膏体充填开采技术

1、 膏体充填开采技术是指：将煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等加工成一定级配的骨料，并按一定比例与胶结材料、水混合成为无临界流速、不需脱水的膏状浆液（膏体），在外加力（充填泵泵压）及膏体自身重力作用下通过管道输送到井下，实时充填采空区的采矿方法。 膏体充填技术要解决这几个问题： 1、要什么样的充填膏体 2、怎样制备成你需要的膏体 3、怎样按需要的量输送到需要的地点 4、怎样快速形成充填所需的封闭空间 5、怎样提高生产能力和效率 6、怎样降低充填成本 浓度高 一般膏体充填材料质量浓度大于75%，目前最高浓度达到88%，而普通水砂材料浓度低于65%。 流动状态为柱塞结构流 普通水

2、砂充填料浆管道输送过程中呈典型的两相紊流特征，管道横截面上浆体的流速为抛物线分布，从管道中心到管壁，流速逐渐由大减小为零，而膏体充填料浆在管道中基本是整体平推运动，管道横截面上的浆体基本上以相同的流速流动，称之为柱塞结构流（见下帧图）。1、柱塞流；2、水泥浆润滑层；3、水膜层；4、管壁；5、速度分布线；6、润滑层；D、管道直径；L、单位管道长度；A1、A2管道两断面；0、起始切应力；P1、P2为A1、A2断面的应力 料浆基本不沉淀、不泌水、不离析 不需要复杂的过滤排水设施，减少了胶结材料的流失，也降低凝结前对隔离装置要求，使充填工作面其他工作不受影响，充填密实度高。 无临界流速 最大颗粒粒径达

3、到25 35 mm，流速小于1 m/s 仍然能够正常输送，所以膏体充填所用的矸石等物料只要破碎加工即可，可降低材料加工费，低速输送能够减小管道磨损。 相同胶结材料用量下强度较高 可降低价格较高的胶结材料用量，降低材料成本。 膏体充填体压缩率低 膏体充填材料中固体颗粒之间的空隙由细料和水充满，一般压缩率只有1% 左右，控制地表开采沉陷效果好，“三下一上”压煤有条件得到最大限度的开采。 早强性好，初凝可控 膏体早强性好，充填数小时以后膏体充填体就具有一定强度，实现自稳，满足脱模条件，并对顶板有适当的支撑作用；膏体初凝时间可通过调整材料配比进行适当调整，以适应各种充填方法的要求。 充填材料应因地制宜

4、，就地取材。峰峰集团具有百年开采历史，历史形成18座矸石山，堆积矸石5000余万吨，每年产矸石量为380万吨，另有五座自备电厂年产生120万吨粉煤灰，因此，峰峰集团主要以煤矿矸石为膏体充填材料，将电厂粉煤灰等按一定比例与其混合，并加入特定胶结材料、添加剂而加工成的一种膏状浆体材料。 膏体充填材料具有稳定性、可塑性和流动性三大基本特性： 稳定性指它具有抵抗分层和离析的能力，是材料泵送的关键。体现在实践中，就是膏体在密闭的管道中停留数小时不沉淀、不分层、不离析，能顺利地进行输送。 可塑性是指膏体充填材料在输送或充填过程中发生变形后，其基本结构仍保持不变的能力。 流动性是指它能流动，产生的实质是膏体

5、的物料构成中有15%以上的20m细粒级含量。细粒级有很强的饱水能力，使水量能够填满膏体微细颗粒之间的空隙，起到颗粒之间的润滑作用。在实践中流动性体现为在其重力作用下能在充填空间中流动。 为高效输送矸石膏体充填材料和对覆岩有效控制，对矸石膏体充填材料有如下要求： 流动性能要求：膏体料浆的坍落度180mm。可泵送时间：不小于4h，即从加水混合以后，静置4h，仍能正常泵送，料浆无明显分层，坍落度保持在150mm以上。静置泌水率：3%5%。单轴抗压强度：810h达到0.10.2 MPa， 28d达到1015MPa。矸石最大粒径小于25mm，其中小于等于5mm部分占35%45%。破碎矸石颗粒级配将直接影

6、响膏体的流动性能，对充填体的强度产生影响。因此煤矸石的级配优化主要考虑以下两个方面：一是矸石膏体的流动性能要好，能够满足管道输送要求；二是在其它物料相同条件下，矸石膏体的早期强度（早强性）和最终龄期强度高。矸石作为膏体充填的粗骨料，一般为防止堵管和充填密实，最大粒径 25mm。煤矸石自然粒径级配变化大，对膏体的配比和流动性影响较大，因此需对煤矸石进行破碎。在满足膏体配比的前提下，破碎煤矸石的粒径级配考虑了两种规格：一是5mm煤矸石；二是525mm煤矸石。通过对两种规格的煤矸石进行实验室优化配比，初步确定出两种煤矸石的配比关系。5mm破碎煤矸石的含量在30%50%之间时，其膏体坍落度均在2025

7、cm，能够满足膏体管道泵送的需要，说明两种规格的矸石级配具有较大的选择空间。 从强度实验结果看，实验范围内5mm矸石的含量在30%50%时强度变化不大，相对而言5mm破碎煤矸石的含量33%40%左右，膏体充填材料早期强度和后期强度都相对较高。胶结料和普通硅酸盐水泥的性能对比实验结果如下图： 通过对比实验发现：胶结料早期强度高的特性明显，在60kg/m3时膏体8h龄期强度0.22MPa；胶结料用量150kg/m3时，8h龄期膏体强度1.27MPa；同样条件下使用普通硅酸盐水泥，8h龄期膏体没有强度。胶结料用量在60150kg/m3范围内，1d龄期膏体强度为同量水泥膏体的58倍，3d龄期强度为同量

