【導(dǎo)讀】冀中能源峰峰集團新三礦。建下壓煤矸石充填開采方案設(shè)計

　　

【正文】 重 ) 稱重皮帶機（三條） ~ 0~ 皮帶輸送機 (三條 ) 皮帶輸送機 運輸車 煤矸石 棒條篩 振動篩 倉Ⅰ 倉 Ⅱ 倉 Ⅲ 混合料 料斗 儲料倉 水泥料倉 充填區(qū) ~80 稱重皮帶機（三條） ~ 0~ 皮帶輸送機 (三條 ) 皮帶輸送機 運輸車 煤矸石 棒條篩 振動篩 倉 Ⅰ 倉 Ⅱ 倉 Ⅲ 反擊破 反擊破 鄂破機 鄂破機 19 厚，這使設(shè)計成了一個嵌套。目前解決的唯一辦法是試算法。因為需要反復(fù)試算，所以大大降低了設(shè)計效率。通過對米賽斯公式的分析，建立了數(shù)學(xué)模型，采用一維搜索最優(yōu)化方法中的切線法，用計算機一次性計算出最合適的結(jié)果，從而克服了手工 反復(fù)試算的缺點，即保證了計算精度，又提高了設(shè)計效率。 2） 投 料管 直徑 與壁厚 的確定 管筒直徑的大小取決于兩個因素： ； 。 管筒直徑太小直接影響填料的輸送且容易堵管，過大則增加經(jīng)濟成本以及影響井底的接料。一般取大于最大通過管道粒度 3 倍為圓管直徑。 根據(jù)填料 粒徑的特點， 考慮到管道使用壽命和服務(wù)年限， 確定采用 Φ53032mm耐磨鋼管作為下料管。填充物料需求量每天約為 2150t，考慮一定的富裕系數(shù)，設(shè)計運輸能力不小于 135t/h。 3）投料管的固定 投料管的固定采用上下鋼梁支撐形 式固定，下端固定在矸石料倉內(nèi)，在料倉的頂部安裝兩根長度為 7000mm的 30工字鋼，將投料管坐落在工字鋼上進行支撐其全部重量，底部固定之后，在地面同樣采用工字鋼將投料管固定，整根管道采用焊接連接。 4）鉆孔外套管設(shè)計 鉆孔外套管選用 ? 63012mm 的無縫鋼管（或螺旋鋼管），在進行鉆孔施工時，邊施工邊下管， 目前的施工技術(shù)水平可以達到 50m/月 ～ 60m/月鉆深。 外套管安裝固定之后，在管道中間安裝下料管，兩層管道之間的縫隙不允許加任何填充物，為以后更換下料管提 供方便。 （ 3）儲料倉設(shè)計 1） 儲料倉尺寸設(shè)計 根據(jù)填充需求考慮填充物料采用空投方式入倉，現(xiàn)設(shè)計能儲料在 400t以上的儲料倉，現(xiàn)取井下儲料倉容積為 300 m3。從井筒掘進實際情況考慮，儲料倉直徑選取為 m，計算儲料倉深度為 15m。 2) 儲料倉清理裝置設(shè)計 由于充填物料含有一定的水分并有可能儲存，且儲料倉容量較大，因此儲料倉容易發(fā)生堵倉現(xiàn)象，嚴重影響了充填開采順利進行 ， 為此在儲料倉下部安設(shè)了快速起閉裝置。 快速起閉清理裝置的工作原理為：由儲料倉下部的儲氣罐存儲一定的高壓空氣，當儲料倉發(fā)生堵倉現(xiàn)象時，儲氣罐內(nèi) 的高壓風(fēng)通過風(fēng)包和管路以吹向堵倉部位，擁堵部位20 的物料在高壓氣流的沖擊下發(fā)生松動，最終得到清理。 （ 4）投料系統(tǒng)沖擊力分析及緩沖裝置設(shè)計 矸石與水泥充填材料是從地面通過投料井直接投到井底的，較大的投料高度會導(dǎo)致充填材料到達井底時的沖擊力很大。為了防治沖擊力過大而造成設(shè)備的損壞等安全問題，擬定在井下儲料倉上部設(shè)置緩沖裝置以減小充填材料投到儲料倉中的沖擊力。 ① 沖擊力分析 緩沖裝置的設(shè)計是以物料下落的沖擊力為基礎(chǔ)的，因此沖擊力的分析對緩沖裝置材料的選取以及外形的設(shè)計至關(guān)重要。受力分析過程為充填物料直接由地面投到井 下，考慮到充填物料經(jīng)投料管落到緩沖裝置上是個連續(xù)的過程，因此運用動量守恒原理對物料落到緩沖裝置上時所產(chǎn)生的沖擊力進行計算分析。 