1、,3 1、膏体充填材料基本性能,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
2、：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%。,3 2、矸石级配优化,破碎矸石颗粒级配将直接影响膏体的流动性能，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
3、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2025cm，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
4、高。,3 3、胶结材料选择,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。,3 4膏体配比优化,胶结料主要原料采用钢厂水淬渣，矸石作粗骨料，细
5、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）。,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；煤矸石 1084kg/m3；水 372kg/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不同，对膏体材料固结强度影响较大，因此必须进行配
6、比试验确定。,矸石膏体注入时、初凝和7天龄期的凝固状态,4、膏体充填系统,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、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。
7、,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、矸石破碎系统,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
8、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。,矸石破碎系统反击式破碎机与强力振动筛实物图,振动筛。振动筛需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
9、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 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%。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
10、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。,4 2、配比搅拌系统,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
11、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,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,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
12、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
13、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,（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，DKX2.25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 m
14、3；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）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/
15、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1280kg，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
16、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
17、，计算量为194232t，合149178m3，取200m3，即设置2个100m3胶结仓。,4 3、膏体泵送及管路输送系统,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150mm通用管径计算，每米摩擦阻力以50100Pa较为合理。,4 3 1、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，
18、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
19、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。,4 3 2、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，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
20、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四 3 1，飞翼股份研制生产的几种活塞式工业泵产品参数如表四 3 2。,表四31普茨迈斯特公司和施维英公司生产的充填泵参数,表四 3 2 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
21、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。,4 3 3、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
22、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：（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
23、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
24、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
25、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。,4 3 4、管道泵送中的双泵并联关键技术,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
26、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4.3 4 1。,图4 3 4 1 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
27、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
28、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，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。,4 3 5、管路输送系统,管路输送系统组件,自主研制的液控闸板阀,高压布料软管,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出充填管路,完成管路清洗工作的系统。,当井下充填完成时，就要对膏体泵送系
29、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，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。,4 5、充