8、水泥膏体的23倍，7d龄期强度为同量水泥膏体的1倍以上，用量越少，早强性能越明显。胶结料膏体的早强性对维护顶板完整，减小充填区顶板下沉量十分有利。 胶结料主要原料采用钢厂水淬渣，矸石作粗骨料，细集料采用不同矸石电厂粉煤灰，在统一坍落度为25010mm条件下，初步配比实验得到的典型结果如表351（膏体充填材料配比初步实验结果）。粉煤灰粉煤灰种类种类 配比（配比（kg/m3）质量浓度质量浓度（%）单轴抗压强度（单轴抗压强度（MPa）胶结料粉煤灰煤矸石水8h1d7d28d粉煤灰1100400770494720.00 0.11 0.280.54120400751494720.12 0.12 0.430

9、.73150400723494720.14 0.17 0.621.16粉煤灰21004001086372810.29 0.31 0.841.17粉煤灰31004001086372810.20 0.21 0.470.66表351 膏体充填材料配比初步试验结果用矸石发电厂粉煤灰作细集料，对照膏体充填材料技术要求，配比如下。（1）质量浓度控制在72%左右，配比要求：胶结料 150kg/m3；粉煤灰 400kg/m3；煤矸石 723kg/m3；水 494kg/m3。（2）当质量浓度控制在81%左右时，配比要求：胶结料 100kg/m3； 粉煤灰 400kg/m3；煤矸石 1084kg/m3； 水 37

10、2kg/m3。需要说明是不同电厂粉煤灰及煤矿矸石其矿物成分含量需要说明是不同电厂粉煤灰及煤矿矸石其矿物成分含量不同，对膏体材料固结强度影响较大，因此必须进行配比试验不同，对膏体材料固结强度影响较大，因此必须进行配比试验确定。确定。 膏体充填系统由六部分组成：1、矸石破碎系统、2、配比搅拌系统、3、膏体泵送及管路输送系统、4、风水清洗系统、5、充填系统过程控制与方案、6、工作面充填工艺 充填站分为快装式充填站和固定式充填站，快装式充填站适用于生产能力50万t/a以下充填系统，其设备能力较小，组成相对简单，其最大优势在于它的易搬移性、快装性，充填站由一系列模块组成，这些组成模块各成一体，便于拆装、

11、便于搬移，能够快速建站，除少量基础外，其余部分皆可重复利用； 固定式充填站适用于生产能力大于50万t/a的充填系统，其设备能力较大，基础设施较复杂，拆装较困难。1-充填矸石称料斗及收尘器；2-液压动力包及电机 ；3-胶带输送机 ；4- 搅拌装置；5-胶结料添加装置 ；6- 添加计量控制装置；7-充填管路；8-充填泵图四21 膏体充填站主要设备布置总图（三层）图422 充填站外观图4.1.1系统构成 为了方便系统管理，破碎系统也单独运行，在不需要充填的时候也可以安排破碎加工矸石，这时所加工出来的矸石存放在成品堆料场备用。设备种类如下：装载机；振动给料机；从振动给料机到振动筛固定通用胶带输送机；强

12、力振动筛；筛下物固定通用胶带输送机；移动胶带输送机；向矸石配料仓输送矸石的覆带式胶带输送机；从成品矸石喂料斗向矸石配料仓输送矸石的覆带式胶带输送机。4.1.2 设备选择破碎机。矸石从最大粒径300mm破碎加工到最大粒径25mm以下，一般需要破碎机的破碎比达到12以上，如果考虑破碎机调节粒径5mm颗粒与525mm颗粒比例需要，破碎比将达到20左右。 反击式破碎机的破碎比大，一般能够达到1030，甚至达到50，可采用一级破碎，没有篦条，对湿度较大或含粘土的物料有较好的适应性，因此首选反击式破碎机。 矸石破碎系统矸石破碎系统反击式破碎机反击式破碎机与强力振动筛与强力振动筛实物图实物图振动筛。振动筛需

13、要对充填所需要的矸石全量处理，根据充填材料用量的计算，筛分能力不低于设计要求。根据矸石的特点，选择QLS1560型强力振动筛。QLS型强力振动筛振幅大、振动强度大、较低频率和弹性筛面的特点，是一种适合潮湿难筛物料的筛分设备，这对于含有细粒料的原状矸石十分必要。运输：矸石山原状矸石可选择移动装载机加固定胶带输送机联合运输至喂料斗4.1.3 破碎加工工艺破碎加工工艺 矸石破碎要求。作为膏体充填骨料的矸石，需要有合理的粒级组成，才能够使膏体充填材料有良好的流动性能和较高的强度性能，破碎加工以后要能够满足上述要求：. 最大粒径25mm；.粒径5mm颗粒所占比例38%左右，最少 30%，最高 50%。

14、精确制备是按照粒径5mm和粒径在525mm之间两种规格分级、分储，然后再按设计比例配合使用。 考虑到充填材料允许矸石粒径变化范围较大，为简化矸石破碎系统，节省投资，矸石可按25mm一种规格加工，通过调节破碎机出料口大小来实现控制粒径5mm比例。 根据原状矸石堆积情况，要求装运矸石期间发现大块颗粒比较集中时，要与附近的颗粒较小的矸石搭配使用，为控制矸石粒级创造更好条件；如果矸石中粒径25mm比重大，在进入破碎机前先用振动筛进行筛分，避免已经满足要求的矸石进行不必要的破碎，也有利于降低破碎加工成本。 制作膏体料浆采用周期式双卧轴混凝土强制搅拌机，国内最大一次可以搅拌6m3的混凝土，技术成熟，设备长

15、时间连工作可靠性高。 配比搅拌系统由相同的两套设备组成，主要包括2台间隙式强制双卧轴混凝土搅拌机、矸石配料仓及其气动卸料闸门、皮带秤、胶结料仓、粉煤灰仓、胶结料螺旋给料机、粉煤灰螺旋给料机、供水泵、矸石缓冲仓、胶结料称量斗、粉煤灰称量斗、称水斗、收尘袋和料浆缓冲斗等。强制双卧轴混凝土搅拌机强制双卧轴混凝土搅拌机4 2 1 配比搅拌子系统能力配比搅拌系统设计制备膏体能力160m3/h，每台搅拌机搅拌能力为80m3/h，生产混凝土时一般搅拌机每小时可以完成5060罐，因为膏体充填材料中胶结料用量少，需要长距离管道输送，对搅拌质量的要求更高，设计搅拌时间从普通混凝土的30s提高到50s，设计小时搅拌