根據(jù)自由落體以及功能轉(zhuǎn)化的相關(guān)知識原理，即 2211122M v M gH M v?? （ 34） 212v gH v?? （ 35） 式中， g－當?shù)刂亓铀俣龋?m/s2； H－投料高度，也即投料管長度， m； v－物料下落到工作面的瞬時速度， m/s； v1－物料下落的初速度，也即傳動帶的速度， m/s。 0m v m F t? ? ? ? ? （ 36） m=Qt （ 37） 式中： F－物料與緩沖裝置發(fā)生碰撞時的沖擊力； m－投入的充填材料質(zhì)量； Q－投料速度 將式（ 35）、（ 36）代入式（ 37）中，消去 t，可以得沖擊力： 212F Q gH v?? （ 38） 將 m/s21?v ， Q=135 t/h， g= m/s2， H=425 m帶入式（ 38）中，得到物料由井口投入到達工作面時的速度 v 為 m/s，沖擊力 F 為 kN，相當于 t 重物的壓力。由于投料過程中還伴有空氣阻力的作用，因此以上所計算的沖擊力以及壓應(yīng)力均為最大值。投料井的主要技術(shù)參數(shù)見表 37。 21 表 37 投料井設(shè)計相關(guān)參數(shù) 參 數(shù) 項 參 數(shù) 值 參 數(shù) 項 參 數(shù) 值 投料井井深 /m 440 投料速度 /（ t/h） 135 投料井高度 /m 425 投料井直徑 /m 儲料倉高度 /m 15 最大速度 /（ m/s） 儲料倉直徑 /m 5 儲料倉上口沖擊力 /t ② 緩沖裝置設(shè)計 根據(jù)落料程度和沖擊力分析情況，設(shè)計緩沖器樣式為 “傘形 ”（如圖 32 所示），即充填料下落的直接接觸面為錐形面。緩沖器由鑄鋼傘架、導(dǎo)向桿、緩沖彈簧組和底座成，經(jīng)現(xiàn)場試驗，該設(shè)施可以承載充填料落下的沖擊力。 同時，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的滿倉報警系統(tǒng)、堵倉清理系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)等投料系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，以確保投料系統(tǒng)的可靠性。 圖 32 投料鉆孔示意圖 工作面架后膏體充填 方案設(shè)計 膏體充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料和水等四種物料，充填的過程是一個先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料和水等四種物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面，充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區(qū)空間的過程，整個充填工藝的流程 可 劃分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、充填體構(gòu)筑等四個基本環(huán)節(jié)。 22 矸石破碎加工子系統(tǒng) （ 1）膏體充填對矸石破碎加工的要求 有關(guān)膏體充填材料配比 實驗表明，矸石作為膏體充填的骨料，需要有合理的粒級組成，才能夠使膏體充填材料既具有良好的流動性能，又具有較高的強度性能，為此對矸石破碎加工有以下要求： （ i）最大粒度小于 25mm； （ ii）小于 5mm顆粒所占比例 38%左右，最少不低于 30%，最高不大于 50%。 