粘结性固体充填料大垂深防堵传输技术研究
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【摘要】邢台矿自2008年开始研发试验建筑物下综合机械化固体充填开采技术。充填开采的技术关键之一便是粘结性固体充填料的运输问题，也是充填开采高产高效的瓶颈。经过反复研究、方案比较与经济分析，确定了利用物料自垂力进行大垂深传输的方案，优化了投料管设计与孔径确定、储料仓的设计与物料缓冲装置设计，并着手进行下口缓冲、储料、监测防堵的综合传输技术研究，该技术保证了粘结性固体物料的大垂深安全运输，确保了充填开采的连续性，同时为邢台矿充填开采的高产高效技术研究奠定了基础，也为类似物料传输与防堵提供了技术支持。
【关键词】 粘结料；大垂深； 防堵； 传输
前言
目前，我国国有煤矿生产矿井“三下”压煤达到13.79Gt，其中建下压煤为9.468 Gt，而因采煤排放的矸石形成矸石山就有1700多座。邢台矿已高强度开采44年，断层煤柱、冲积层煤柱所占比例逐年增加，而建下却压有58.23Mt呆滞煤炭资源，严重制约着矿井持续稳定发展。邢台矿于2008年，将矸石与粉煤灰作为充填骨料，进行建筑物下综合机械化充填开采技术研究并取得成功。
该充填开采技术就是将地面洗煤厂洗矸石与粉煤灰按一定比例混合，输送到井下，经过井下运输系统，运至工作面采空区进行充填开采，从而达到降低地面建筑物沉降的效果，解放建下煤炭资源。
该技术使用的充填骨料具有较强的粘结性，物料的投放传输是充填开采的关键技术之一。如果使用传统封闭管道满管投料方式，混合料从300米左右高度自投料孔内下放，下部管道内物料承受大于10MPa的管压，管内物料产生压实变形，受压实度和粘结性变化的影响，松散充填料将彻底丧失流动性，同时发生胶结堵管事故，处理困难，且每次冲洗管路不仅工作量大，产生大量污水，与现有绿色开采不相应。最终邢台矿采用钻孔投料，利用物料自重进行传输。故物料大垂深传输防堵技术就成为一个重要的研究方向。
1投料孔孔径确定
预防投料孔堵仓最根本的解决方式是在投料孔结构设计上充分考虑引起堵仓的各方面因素，设计合理的结构、形状等以杜绝堵仓现象发生。
投料孔管筒直径的大小取决于两个因素：a.物料最大颗粒的直径；b.所需的物料量。
管筒直径太小直接影响填料的输送且容易堵管，过大则增加经济成本以及影响井底的接料。一般取大于最大通过管道粒度3倍为圆管直径。根据填料的粒径的特点，确定采用Φ510×12 mm耐磨钢管作为下料管。根据邢台矿投料井底部位于2#煤顶板处，井深深350 m，垂直投料高度294米，储料仓56米，设计运输能力不小于450 t/h。
而壁厚的确定是通过对米赛斯公式的分析，建立数学模型，采用一维搜索最优化方法中的切线法，用计算机一次性计算出最合适的结果，从而经分析计算取壁厚12 mm。但考虑填充物中矸石硬度较大，对钢管磨损大，以及井筒较深，经综合考虑，投料管选用双层耐磨管外经530 mm，内径486 mm，并采用孔径φ800 mm，采用壁厚12 mm的钢卷管护孔。
为了有效的减少堵孔事故的发生，将高分子不粘材料陶瓷耐磨管套在投料孔井壁上。陶瓷耐磨管由于表面非常光滑，表面的吸附力非常微弱，因此它具有优良的自性、不粘性，且具有耐冲击、耐磨损、耐低温、不吸水等优点。把它套在投料井井壁上，可以有效地防止沾仓事故的发生，大大减少不安全隐患，不仅做到了安全生产，同时又减轻了工人的劳动强度。
2储料仓参数确定及辅助装置
根据充填需求量按50 万t/a设计，考虑一天填充物料储存量，则井下储料仓容积为520 m3。从储料仓掘进实际情况考虑，结合刷孔难易及现场施工条件，直径优化为3.5米，考虑储料仓上部需安设缓冲装置等因素，深度选取56.0 m。
储料仓下部锁口的内壁角度的合理地确定。主要考虑垂直布置储料仓，发生堵塞的部位大都在储料仓下部的锁口部，储料仓内壁角度越小，发生堵塞的可能性就越大，但内壁角度太大也会增加工程量，增加施工难度。经分析计算，确定储料仓内壁角应不小于70°，设计角度为70°，并保证储料仓下部锁口内壁光滑平整，倾角一致，以最大限度防止矸石仓内壁不光滑而形成的矸石停滞，导致堵仓事故的发生。