16、能力40罐，故要求搅拌周期为90s，每次搅拌2m3。4 2 2 配料精度要求配料精度要求 按照一般混凝土的概念，是一种“极贫”混凝土，必须按照设计的浓度，以及煤矸石、粉煤灰、胶结料的比例准确制备充填浆体，并充分混合均匀，才能够保证充填材料流动性能、凝结固化性能。根据材料配比实验，要使材料流动性能稳定，充填料浆的质量浓度变化幅度要求控制在0.5%范围内。 针对煤矸石、干粉煤灰、专用胶结料等配制充填材料方案中，导致充填料浆质量浓度波动主要有两方面原因，一是各种物料的计量误差，二是煤矸石水分检测误差。对此，进行了系统的分析，图423是质量浓度波动范围为0.5%时的物料计量允许误差与设计质量浓度之间的

17、关系； 图424则是不同质量浓度波动下煤矸石水分检测允许误差与设计浓度之间的关系。图423允许计量误差与质量浓度波动的关系图424允许水分检测误差与质量浓度波动的关系 经过对国内外水分检测仪器仪表和各种称重传感器的初步调查，综合比较确定，保证充填料浆质量浓度变化幅度在0.5%范围内，必须要求：（1）物料（煤矸石、粉煤灰、专用胶结料、水）计量允许误差1.0%；（2）水分检测允许误差0.5%。4 2 3 配比搅拌系统设备选择配比搅拌系统设备选择（1）搅拌机 按照前面介绍的膏体充填材料配比和所用物料的松散密度指标，计算出2m3膏体浆液在搅拌前的干容积为3.4m3，所选搅拌机需要同时满足这两个指标，D

18、KX2.25型混凝土搅拌机与之最吻合。DKX系列混凝土搅拌机系德国技术，由天津BHS公司生产，在国内混凝土搅拌机产品中属于一流，具有性能稳定、寿命长等优点。DKX2.25型混凝土搅拌机主要技术参数：每罐干料容积： 3.38 m3； 每罐压实混凝土体积：2.25 m3；适应物料粒径 ：040 mm；驱动系统 ：2台蜗轮蜗杆减速机；电机功率 ： 165 kW； 设备重量 ： 8 t。（2）称量皮带 矸石称料由称料皮带与称量斗配合东给静称，处于停止状态进行放料称量，计好量以后将矸石转运到皮带输送机送到充填楼三层的矸石缓冲仓，设计周期90s根据设计能力计算出皮带输送机的能力应该大于190t/h，（3）

19、胶结料螺旋给料机 胶结料螺旋给料机供料考虑两种情况的需要，一是正常充填期间的矸石粉煤灰膏体浆液配制的需要，二是充填开始和结束阶段粉煤灰膏体配制的需要，按照每次胶结料用量300kg，设计给料时间40s，胶结料螺旋输送机的输送能力大于26t/h，选择193 mm螺旋给料机，电机功率11 kW。（4）粉煤灰螺旋给料机 粉煤灰螺旋给料机供料主要按照充填开始和结束阶段粉煤灰膏体配制的需要考虑，每次需要量为1280kg，设计给料时间60s，粉煤灰螺旋输送机的输送能力大于 77t/h，选择323mm型螺旋给料机，电机功率15kW。（5）水泵 配比搅拌所需要水量以粉煤灰膏体拌制时最多，按此设计每次需要水量为1

20、280kg，水的供给由水泵从蓄水池泵送，输送距离150m左右，每次加水时间设计为60s水泵的排量应不低于77m3/h，考虑取水管内径为D=100mm，充填楼三层称水斗位置与蓄水池高差12m，管道中水的平均流速2.7m/s，输送压力损失约为12mH2O，考虑蓄水池吸水扬程，需要水泵总扬程为约30m，以此选择IS100-80-160型单级单吸离心清水泵，性能参数为：流量100m3/h，扬程32m，功率18.5kW。（6）粉煤灰仓与胶结料仓 膏体充填开采所需的粉煤灰选用干粉煤灰，与胶结料均是细粉状材料，均采用粉体散装运输车运输，圆筒钢板仓存储。 所用粉煤灰主要是来自自发电厂，距离较近，来源可靠，粉煤

21、灰仓总容量储备2d时间充填的需要量，计算量为390516t，合488645m3，取600m3，即设置2个300m3粉煤灰仓。 胶结料由峰峰集团公司自己组织生产，从生产厂到矿充填站距离近、且用量较少，按3d时间充填的需要量考虑胶结料仓总容量，计算量为194232t，合149178m3，取200m3，即设置2个100m3胶结仓。 膏体料浆满足可泵的基本条件：（1）必须是稳定性好的饱和性膏体。高质量的膏体在管道运动中呈“柱塞”流，阻力较小，膏体中的固体颗粒不会发生相对运动，并在泵送过程中保持结构流状态，不失水、不失浆、不离析、不沉积。（2）有良好的流动性，管道输送摩擦阻力要小。国内外试验数据表明，以

22、150mm通用管径计算，每米摩擦阻力以50100Pa较为合理。膏体料浆满足可泵的基本条件（3）泵压过程中不允许产生离析现象。膏体充填料的离析必然导致沉积，而沉积的结果就是管道堵塞事故。因此，对充填料及其配比要合理选择，并应进行常压及高压下的泌水试验。对添加粗骨料的膏体更应特别注意启动时的润滑导流，结束时的清洗方法，沿程输送时的管件变化。（4）膏体中必须有一定的细颗粒含量。保持膏体固体含量中的-20m不得少于15。这一条是各国专家学者公认的可泵送膏体的准则。我们的经验是保持2035较好，因为-20m含量过高，不仅过滤脱水困难，管输阻力也大。（5）膏体制备质量要稳定。浓度、塌落度、粒度配比、泌水性