破碎加工以后要能夠滿足上述要求，一般是按照 5mm、 5～ 25mm 兩種規(guī)格分級、分別存儲，然后再按設(shè)計比例配合使用?？紤]到充填材料允許矸石粗細顆粒比例變化范圍較大，為了簡化矸石破碎系統(tǒng)，節(jié)省投資，矸石只按 25mm一種規(guī)格加工，加工出來的矸石中需要控制 的 5mm顆粒比例通過調(diào)節(jié)破碎機出料口大小，改變破碎矸石中 5mm比例來保證，具體調(diào)節(jié)辦法，在破碎機安裝調(diào)試期間測定出料口大小與出料中 5mm 顆粒比重確定。另外，要求裝載機司機裝料石發(fā)現(xiàn)大塊顆粒比較集中時，與附近的顆粒較小的矸石搭配使用，為控制矸石粒級創(chuàng)造更好條件。 （ 2）破碎機型式選擇 矸石從最大粒度 300mm 破碎加工到最大粒度 25mm 以下，需要破碎機的破碎比達到 12 以上，如果考慮必要時通過破碎機調(diào)節(jié) 5mm 顆粒與 5～ 25mm 顆粒的需要，破碎比將達到 20 左右。 常用的破碎機械有顎式破碎機、旋回破碎機、圓錐 式破碎機、輥式破碎機、錘式破碎機和反擊式破碎機等幾種。相比較，顎式破碎機、旋回破碎機、圓錐式破碎機、輥式破碎機等破碎比很難達到 20，需要采用二級破碎才能達到要求，錘式破碎機和反擊式破碎機的破碎比大，一般能夠達到 10～ 30，甚至達到 50，有條件采用一級破碎達到要求。進一步比較錘式破碎機和反擊式破碎機，錘式破碎機一般有篦條，在破碎濕度較大或含粘土的物料時容易堵塞，而反擊式破碎機沒有篦條，對濕度較大或含粘土的物料有較好的適應(yīng)性，所以新三礦充填站矸石破碎選擇反擊式破碎機。 另外，由于矸石中 25mm 顆粒比重大，在進 入破碎機前先用振動篩進行篩分，避免已經(jīng)滿足要求的 25mm顆粒進行不必要的破碎，降低破碎能耗，也有利于降低破碎加工成本。 （ 3）矸石破碎加工工藝過程 經(jīng)過調(diào)查比較，推薦充填站矸石破碎加工工藝見圖 33。 23 輸送機分料器前裝車給料機喂料斗輸送機輸送機緩沖斗給料機皮帶秤輸送機緩沖斗給料機皮帶秤給料機稱量斗給料機散裝車圓筒倉散裝車圓筒倉稱量斗粉煤灰給料機稱量斗散裝車圓筒倉給料機散裝車圓筒倉稱量斗攪拌機 攪拌機料漿斗充填泵 充填泵地面管鉆孔管井下管工 作 面 管充填點三 通 管 閥水 池水 泵稱量斗水 泵稱量斗堆料場輸送機振動篩25 mm輸送機振動篩破碎機25 mm25 mm25 mm膠結(jié)料30 0 mm給料機煤矸石前裝車 喂料斗輸送機 水膠結(jié)料 粉煤灰輸送機輸送機配料倉 圖 33 某礦膏體充 填工藝流程 24 配比攪拌子系統(tǒng) （ 1）設(shè)備配套方案 配比攪拌子系統(tǒng)設(shè)備配套有二種設(shè)計方案，一是一用一備，二是并行工作。二種方案相比較，雖均為兩套設(shè)備，但是，一用一備方案所需要設(shè)備能力要求比并行工作方案的大一倍，設(shè) 備投入費用高，并行工作方案設(shè)備投入費用少，雖然一臺設(shè)備出現(xiàn)故障以后，充填系統(tǒng)能力要降低，但是，在設(shè)備正常維護情況下，工作過程中絕大多數(shù)故障都能夠在較短時間內(nèi)排除，短時充填系統(tǒng)的能力降低一般不會影響充填工作，保證充填系統(tǒng)能夠連續(xù)運行的關(guān)鍵是防止堵管事故的發(fā)生，這一點兩個方案都同樣具有保障，所以膏體充填系統(tǒng)優(yōu)先選擇并行工作方案。 （ 2）攪拌機選型 充填 采用的主要集料為煤矸石，煤矸石最大粒徑為 25mm，目前可供選擇的攪拌設(shè)備有連續(xù)式混凝土攪拌機與間隙式混凝土攪拌機。