长城五矿连采连充自流充填工艺设计

于 涛，王 壮，刘 洋，董承洪，聂根磊

(1.山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590；2.山东能源新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰 271200；3.山东新特机械设备有限责任公司，山东 新泰 271200)

我国“三下”压煤储量130余亿t，其中建筑物下压煤占60%，铁路下压煤占12%，水体下压煤占28%。为保护地表环境，充填开采是解决“三下”压煤问题最有效的方法[1]。目前的充填采煤法中[2-4]，废矸石充填法的充填强度较低，难以达到企业要求；水砂充填法输送浆体的质量浓度较低，且用水量大；尾砂充填法易对环境造成危害；膏体充填需要布置充填泵，增加了设备成本；超高水充填法中充填材料成本高且工艺流程较复杂；短壁矸石胶结连采连充采煤法成本较低，充填效率高，地面变形小。连采连充采煤法实现了完全不垮落化开采，从而更好的保护了生态环境[5]；保证了采充的平行作业，使生产更加高效化[6]；提高了资源回收率高。若干专家学者针对连采连充技术做了研究与实验。山东科技大学张新国[7]提出了短壁连采连充的开采方法，对短壁连采连充设计方法、充填材料、充填工艺、围岩控制理论、充填效果等进行了系统研究。蒋红军[8]采用数值模拟法分析了连采连充充填采煤工艺对地表建构筑物的影响。刘乐平[5]通过数据分析得出了适宜新汶煤田区域采用连采连充开采技术的地表变形计算参数。张志勇[9]等人提出了矸石胶结连采连充技术，论证了连采连充技术在近距离煤层群中应用的可行性。马立强[10]等人针对极薄阻隔层条件下保水采煤难题，提出了一种壁式布置、负压通风和全采充填的连采连充保水采煤技术。马云龙[11]在前湾煤矿工业广场下进行了连采连充工业性试验，设计了支巷掘进、副巷出煤充填、间隔跳采、全部回收的开采方式。内蒙古长城五矿建筑物下煤炭资源丰富，为对其进行绿色、安全、高效释放[12]，该矿拟采用连采连充采煤法，来解决“三下”压煤开采问题。

1 工程概况

长城五矿位于内蒙古鄂托克前旗上海庙矿区西南部。井田面积13.93km2，设计生产能力180万t/a，开拓方式为立井多水平开拓，一水平标高+590m，二水平标高+230m，中央并列抽出式通风。矿井可采煤层共有8层，9-2煤层为主采煤层。长城五矿充填开采工作面布置在9-2煤，位于太原组下部，层位稳定，井田内广泛分布。工作面全区可采面积8.54km2，回采率95%，煤层厚度1.22～4.65m，平均厚度3.35m，平均可采厚度2.74m，属中厚煤层，有0～5层夹矸，结构较简单，厚度变化小。顶板疏松为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、中细砂岩，底板为细砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩。该煤层在平面上总体变化是沿倾向方向厚度变薄，走向上向北厚度变薄，向南厚度变厚。

2 连采连充采煤工艺

连采连充工艺实现了开采与充填在不同支巷的同步进行，相较于传统的煤矿充填开采提高了生产效率；同时对同一支巷而言，对开采与充填工作进行了隔离。连采连充采煤法工艺流程分为五个步骤：

1)布置工作面。首先在9-2煤掘出运输巷道、回风巷道，然后在采煤区段边部掘出切眼，最后将整个采煤区划分成多个生产单元，每个单元设七条支巷，支巷坡度16°，长度80m/条，巷宽3.3m，相邻支巷间设有4m宽的煤柱[13]。

2)确定开采顺序。对不同单元采用隔采的方式，即按次序开采完奇数单元后开采偶数单元。

3)连采与连充。第一支巷的充填与第三支巷的开采同步，第三支巷的充填与第五支巷的开采同步。以此类推采、充完所有奇数支巷。随后用同样的方法对偶数支巷进行开采和充填，至此完成了整个单元的煤矿开采与充填工作。

4)按照确定的单元开采顺序和支巷开采方法，完成所有单元的开采与充填工作。

5)回采煤柱。待所有单元充填体稳定后，对煤柱进行开采[14]。稳定后的充填体抗压强度为3.12MPa。

3 自流充填工艺设计

本自流充填工艺包括制浆工艺和输矸工艺两部分，两套系统相互独立，如图1所示。水泥、粉煤灰、水按照1∶1∶3.5比例进行配比后制成浆液，同时以30mm以下的矸石为主料[15]，在井下充填工作面处与浆液进行“泥石流”式混合后形成矸石浆，充填口处矸石浆流速为3.5m/s，流量为120m3/h。由于充填工作面支巷设计坡度16°，在重力作用下浆体冲推矸石颗粒，从支巷上口向已采封闭巷道进行封闭式自流漫灌，利用行走式喷射机[16]在充填口处完成上三角封堵，确保实现密实充填。采场充填通过适当提高矸石浆浓度、保证充填工作的连续性和充填前后及时排放巷道积水，减少离析沉降现象的发生。

图1 自流充填工艺流程

3.1 制浆工艺设计

制浆工艺流程如图2所示，充填工作开始后，钢筒仓中的水泥与粉煤灰通过螺旋输送机进入称重斗[17]，当称重数值达到设定值的90%时，变频器控制螺旋输送机逐渐降低给料速度，达到设定值后完全停止，称重料斗下方的气动阀门打开，水泥与粉煤灰被输送到高速涡流制浆机中；清水被泵送至制浆机，供水管装有电磁流量计和供水阀门，当输水量达到设定值的90%时，控制系统会减小供水阀开度，达到设定值之后完全关闭。