23、等主要参数不能波动幅度过大，并且稳定性(不离析、不失浆、不泌水)要稳定。否则，难以保证系统稳定运行。 1、膏体泵送及管路输送系统由充填泵机组、充填管、沉淀池、控制阀等组成。 2、充填泵选型 充填泵由两大部分组成： 双缸活塞泵和液压站。双缸活塞泵由料斗、液压缸及活塞、输送缸(膏体缸)、换向阀(分配阀)、冷却槽以及搅拌槽等组成。液压站主要有电动机、多组液压泵及液压管路系统(与缸体各动作部件用高压油管相连)、液压油箱及冷却系统、动力及电控操作系统等。膏体泵送及管路输送系统设备设施组成及充填泵选型 充填泵的运转由液压驱动。液压装置的电机带动液压油泵，使液压油油压升高，通过液压油管连接到泵的各有关部位，

24、带动泵的运转。膏体充填料在管道中的流速取决于液压活塞往复运动的频率。当活塞推动膏体流动一个行程期间的膏体流速是一定的。 目前，专门生产充填用工业泵的厂家国外主要有德国的普茨迈斯特公司和施维英公司，国内主要有中联重工、三一重工、飞翼股份等厂家，目前充填泵最大充填能力已达到400m3/h。 普茨迈斯特公司和施维英公司生产的充填泵参数如表飞翼股份研制生产的几种活塞式工业泵产品参数如表 。厂厂 家家普茨迈斯特普茨迈斯特施维英施维英型 号KOS 25100 HPKSP220V电机功率 /kW22502250最大输送量 /m3/h150150最高泵送压力 /MPa1010最大输送量时泵送压力 /MPa8.

25、58.5活塞冲程 /mm25003100泵送缸直径 /mm360300冲程容积 /L254.3219.0泵出口管径/mm250150最大冲程数 /次/min10.912.7最短冲程时间 /s5.54.7长宽高 /mm750017001500950013001300重量（不包括动力系统）/kg80006000表四31普茨迈斯特公司和施维英公司生产的充填泵参数型型 号号HGBSHGBS400.12.400.12.12601260HGBSHGBS200.14.200.14.800800HGBSHGBS150.15.150.15.500500HGBSHGBS120.15.120.15.320320HG

26、BSHGBS100.15.100.15.320320HGBSHGBS100.12.100.12.250250HGBSHGBS80.16.280.16.22020HGBSHGBS80.18.380.18.32020最大出口压力（MPa）12.514.214.211.516.617.6最大排量（m3/h）3951931431209710878.275.2泵送物料尾矿砂、粉煤灰膏体、煤矸石膏体、混凝土等功率（kW）630630400400250250160160160160125125110110160160外形尺寸(长宽高，mm)工作部分114002353184590552103158078552

27、1031580785521031580705821031580686016851532655016851532705821031580动力部分500027502195500027502195460027502195425027502195410020622174325016002106320016502128425020621770电控柜48005002200360050022002400500220024005002200200050012002400500200024005002200总质量(kg)工作部分1650010500975097509350578552009250动力部分8500

28、+85008550705070005150380021004850电控柜800600400表飞翼股份研制生产的几种活塞式工业泵产品参数 膏体充填料浆采用专用充填泵加压管道输送。在充填系统中，搅拌机搅拌好的料浆先放入浆体缓冲斗，浆体靠自重给充填泵供料，经过充填泵加压后的充填料浆通过管路，由充填站附近的充填钻孔下井，再沿巷道管道输送到充填工作面，在充填工作面采用胶管阀布料管、控制采空区充填顺序。 充填管路布置：（1）充填站到充填钻孔之间管道布置。从充填站到充填钻孔之间的管道一般直管长度取6m，弯头半径取1.5m。为了方便事故处理，每隔5根左右的直管，布置一个带盲板的三通，以便应急处理堵管。管道泵送

29、操作要点管道泵送操作要点（2）充填钻孔管。钻孔套管一般选用无缝钢管，采用焊接方式连接。（3）井下干线管。井下干线管指从充填钻孔孔底到工作面入口前的充填管，其规格与地面充填管相同。（4）工作面支管。为了实现工作面随支架整体前移，工作面管选择钢编管，沿工作面每隔15m左右布置一个三通，向待充填空间布置一个布料管，布料管的充填采用胶管阀控制。 为避免因充填泵发生故障等原因造成严重管道堵塞事故，在地面充填站附近设立沉淀池，在充填钻孔孔底巷道处开挖事故处理水沟，充填管每隔一段距离设置三通，保证发生意外停机等事故时，能够快速处理，避免充填管，特别是充填钻孔堵塞。 泵送过程与控制： 充填泵泵送分充填料浆和清

30、水两种介质，在输送管道中有四种情况，即完全充填料浆、完全清水、灰浆推水、水推灰浆，充填泵的泵送过程控制的目的是保持泵送速度与搅拌机拌料的速度协调一致，维持泵送系统的连续作业，控制每班充填量。泵送流量的控制以泵送流量计、料浆缓冲仓的料位计等检测仪器观测数据为标准，采用电动调节充填泵泵送油路单向调节阀来实现。 泵送充填工艺中应重点注意的问题：泵送充填工艺中应重点注意的问题：（1）满管输送是膏体泵送充填工艺希望达到的要求，但是在深矿井条件下有时会出现不满管，如当垂直管段较长，而井下水平段又较短时，垂直段不能满管，则膏体充填料将在泵压下断续下落。尽量提高膏体的泵送浓度；加大泵送尽量提高膏体的泵送浓度；

31、加大泵送流量，即提高流速；流量，即提高流速；（2）启动充填泵是向下泵送膏体充填料的技术难点。先用水将井下水平管和钻孔充满，电动门阀在开泵前关闭，让水和膏体充满钻孔后再慢慢打开。（3）膏体泵送管路在充填作业完成前后应注意清洗。一旦清洗效果不好，将造成下一次充填时发生堵管事故。 泵送充填操作时应重点注意的问题 （1）开始泵送时要注意观察泵的压力和各部分运转情况，速度宜慢，操作工应处于可随时采取加速、反抽、停泵等措施的准备状态。 （2）泵送要连续，尽量不要中途停泵，遇有不正常情况，可放慢泵速，尽量保持连续泵送。 （3）泵送过程中要定时检查活塞冲程，不使其超过最大冲程。为防止油缸不均匀磨损，应采用较长

