒng)集中布置同時(shí)作業(yè)、設(shè)置多層次地下設(shè)備池，達(dá)到提高充填能力、降低充填系統(tǒng)運(yùn)行能耗的目的，促進(jìn)高產(chǎn)能、低成本充填開采技術(shù)的發(fā)展。
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