图2 制浆工艺流程

水泥、粉煤灰、清水在高速涡流制浆机中经搅拌后，形成一定浓度的浆液，达到搅拌设定时间后制浆机下方的放浆阀门打开，将浆液输送到缓冲罐中进行低速搅拌，缓冲罐中浆液的液位高度达到设定值后，缓冲罐下方的放浆阀门打开，浆液通过输浆管道自流输送到充填工作面。输浆管道选取高猛钢管，材质M16，外径140mm，钢管壁厚10mm，管道垂深366m，管道总长不超过2100m。整个制浆过程共计用时约150s，其中上料20～30s，搅拌60s，浆液输送60s。制浆工艺年灌浆量约20万m3。

制浆过程中，充填材料配比、搅拌时间、浆体浓度等由计算机控制系统进行参数设定。制浆工艺采用全自动化生产模式，基于C#编程语言的计算机控制系统能实现整站配料、制浆、搅拌、输送、注浆的全自动控制，无需人工干预[18]。控制系统通过电磁流量计、雷达料位计等传感器的信息反馈[19，20]，随时监测并记录包括管路流量、压力、水池液面、浆池液面，水泥仓料位在内的设备运行参数，然后将这些数据进行可视化图像处理，使操作者可以及时、直观的对系统运行状态进行掌握。后台程序可根据记录形成日报，月报，年报，为后期分析注浆和充填效果，以及设备维护提供数据支持。人机界面选用Measurement Studio进行搭建。

3.2 输矸工艺设计

矸石的输送包括地面输送与井下输送两部分。地面矸石的输送：铲车将矸石仓中的矸石输送到给煤机里，再由给煤机将矸石输送到地面带式运输机的进料胶带部分。进料皮带先将矸石运输到滚轴筛上，然后送料胶带将30mm以下的矸石运送到输矸立管中。井下矸石的输送：输矸立管下部设有存矸的缓冲钢仓，矸石经钢仓出口到达井下带式输送机，后被送至抛矸机，抛矸机将矸石送至充填工作面。输矸工艺如图3所示。

图3 输矸工艺流程

3.3 自流充填工艺系统的设计与应用

自流充填工艺系统总体布局设计如图4所示。

1—螺旋输送机；2—钢筒仓；3—水池；4—高速涡流制浆机；5—称重料斗；6—缓冲罐；7—输浆管道；8—矸石仓；9—进料胶带；10—滚轴筛；11—破碎机；12—送料胶带；13—输矸立管；14—缓冲钢仓；15—井下带式输送机；16—抛矸机

高速涡流制浆机在充填工作中属于核心设备，其性能直接影响着最后的充填效果。高速涡流制浆机的具体设计参数见表1，高速涡流制浆机结构如图5所示。

1—电动机；2—带轮；3—胶带；4—轴承座(深沟球轴承)；5—中部轴承室(推力球轴承)；6—进料口；7—罐体；8—搅拌轴；9—搅拌叶轮套筒；10—搅拌叶轮；11—出浆口；12—支撑架；13—橡胶垫；14—进水口

表1 高速涡流制浆机设计参数

对所有设备进行设计选型后，在长城五矿生产现场进行组装与调试，充填工艺系统如图6所示。

1—钢筒仓；2—称重料斗；3—控制台；4—蓄水池；5—缓冲罐；6—高速涡流制浆机；7—螺旋输送机；8—进料胶带；9—滚轴筛；10—破碎机；11—送料胶带

4 充填效果分析

充填材料包括水泥、粉煤灰、水、矸石，为保证充填质量，水泥、粉煤灰与矸石比例设定为1∶1∶6，制成的水泥-粉煤灰浆体质量浓度设定为36%，混合后的矸石浆质量浓度为70%。为了解充填效果，在井下-366水平大巷进行了顶板位移补充性监测，测站主要布设在充填工作面上方岩巷内。统计期内井下测站数据见表2，观测时间为2019年8月21日—2020年3月11日，工作面支巷在12月20日进行了回采。

表2 连采连充充填工作面井下岩移下沉值观测统计

通过统计发现检测的水平大巷内测站最大沉降量为394mm，井下观测周期内最大沉降时间发生在12月23日—12月28日，后期随着充填工作的进行，井下水平大巷监测的顶板位移逐渐减小并趋于稳定。充填后井下工作面支护情况良好，围岩无较大变形。经过近一年的充填开采，本自流充填工艺系统在连续充填作业中运行稳定，井下围岩及地表变形控制在允许范围内，实现了安全环保密实充填开采，不论是充填的效率和质量均满足矿井生产需求。

5 结 论

1)阐述了连采连充采煤法的技术步骤，详细设计了自流充填工艺流程，在输浆管道、充填支巷中实现了“自流”。

2)设计了连采连充自流充填系统，并在长城五矿完成了调试运行和充填效果分析，证明了连采连充工艺在长城五矿充填开采中是完全可行的，为有关连采连充设备的设计与应用提供了有价值的参考；计算机控制系统实现了制浆站的全自动化生产和运行状况的界面可视化，为其他矿区制浆站的自动化升级提供参考。

3)长城五矿连采连充自流充填工艺消耗了大量地面矸石，解放了建筑物下煤炭资源，经济性好、社会效益明显，对解决“三下”压煤具有指导意义。