32、冲程的泵； （4）在泵送过程中应注意料斗内至少要保持料面不低于上口500mm，否则不但吸入效率低，而且易吸入空气形成堵塞。由于充填泵送能力的限制，充填能力远低于采煤生产能力。作为膏体充填采煤主要工序充填时间占总循环用时的13以上，是发展瓶颈。本项目以双泵并联方法研究多泵并联高效自动化膏体充填采煤技术，就是要大幅度提高膏体充填系统的泵送能力，从而彻底解决了制约膏体充填开采产能偏低的瓶颈问题。传统膏体泵送是两台泵交叉工作，一台运行，另一台备用。而双泵并联膏体泵送是两台泵同时工作，各泵的充填管路在经过一定的安全距离后，相互合流成一条总充填管路，将膏体料浆输送到井下采空区，达到泵送能力倍增的目的，下帧

33、双泵并联实景图片。双泵并联的条件是泵的运行相互不受干扰，那就必须要找到这样一个符合要求的最佳合流点。管道泵送中的双泵并联关键技术管道泵送中的双泵并联关键技术双泵并联实景图片双泵并联实景图片 管路布置与管道内压力分布：地面充填泵钻孔口，向上或水平输送压力逐步降低；当向下输送时，阻力大于下滑力压力逐步降低。下滑力大于阻力压力逐步升高，如没有局部高阻力会一直升压到钻孔底。钻孔管由于垂直自上而下压力升高。钻孔底出口情形类似泵钻孔口段。 （1）双泵并联膏体充填管路合流点的研究 最佳合流点条件为：距泵有一定距离，在系统中压头较低，合流后压力应继续降低。现场实践研究表明：两台泵的相互干扰随着到合流点距离的增

34、大而逐渐减小。合流点水平距离大于100m时，两泵相互干扰忽略不计。因膏体力的传递特性介于固体和流体之间，有明显的方向性，其塌落度越小，方向性越强。所以合流管路结构为小角度锐角并联结构及向低压汇流，最大程度的减小向另一侧的压力传递，膏体输送管路合流点位置和结构如图。图膏体输送管路合流点位置和结构（2）双泵并联运行最佳工况的确定一台充填泵的灰色 性能曲线，两台相同充 填泵并联的红色性能曲 线。与充填管路性能曲线1-4相交区就是双泵并 联的虚拟泵的最大工况点。泵性能曲线左下方沿线区域为高效区。通过监测泵的压力和功率，自动调整流量，使两台并联工作的泵始终在高效区工作，双泵并联运行的工况分析图如左。 研

35、究结果表明：膏体在输送过程中固化反应一直在发生，只是泵送加压的扰动固化速度较慢，膏体一旦在管道中静止沉降固化速度会明显加快，静止一段时间再启动阻力明显增大，甚至无法启动形成堵管。实现泵送持续工作才能保证充填管路输送的可靠，提高工作效率。 两台充填泵并联运行工作比两台泵一运一备工况更稳定；一台泵的可靠度为1，另一台泵的可靠度为2，则并联运行的可靠度：=1-（1-1）*（1-2），两台一样的泵工作时相互独立，1=2=0.95，可得出双泵并联运行可靠度=0.9975，该系统可靠度显著增加。 膏体充填料浆经搅拌机搅拌好放入浆体缓冲斗，浆体缓冲斗靠浆体自重给充填泵供料，经过充填泵加压后的充填料浆通过管道

36、，由充填站附近的充填钻孔下井，再沿巷道管道输送到充填工作面，在充填工作面布料管、控制顺序注入采空充填区。 管路输送系统由无缝钢管、高压布料软管、快卡连接头和液控闸板阀等组成，下帧为管路输送系统组件。 为了快速处理管道堵塞，设立放浆沉淀池，每隔一段距离设置放浆三通。管路输送系统管路输送系统管路输送系统组件自主自主研制研制的液的液控闸控闸板阀板阀高压布料软管高压布料软管快卡连接头与快卡连接快卡连接头与快卡连接4 4、风水清洗系统 依次用清水、压风把充填管路内的遗留物吹依次用清水、压风把充填管路内的遗留物吹出充填管路出充填管路, , 完成管路清洗工作的系统。完成管路清洗工作的系统。 当井下充填完成时

37、，就要对膏体泵送系统进行有效清洗，以防止膏体尾桨在充填泵、输送管路中固化，造成系统输送能力下降，甚至造成堵管（堵塞输送管路）的重大事故，影响安全、影响生产。传统的清洗方法是拆开充填管路，先接上水管，对充填管路进行水清洗，然后，再换成风管，对充填管路进行最后吹扫，这样，不但费时费力，而且在拆装操作过程中也容易发生安全事故。峰峰集团羊东矿、新三矿、大力公司应用成功自动投入的双冗余膏体充填管路自动清洗系统，使清理变得简单起来。 双冗余膏体充填管路自动清洗系统组成包括水源管及控制阀、风源管及控制阀、控制回路以及相关设施；分别接到两台充填泵系统上；正常膏体充填时，水源控制阀、风源控制阀关闭；充填结束时，

38、水源控制阀先自动打开，开始向充填管路中打水；待充填管内膏体尾浆被水全部推出充填管后，水源控制阀关闭，同时风源控制阀打开，停止打水的同时开始打风，直至将充填管内膏体遗留物吹扫干净。集中的、能够自动投入的设置使管道中膏体尾浆及遗留物不停顿的被水、风推出管路，从而达到对充填管路有效清洗的目的。控制逻辑图框及管路自动清洗系统实际布置如下帧。水 源 控 制 阀 关 闭充 填 管 内 膏 体遗 留 物 吹 扫 干净正 常 充 填集中控制装置充 填 结 束充 填 管 内 膏 体尾 浆 被 水 全 部推 出 充 填 管 后风 源 控 制 阀 关 闭水 源 控 制 阀 打 开风 源 控 制 阀 关 闭水 源 控