采用連續(xù)式攪拌機，由于各環(huán)節(jié)設(shè)備都是連續(xù)運轉(zhuǎn)，沒 有等待時間，設(shè)備能力配置相對較小，投資相對較低，但是連續(xù)式攪拌需要膏體充填所用的矸石、粉煤灰、膠結(jié)料、水等材料全都連續(xù)計量與之相匹配，屬于動態(tài)計量，配比只能滯后調(diào)整，已經(jīng)有問題的配比一般難以改變。間隙式攪拌機，物料配比分次進行，屬于靜態(tài)計量，精度較高、容易保證，每一次攪拌配料都可以檢查監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題可以及時修正，容易保證膏體料漿質(zhì)量，對管路輸送安全十分有利，不易發(fā)生堵管事故。 膏體充填采用間歇式攪拌方式。 （ 3）配比攪拌工藝 矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和水在使用前儲存方式是：破碎加工好的矸石存放在矸石配料倉，粉煤 灰、膠結(jié)料分別存放在各自的圓筒倉內(nèi)，水存在蓄水池內(nèi)。 配比攪拌工藝過程分四步： 第一步，稱料。充填四種材料稱料同時進行，其中，矸石配料倉下設(shè)置四個放料閘門，每二個服務(wù)一臺攪拌機，配料開始時四個放料閘門都打開，將矸石放入稱量皮帶，當矸石加量快達到設(shè)計值時，每條計量皮帶只留一個閘門放料，直到達到設(shè)計值，完成矸石稱料，然后開動稱量皮帶和矸石上料覆式皮帶，將稱好的矸石送到充填樓矸石緩沖斗；粉煤灰、膠結(jié)料則通過螺旋給料機向各自的稱量斗中加料，水則通過水泵從水池向稱量斗內(nèi)供水計量，達到設(shè)計值即停止計量。 第二步，投料 。在確定攪拌機的放漿口關(guān)閉，攪拌機處于空機狀態(tài)，同時打開稱量25 斗和矸石緩沖斗將稱好的四種材料快速投入攪拌機內(nèi)。投完料后隨即關(guān)閉各稱量斗和矸石緩沖斗閘門。 第三步，攪拌。膏體充填材料中膠結(jié)料用量少，需要比一般混凝土更長的攪拌時間才能夠制成質(zhì)量良好的膏體漿液。 第四步，放漿。當攪拌時間達到 設(shè)計值后 ，將攪拌機放漿口打開，把拌制好的膏體漿液放入料漿斗，供充填泵輸送下井。料漿放完以后，隨即關(guān)閉好放漿門。 為了提高系統(tǒng)制漿能力，在投料完成以后，即進行下一循環(huán)稱料工作，上一罐料攪拌機拌好前，下一循環(huán)已經(jīng)準備好，如此不斷循環(huán) ，直到設(shè)計任務(wù)全部完成。 管道泵送子系統(tǒng) 膏體充填料漿采用專用充填泵加壓管道輸送。 圖 34 膏體充填泵送系統(tǒng) 在充填系統(tǒng)中，攪拌機攪拌好的料漿先放入漿體緩沖斗，漿體緩沖斗靠漿體自重給充填泵供料，經(jīng)過充填泵加壓后的充填料漿通過管道，由充填站附近的充填鉆孔下井，再沿巷道管道輸送到充填工作面，在充填工作面采用膠管閥布料、控制采空區(qū)充填順序。 為了避免因為充填泵發(fā)生故障等原因造成嚴重管道堵塞事故，在地面充填站附近設(shè)立沉淀池，在充填鉆孔孔底巷道開挖事故處理水溝，充填管每隔一段距離設(shè)置三通，保證即使發(fā) 生停機等事故，也能夠快速處理，避免充填管道，特別是充填鉆孔堵塞。 充填支架與充填工作面隔離 充填材料漿液輸送到回采工作面以后，要做到及時、保質(zhì)保量完成充填任務(wù)，需要作好以下三方面工作： 一是充填空間的臨時支護，保證在充填前、充填期間和充填體能夠有效作用前的這26 段時間內(nèi)頂板（煤或巖石）保持穩(wěn)定； 二是隔離墻的設(shè)立，需要快速形成必要的封閉待充填空間，為充填創(chuàng)造盡量多的時間，避免充填料漿流失和影響工作面環(huán)境； 三是合理安排充填順序與措施，保證充填作業(yè)連續(xù)進行，