2.1快速启闭装置
由于充填物料含有一定的水分，且储料仓容量较大，因此储料仓容易发生堵仓现象，严重影响了充填开采的顺利进行。为此，安设了快速启闭装置。
快速启闭清理装置的工作原理为：由储料仓下部的储气灌存储一定的高压空气，当储料仓发生堵仓现象时，储气灌内的高压风通过风包和管路以吹向堵仓部位，拥堵部位的物料在高压气流的冲击下发生松动，最终得到清理。
2.2密封挡料装置
本系统的料仓上口设置联络巷，与矿总回风巷联系。所投物料为矸石与粉煤灰的混合物，自294米的高度下落后，粉煤灰掀起扬尘，严重影响井下环境。邢台矿专门研制了密封挡料装置：在联络巷与仓壁连接处，根据巷道形状，焊接一个金属墙壁，四周用锚杆固定于巷道壁上，金属墙壁内侧加装阻燃皮带以抵挡矸石粉煤灰混合料的冲击；金属墙壁与巷道壁缝隙处，采用混凝土密闭喷浆；金属墙壁上设置观察小门，门与框之间加装橡胶密封带。
2.3除尘排气装置
该装置根据连通器原理，采用水密封技术除尘排气。该装置根据投料孔的直径，设置若干组排气管道，管道内开口于密封挡料装置内，外部开口设于水池内。投料后，投料孔内高压空气与扬尘通过管道排入水池内，扬尘经过水池沉淀，洁净空气排入巷道内。
储料仓底部安装给料机，保证储料仓下放的充填料快速运送出去，防止堵仓。
3缓冲装置的设计
矸石与粉煤灰充填材料是从地面通过投料孔直接投到井底的，较大的投料高度会导致充填材料到达井底时的冲击力很大。为了防治冲击力过大而造成设备的损坏等安全问题，在井下储料仓上部设置缓冲装置以减小充填材料投到储料仓中的冲击力。
缓冲装置的设计是以物料下落的冲击力为基础的，受力分析过程为充填物料直接由地面投到井下，考虑到充填物料经投料孔落到缓冲装置上是个连续的过程，因此运用动量守恒原理对物料落到缓冲装置上时所产生的冲击力进行计算分析。
根据落料程度和冲击力分析情况，设计缓冲器样式为“伞形”，即充填料下落的直接接触面为锥形面。缓冲器由缓冲垫、铸钢伞架、导向杆、缓冲弹簧组和底座成。缓冲垫采用钢丝绳芯强力胶带，起到缓冲、减少噪音的作用；伞架为主要支撑部分，设有螺栓孔和起吊环，内部增设加强筋；伞架下部焊有导向杆，导向杆插入弹簧组内起到导向作用；弹簧组位于底座上，是整个缓冲装置的关键部位，起到吸收冲击力量的作用；底座固定于钢梁上，起到固定作用。经现场试验，该设施可以承载充填料落下的冲击力。
设置锥形缓冲器可缓解充填料下落时（上接第190页）
的速度和冲击力，从而减少充填料对储料仓底部存料的冲击，降低充填料的压实度，防止堵仓。
4综合监测设备的安装
储料仓做为非可视化的一部分，从投料井上口投放的矸石与粉煤灰下落到储料仓后越堆越高，若不采取措施控制堆积的料量，最终将导致积压性堵仓。因此，为及时发现储料仓堵仓，控制井上运输系统停机。
4.1摄像头监测储料仓上口、视频观测水银测量装置
安装摄像头采取实时监视，通过摄像头可以观测下料的过程。充填时操作工可以通过井上的监视画面清楚的观察到-210储料仓上口下料的情况，巷道内泄压管的泄压情况，以及水银压力测量装置的压力位置。当物料充满时能够看到并及时停车，避免充料过多导致投料管堵塞。
4.2风压监测系统
在储料仓上口处安装风压监测传感器并将数据在井上操作室内显示出来。充填时风压将在0.015MP～0.030MP之间变化。若在正常的充填过程中出现风压迅速减小至0.010MP以下，则是因为储料仓已充满导致风压的减小，这时必须立即停止充填。
4.3满仓信号报警装置
在储料仓上口处安装了满仓信号保护，当储料仓充满物料堆积到一定程度时将触发该保护，并在井上的操作室内发出报警信号。这时操作工就可以通过报警信号知道储料仓已满并及时的停车，从而有效避免堆积到投料管引起投料管堵塞。
附投料系统图。
5运行效果
邢台矿的粘结性固体充填料大垂深防堵传输系统，已安全运行3年多，运行状态良好，成功解决了综合机械化固体充填开采中的物料运输瓶颈环节，为邢台矿进行充填高产高效技术研究奠定了基础，同时也为类似条件物料运输提供了技术保障。
参考文献
[1] 刘建功、赵庆彪.煤矿充填法采煤。煤炭工业出版社