39、 制 阀 关 闭风 源 控 制 阀 打 开水 源 控 制 阀 关 闭风 源 控 制 阀 关 闭双 冗 余 膏 体 充 填 管 路 自 动 清 洗 系 统 控 制 逻 辑 图 框 膏体充填工艺是一个将煤矸石、粉煤灰、胶结料和适量的水等按照一定比例混合、搅匀，用充填泵输送到井下充填采空区的过程，系统包括矸石破碎系统 、配比搅拌系统 、膏体泵送及管路输送系统 、风水清洗系统 、充填系统过程控制与方案、工作面充填工艺等，需要各系统协同一致，才能够保证整个工艺系统运转正常。为此，充填站矸石破碎系统、配比搅拌系统、膏体泵送及管路输送系统必须实行集中计算机控制。概述概述 充填站使用计算机控制系统进行控制具有

40、特别重要的意义。 煤矿充填有以下特点：一是要求充填成本更低；二是集料没有条件进行脱泥等净化处理；三是早期强度要求高，煤矿充填跟随采煤工作面进行，充填数小时以后充填体必须能够凝结固化到能够自稳并达到脱模条件，否则，充填将影响工作面煤炭生产。 制作充填材料需要的细集料一般用粉煤灰，如果按照国内外充填的经验，即-20m的细集料占15%以上，用煤矸石作充填材料，需要掺加粉煤灰500600kg/m3以上，从经济上是难以承受的。 煤矿充填的特点决定了在煤矿充填工艺上必须进行更加准确的控制，以减少充填材料中为达到强度要求的胶结料富裕量，最大程度地减少材料的损失，才能够实现充填成本最低化。同时，选择周期式搅拌

41、机制作膏体，要保证充填的连续作业，也需要充填系统自动化控制。1、充填站检测控制采用工业计算机自动控制方式，充填站测控的设计原则是：“检测准确、控制可靠、操作简便”。第一，检测准确原则。根据长期充填的经验，充填过程中充填浆体的重量浓度波动范围需要控制在 0.5%范围以内。第二，控制可靠原则。测控方案，主机和仪表的选择要先进、成熟；关键环节设置失控或超限的声光报警与事故处理方法，要切实可靠。计算机测控系统要与机电二次控制电路连锁，集中操作；主要岗位配备闭路电视监视系统。第三，操作简便原则。充填站检测控制的计算机操作必须简便，一般工人经过培训以后能够正确操作使用。地面充填站测控的基本技术要求地面充填

42、站测控的基本技术要求 2、充填站检测的基本内容与要求 充填站系统检测内容包括：料位、水分、称重、流量、密度、压力以及来料称重验收等7个方面：（1）料位：根据需要对粉煤灰仓、胶结料仓、充填料浆缓冲仓等设置料位计，实时检测料位上、下限报警。对于水池设置上下液位计，控制潜水泵的开与停。（2）水分：煤矸石需要及时测定其水分含量，以便及时调整配比。水分测量误差需要控制在0.5%以内。（3）称重：煤矸石、粉煤灰、水、胶结料各自分批以称料斗形式称重计量，保证配比准确，称重误差需要控制在1%以内。（4）流量：充填泵出口管道浆体或清水累计流量，累计流量的测量误差需要控制在1%以内。（5）密度：充填泵出口管道浆体

43、的密度。（6）压力：检测充填泵驱动油缸压力、充填泵出口管道浆体压力。（7）来料称重验收：对来料重车空车计量统计。 需要指出的是，充填过程中，还需要根据煤矸石、粉煤灰取料地点的变化等，及时测定煤矸石粒级组成、含泥量、水分，粉煤灰水分等，为充填系统调整配比提供依据。1、配料的过程与控制充填配料涉及4种物料，包括煤矸石、粉煤灰、水及胶结料，这些物料的配料过程及其控制如下：（1）煤矸石定量供给：煤矸石供给子系统包括煤矸石缓冲仓、皮带秤、斗式提升机、水分测定仪和缓冲斗。每个缓冲仓设置2个出料口。在配料过程中，在规定的时间范围内，首先打开煤矸石缓冲仓出口给料器同时给料，到达到设计值90%时，保留1个给料器

44、继续给料，直到达到设计值；再由提升机把煤矸石运送到充填楼第三层的煤矸石缓冲斗。控制方案控制方案 （2）粉煤灰定量供给：粉煤灰供给子系统包括粉煤灰料仓、螺旋给料机和称料斗，在规定时间的配料过程中，首先料仓螺旋给料机快速给料到称料斗，称料斗开始监视进斗物料质量，到达到设计值90%时，改为慢速给料，达到设计值前适当时间螺旋给料机停机，利用螺旋机惯性使所加物料正好达到设计值。（3）胶结料定量供给：胶结料供给子系统包括圆筒料仓、螺旋给料机、称料斗，在规定时间的配料过程中，首先料仓螺旋给料机快速给料到称料斗，称料斗开始监视进斗物料质量，到达到设计值90%时，改为慢速给料，达到设计值前适当时间螺旋给料机停机

45、，利用螺旋机惯性使所加物料正好达到设计值。（4）水定量供给：水的供给子系统包括潜水泵、单级离心水泵、调节阀、称水斗。潜水泵负责从观测井中向蓄水池供水，单级离心水泵负责由蓄水池向称水斗供水。在规定时间的配料过程中，水泵开始运转，通过调节阀、管道向称水斗内加水，达到一定程度后，调节阀控制小量给水，水量加到设计值，调节阀截止，水泵停止供水。需要指出的是，充填站在制浆过程中要定期检测煤矸石的含水率，根据煤矸石含水率的变化及时调整充填材料配比。 2、搅拌的过程与控制周期式搅拌机搅拌制作充填料浆的过程是加料、搅拌、出料按周期性循环作业的过程。从称料斗向搅拌机的投料时间1520 s、搅拌时间5060s、出料

