一、成果簡介
針對國內外煤礦膠結充填開采充填站制漿能力偏低從而制約充填采煤生產能力，而大能力制漿裝備研發周期長的問題，提出將兩套制漿系統集中布置同時作業以提高充填能力；針對充填站制漿系統存在較多的物料向上輸送環節從而造成能耗浪費的問題，提出將主要制漿設備布置于地下設備池，改傳統的運料罐車向上打灰輸料為水平打灰輸送，大幅度減少了物料運轉過程中的能耗損失和浪費。
該充填站設計方式打破了制漿系統布置在地面以上且單套設備運行的傳統，提高了制漿能力、降低了制漿成本，推動了高效低成本充填開采技術的發展。該設計在地處陜北環境脆弱區的榆陽煤礦風積砂似膏體機械化充填采煤技術中得到了應用。實踐表明，充填站布置簡單緊湊，運行順暢，充填能力達到400m3/h，是目前常規充填能力的2倍以上；充填站土建、設備投資共約4000萬元，按照同等充填能力的充填站投資折算，約降低20%~30%；每立方米充填體油耗、電費由2.12元降至1.64元，降低23%，取得了顯著的經濟效益。
二、技術背景
充填開采是控制煤礦采動影響、礦井廢棄物資源化利用、建設綠色生態礦山的重要技術措施，近年來在解放“三下”壓煤、實現保水開采、處理地面矸石山等方面發揮了突出作用，贏得了社會廣泛贊譽，是煤炭行業“十三五”規劃無害化開采中大力發展和推廣的技術之一。其中，膏體、似膏體充填開采由于充填材料強度高、整體性好，巖層移動控制效果最為顯著。然而，充填采煤生產能力低、充填成本增加較大是影響該技術大規模推廣的主要掣肘，提高制漿能力和減少制漿過程能耗則是解決上述問題的途徑之一。
膏體充填系統主要包括地面充填站、輸送管路及工作面充填開采裝備。作為充填系統的咽喉工程，充填站將各種原材料按照設計配比配制成充填漿液的場所，主要設備包括破碎機房、輸料系統、充填攪拌站、控制系統、泵送系統、除塵系統、蓄水池及泵房等。目前國內外煤礦充填站大多采用一套制漿系統運行，制漿能力僅為60~150m3/h左右，最大不超過200m3/h，較小的充填能力是造成充填效率低的主要原因。
此外，充填站設備多且大部分儲料罐高度較高，有些罐體高度達到數十米，所有設備設施布置在地面以上，會形成較為龐大的建筑群落（如圖1和圖2所示），給安裝和檢修帶來不便和安全隱患。更重要的是，運輸粉煤灰、水泥等粉料的罐車需要向儲料罐頂部打灰，骨料、水也向安裝高度較高的攪拌倉輸送，充填材料在向上輸送這一過程中造成的電力和能量損耗在制漿費用中占了不低的比重。
三、設計方案
風積砂似膏體充填采煤技術是針對我國西北環境脆弱礦區煤炭大規模開發與環境保護矛盾突出而開發的技術，采用的是以風積砂為骨料的似膏體材料。充填站制漿工藝為：先向初漿罐內注入定量的水，啟動攪拌電機后邊攪拌邊注入粉煤灰，制成初漿；然后將初漿、輔料、水泥和風積砂按照設定的比例同時輸入成漿罐，在攪拌器的作用下混合均勻，邊攪拌邊輸出料漿；料漿經管路自流輸送到充填工作面。
單套制漿系統能力為180m3/h，其設備包括4個100m3初漿罐、1個80m3輔料罐、1個80m3水泥罐、1個16m3成漿罐、1套風積砂篩分輸送系統和1套自動化控制系統。充填站設計采用了大能力低能耗充填站布置新方式。
①兩套制漿系統集中布置同時作業提高充填能力
提高制漿能力的途徑有兩種：一是進行大能力新制漿裝備的研發，但研發周期較長，難以盡快投入應用；二是采用兩套制漿系統同時作業的方式。在當前技術狀況下，第二種方式是大幅提高制漿能力可靠易行的方式。兩套系統的合理集中布置方式，可達到既節省空間又實現集中供料和聯合制漿的優勢。經過調研和多個方案的論證比較，最終采用了“對稱集中式”布置，如圖1a所示，“對稱”是指兩套系統以中間線相互對稱，兩系統作業互不干擾且美觀，“集中”是將兩系統中相同類型的設備放置在一起，便于集中供料、作業和管理，如，將初漿、輔料、水泥和成漿12個罐體呈環形布置，內層為成漿罐，中間層為輔料罐和水泥罐，外層為初漿罐，該布置方式為粉料罐車向原料罐體輸料提供了較大空間，為平穩有序作業創造了條件。兩個系統制備好的漿液分別通過成漿罐下方管路輸送至井下工作面。
②設置地下設備池利用地勢高差減少物料輸送過程能耗
為減少罐車向高大罐體頂部打灰耗能較大及管理維護過程安全性較差等問題，提出了設置地下設備池并將不同設備高低錯落布置的方式（如圖1b所示），設備池分地面以下10m和15m兩個層次：Ⅰ、初漿罐、輔料罐、水泥罐置于地面以下10m設備池中，罐體頂部基本與地面平行，利于罐車向罐頂部打灰；Ⅱ、成漿罐置于地面以下15m的小型設備池中央，利于各原材料向成漿罐的自然輸送；Ⅲ、風積砂系統的存儲、篩分、輸送部分由地面到地面以下10m設備池底部依次布置，篩分后的風積砂皮帶輸送機經走廊輸送到成漿罐。該布置方式將設備布置立體化，減少了物料輸送過程中的能耗，且方便工人安裝、維修及作業。
粉煤灰庫作為來料不及時情況下的備用設施，體積較大且不常用，設置于地面，非置于地下設備池中。
四、技術優勢
與目前膏體充填站布置方式相比，本設計通過雙制漿系統集中布置同時作業、設置多層次地下設備池，達到提高充填能力、降低充填系統運行能耗的目的，促進高產能、低成本充填開采技術的發展。
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