46、时间15s，一个搅拌周期90s。在充填过程中搅拌机的搅拌机构开启以后便连续运转，搅拌机的卸料门通过电动或气动推杆驱动匀速打开或关闭，搅拌机在推杆两侧装有限位开关，控制卸料门的开闭极限位置，所以搅拌的过程需要控制的是开启和关闭搅拌机卸料门的时机，在执行加料时，要确保卸料门已经全部关闭，在出料完成以后才关闭卸料门。3、矸石破碎加工过程与控制矸石破碎加工过程涉及1台破碎机、2台振动筛、8台输送机和2个振动给料机和配套的除尘设备等，整个破碎加工过程还需要与配比搅拌子系统协调。矸石破碎子系统计算机控制主要是设备顺序动作控制，对关键设备状况实行可视化监视，取消人工操作。4、泵送的过程与控制充填泵泵送分充填

47、料浆和清水两种介质，在输送管道中有四种情况，即完全充填料浆、完全清水、灰浆推水、水推灰浆，充填泵的泵送过程控制的目的是保持泵送速度与搅拌机拌料的速度协调一致，维持泵送系统的连续作业，控制每班充填量，为协调井上下作业提供依据。泵送流量的控制以泵送流量计、料浆缓冲仓的料位计等检测仪器观测数据为标准，采用电动调节充填泵泵送油路单向调节阀来实现。5、来料称重验收与管理来料称重是一个重要环节，但是，此环节与充填站搅拌、泵送过程是相对独立的，来料称重验收与管理有两个方案，一是不考虑计算机控制，采用一般的地称对来料车称重计量，二是与充填系统计算控制系统形成一体，来料称重管理是其中一部分。膏体充填开采过程中，

48、如何确保料浆的浓度满足泵送要求，减少堵管事故的发生，保证充填过程的顺利进行，是实现高产、高效充填开采面临的关键技术问题。小屯矿膏体充填开采过程中采用了自动控制系统对料浆浓度实现了实时监测，确保了充填过程中料浆的浓度，避免了因料浆浓度变化发生的堵管事故。料浆浓度的自动监测技术料浆浓度的自动监测技术搅拌机搅拌电流就是指料浆搅拌均匀以后搅拌机驱动电机三相电流稳定的电流值。根据搅拌机特性，搅拌电流一般在搅拌30 s后即达到。在同料浆类型、相同搅拌体积条件下，搅拌电流与浆体的流动性能成正比关系，料浆越稠，流动性越差，搅拌电流越大，反之亦然。利用搅拌电流可以掌握每罐次搅拌料浆的流动性能变化，超过变化范围可

49、以在出浆前采取补水/补灰措施，即使所用粉煤灰吸水性变化、煤矸石水分变化，也能够保证浆体流动性在合理要求范围，保证充填安全。（1）监测技术与原理在地面主操控室内，通过电流传感器把主控室搅拌机主回路电流转化为4 20 mA模拟量信号传送给PLC，然后PLC通过循环中断500 ms实时采集数据，通过数据处理得出不同浓度下电流变化曲线，根据平均电流的变化情况来反映膏体浓度的变化，传感器工作原理如下图：（2）膏体充填质量浓度自动监测实现 为了准确掌握料浆质量浓度与传感电流之间的关系，对不同浓度的矸石浆、灰浆所对应的电流进行了现场监测，取得了大量的试验数据，结合实际情况分别对不同浓度的矸石浆和灰浆的电流值

50、进行了实时监测。结果显示，搅拌机入料、初期搅拌、其它动力装置启停、物料出厂时间及湿度等这些因素影响膏体充填料浆的搅拌电流值，其中对小屯矿充填搅拌电流影响较大的动力装置是充填泵。料浆浓度自动监测的实现；在工程实践过程中，膏体充填材料的质量浓度一般要求控制在一定的合理的质量浓度范围内，这样系统才能有更大的适应性而不至于质量浓度的稍微波动就给充填系统料将在管路输送过程中带来较大的影响。鉴于此，首先通过实测设定某一质量浓度充填料浆的搅拌电流值，然后再测定上下极限质量浓度料浆的搅拌电流值，并将该极限搅拌电流值设置为监测料浆质量浓度的上下阀值（考虑到上述影响因素，取一定的富裕系数k=1.4）。当系统采集到

51、的搅拌电流均值超过阀值上限时（料浆质量浓度较大超过合理范围的最大质量浓度）系统自动补水，反之系统自动补充物料。由搅拌电流与质量浓度在设计范围浓度内变化近乎线性关系。（1）膏体配料自动化控制技术充填膏体配料是指将所需物料（煤矸石、粉煤灰、胶结料、水）按照生产要求的给定质量进行称重的过程，它的精度直接决定了充填料浆流动性能、凝结固化性能，从而影响充填效果。 模糊理论是解决在控制过程中各种信号量不易定量表示的有效途径，运用模糊推理实现对PID控制参数的最佳调整。以此提出基于模糊PID控制器的配料系统，膏体配料自动控制系统根据设定值与称重过程实际值之间的偏差，即实时流量与设定流量比较得到配料偏差，经过

52、PID控制器调节改变输出信号，控制给料量调节，从而实现定量给料，配料系统控制原理如下帧图所示。膏体制备自动控制系统膏体制备自动控制系统配料系统控制原理图配料系统控制原理图 基于模糊PID控制器的配料系统，将模糊控制技术与传统的PID控制技术结合起来共同应用于系统的调节当中，有效的解决传统PID误差不稳定、动态特性不理想的问题，保证了配料系统的精度。（2）膏体料浆供给量的自动化控制技术 膏体料浆供给系统是为满足充填泵送按控制系统优化的工况点运行。系统用超声波物位计准确测得料浆缓冲斗里料浆的实时高度，当料位高度达到90%时，搅拌机底门进料阀保持关闭状态，同时上级供料停止； 当料位低于50%时低限开

53、关接通，搅拌机底门进料阀及上级供料恢复正常的开闭。膏体制备系统根据料位的高低自动化控制调节膏体制备量的大小，从而满足充填泵泵送能力的要求。工作面充填开采设计采用“三八”工作制，每天完成一个“采煤充填凝固/检修”循环。设计采煤班每班进34刀，采煤机截深0.8m，日进度为2.43.2m，采煤机割煤34刀，采空区充填一次，充填步距为2.43.2m。工作制度与工作制度与 充填步距充填步距1、充填工艺流程：手指口述安全确认充填准备检查准备管道充水灰浆推水矸石浆推灰浆正常（轮流）充填管道清洗（灰浆推矸石浆水推灰浆打风）充填结束验收。2、充填具体步骤（1）充填准备吊挂塑料编织袋及工作面、上巷隔离墙支设；工作

54、面充填管布置；（2）检查准备上下两巷隔离墙及工作面隔离墙、吊挂充填袋检查；干线充填管路检查；工作面主管阀检查（都开）；布料管阀检查（都关）；三通阀门检查（打开）；报告充填站。充填工艺充填工艺（3）管道充水（4）灰浆推水（5）矸石浆推灰浆（6）正常充填（7）灰浆推矸石浆（8）水推灰浆（9）压风推水（10）充填结束验收岗位工作结束、验收；交接班；报告矿调度室。（11）凝固充填工作结束后，充填体凝固时间为68小时左右。5.15.1、工作面布置、工作面布置峰峰集团小屯矿膏体充填开采首试工作面选择在14259顶分层工作面。该工作面运输巷布置在已采14459工作面材料道正上方，而材料道布置在已采14461

55、采空区上方，开切眼布置在东侧井田边界，这样布置使工作面两道处于野青保护层开采的有效作用范围内，便于瓦斯的防治。14259（顶）首试工作面倾斜长度120m，推进长度630余m，以平均采高2.7m计算，煤炭储量29.5万t。依照膏体充填开采首试工作面布置，保护煤柱充填开采一共可以布置5组上下分层工作面，在首试工作面两侧布置14261、14259上下分层工作面全部采用沿空留巷，相互之间不留区段煤柱，最大量采出煤炭资源。5.2、充填方法的选择膏体充填开采工作面的充填方法有“全采全充法”和“部分充填法”。所谓全采全充，就是随着回采工作面向前推进，在直接顶板尚未垮落之前，即用膏体材料把工作面后方的采空区全

56、部充填起来。控制覆岩及地表变形效果最好，但充填量大，一般适用于村庄下厚煤层上分层开采，或弱强度材料充填； 部分充填法有房柱充填法和条带充填法，就是采空区不全部充填起来，而是在一个充填步距上间隔一定距离充填一个柱垛。房柱充填法，在下一个充填步距上每交错一定距离充填一个柱垛，这种充填方法支护效果好，充填量小，但工艺性差，操作不便。因此，一次采全高或底分层开采膏体充填一般采用条带充填法。5.3、膏体充填系统能力确定的原则及其影响因素分析膏体充填系统能力确定的原则是：其一，充填能力与工作面煤炭生产能力相适应其二，便于回采工作面安排正规作业循环；其三，充分发挥充填设备能力。综合机械化充填采煤煤炭生产能力

57、主要受充填准备时间、充填时间和充填体凝固时间制约。膏体充填要能够有效控制地表开采沉陷，在工作面支架使充填前顶板保持完整和充填前顶板下沉量小的条件下，还需要具备两个条件，一是每次充填前沿工作面设置的隔离墙必须保证充填接顶；二是为充填材料提供必要的凝固时间，在隔离和侧护措施为进行下一循环而拆除后，使新凝结固化的充填体有适当的强度，保持充填体自稳不垮塌的同时，还能够对直接顶板有一定的支撑作用，避免新充填体受顶板压力作用而损坏。 如果采用人工设置充填隔离墙，充填以后还要等待八小时方能继续回采，需要实行23个工作面轮采才能够保证煤炭产量。 对此，研制专门液压膏体充填支架，提高单面膏体充填工作面生产能力，

58、专门液压膏体充填支架同时具备快速设置隔离墙功能、对待充填区有效支护功能、充填以后能够继续保持对新充填体提供必要侧护同时又能够采煤的功能。 峰峰为整体式结构，解决了快速设置隔离墙和待充填区有效支护问题，这样充填系统需要满足整体式液压膏体充填支架支护工作面的需要，设计工作面长度120150m，采高2.7m，日进尺2.4-3.2m，即充填工作面采取“采煤充填凝固/检修”三班循环能够满足单面年产50万t/a的需要。6.1充填管道输送系统的优化设计充填管线优化布置的主要目标是：在实现满管流基础上，尽可能地降低垂直管中的最大动压，以减少管线所受的动压作用。对于具体的矿井而言，只要采深确定，在垂直高度的静压

59、分布就已经确定。通过对充填过程存在问题的分析，先后对充填管路系统进行优化设计和改造。6.1.1充填钻孔管优化原始设计方案中，充填钻孔管路采用21918mm的双金属耐磨管，外层为管壁厚度10mm的无缝钢管，内衬8mm厚的耐磨层。 设计双金属耐磨管的初衷主要考虑膏体在输送过程中对管路的磨损较为严重，管路的内层8mm的耐磨层硬度高，耐磨性好，实际使用过程中发现该耐磨层柔韧性差，另外耐磨层与外部的无缝钢管没有浇铸在一起，留有一定的空隙，在运输和使用过程中管路的耐磨层较易出现断裂破损，特别是在立井中，由于不满管流浆体对管路的耐磨层反复冲击，极易耐磨层的断裂及脱落，并造成堵管事故。为了研究耐摩擦的磨损情况

60、，对管道磨损情况进行了实测分析，结果表明，充填浆体对管路的磨损并不大，充填30万m3膏体，管路磨损最大处仅为0.2mm，2010年7月底将立井管更换成16Mn的无缝钢管，至今已顺利充填150万m3。6.1.2 井下主管路优化 浆体在管路内阻力变小，造成断流，而且断流距离过大，易发生堵管；随着工作面推进，充填管路系统变短，充填管路要进行阻力调整，减少断流发生。将原主管路双层耐磨金属管更换成无缝钢管1689（内径150mm），承压12MPa，每根管长度4m，采用快速接头连接，并将优化后的管路延长约200m。6.1.3 工作面充填管路优化 工作面充填管原先使用DN150特塑复合管配合普通钢管，没有可