基于双泵并联的高效自动化膏体充填采煤技术研究

摘要：充填采矿法利用煤矸石作为充填骨料，通过添加胶凝材料和其它外加剂，实现高浓度充填，是解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放保安矿柱、提高安全开采保障程度和资源回收率的有效手段。双泵并联将两台小能力的活塞式工业泵并联使用，打破了传统的一用一备配置模式；用小能力泵代替大能力泵，降低了设备单机能力，减少了设备投入费用；并联使用，消除了设备闲置率，有效地保证了系统连续运行的可靠性。

关键词：双泵并联；高效自动化；充填采煤

中图分类号：A715文献标识码： A

1、概述

由于充填技术涉及矿山安全、环境保护与经济效益，已成为采矿领域最引人注目的前沿研究课题。围绕充填材料、充填料浆制备、充填工艺参数、充填体力学性能及承载特性、充填体作用机理、充填体质量评价等方面所展开的研究，取得了不少成果，充填工艺和设备日臻完善。

但是，目前主要由于充填泵送能力的限制，膏体充填开采的产能普遍偏低，平均年产量只有30万吨左右，不能满足矿井对生产能力的要求，从而严重制约了煤矿膏体泵送充填开采技术的发展与推广应用。本课题提出基于双泵并联的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，从而彻底解决制约膏体充填开采产能偏低的瓶颈问题。该技术已在冀中能源峰峰集团羊东矿成功地完成了工业性试验，并在该集团的羊东矿、小屯矿、新三矿和大力公司得到了成功的推广应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。

2、项目研究的关键技术

2.1双泵并联膏体泵送技术

两台活塞式工业泵（HGBS100型活塞式工业泵，最大理论排量97m3/h,正常泵送压力0～10MPa，最大泵送压力15MPa，泵出口通径150mm，功率160kW×2，电压380V）分别通过一趟DN150管路同时泵送出膏体，经一段距离后，两趟DN150管路中的膏体通过汇合三通4汇合到一趟DN200管路中，完成两台活塞式工业泵的并联运行；并联运行系数按0.75计，两台HGBS100型充填泵并联运行的实际排量为：97×2×0.75＝145.5m3/h，两台HGBS100型活塞式工业泵并联运行能力与一台HGBS150型活塞式工业泵（最大理论排量143m3/h,正常泵送压力0～10MPa，最大泵送压力14MPa，泵出口通径180mm，功率250kW×2，电压380V）能力相当；并联布置，不但保证了设备总体能力，而且对设备单机能力的要求降低、单机功率减小，消除了设备闲置，提高了设备利用率。

为了降低两台泵的相互干扰，并发挥其最大效能，合流点的选择至关重要。大量实验和现场实践表明，两台泵的相互干扰程度随着合流点距离的增大逐渐减小；大于100m时，两台泵的相互干扰便可忽略不计。结合地面充填站布置的实际情况，将两台泵的合流点选在距离充填泵177.2m处的充填钻孔附近。

基于双泵并联的高效自动化膏体充填采煤技术，实现两台充填泵并联，膏体料浆泵送量增加了一倍，突破了充填系统泵送能力严重制约充填采煤产能的瓶颈，使充填采煤产能大大提高。

两台充填泵并联运行工作比两台泵交叉运行（即一台泵运行，另一台泵备用）工况更稳定；现场生产实践表明，并联运行的一台泵出现问题时，另一台泵仍能保持系统的正常运行，可实现工作的持续性，无相互切换时间，保证了充填管路的安全，提高了工作效率。

由于目前技术问题，大幅提高单一充填泵的泵送能力难以实现，并且泵送能力大的充填泵的价格比较昂贵，通过双泵并联大幅提高其泵送能力，充填系统投资接近原来的一半，充填成本也显著降低。

2.2双泵并联膏体泵送配套系统自动化控制技术

双泵并联膏体泵送使膏体料浆泵送量增加了一倍，为了保证膏体料浆的流动性，不发生堵管事故，膏体料浆需要精确合理的配比，所以对其配套系统的要求更高。为了减少人为因素影响，保证料浆的稳定性，要实现配套系统的自动化控制。

2.2.1膏体配料自动化控制技术

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PID控制器调节改变输出信号，控制变频器对给料电机的速度进行调节，从而实现定量给料，保证了配料系统的精度。

2.2.2膏体料浆泵送量的自动化控制技术

为了控制充填泵的泵送量，提高充填效率，特重点研究膏体料浆泵送量的自动化控制技术。超声波物位计利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体上被反射，并接收其回波，超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比，测出声脉冲行程时间，就可算出物位。

超声波物位计发出声波信号，根据返回来的声波，测出声脉冲行程时间，从而得到料浆缓冲斗里的实时料位。根据设置的条件，产生相应的输出关系，当达到工艺要求的90%时，料位高限报警开关接通，向PLC中输入一高位报警信号。该信号通过PLC编程产生信号，使搅拌机底门进料阀保持关闭状态。当料位低于50%时低限开关接通，向PLC中输入一低位报警信号，该信号通过PLC编程产生一开阀的信号，使搅拌机底门进料阀恢复正常的周期性开闭，从而在一定程度上降低了用电量，达到了节能减排的效果。

2.3并联充填管路清洗技术

采用地下水和蓄水池两套配水系统和充填管路清理自动打风技术，避免了堵管，提高了输送系统的可靠性。井下工作面排水管排出清水后，停止泵送清水，然后利用压风把充填管路内的清水及其它遗留物吹出充填管路，完成清洗工作。

3、主要技术经济指标及与国内外同类先进项目对比

双泵并联的高效自动化膏体充填采煤技术，两台泵同时工作，泵送能力是传统膏体充填采煤技术的两倍，彻底解决了膏体充填开采产能偏低问题，在峰峰集团各矿区的应用实践表明，与国内外同类先进项目相比，其技术经济指标显著，以其下属矿井羊东矿为例主要体现在以下几个方面。

1、双泵并联膏体泵送技术为两台泵同时工作，使泵送能力增加，在羊东矿为2台100m3的泵并联工作，其泵送能力可达150m3，而传统的泵送能力为70m3。目前泵送能力为200m3的试验泵已出现，双泵并联其泵送能力可达300m3。多台泵并联可大大提高充填系统的泵送能力。

2、目前羊东矿采用分层充填开采，改进相应技术，提高泵送能力，一次采全高充填开采，可实现每月8万吨的产能。突破传统充填开采产能偏低问题。

3、同样的充填系统，实现相同的泵送能力，双泵并联膏体泵送系统的投资较低；传统膏体充填成本为80～90元，采用双泵并联膏体泵送技术的充填成本降低为70元，所取得的经济效益显著。

4、推动技术进步或科学发展的作用、推广效果

由于膏体充填泵送能力的限制，限制了煤矿膏体充填开采技术的推广与应用。基于双泵并联的高效自动化膏体充填采煤技术，实现两台充填泵并联，使充填泵送能力增加了一倍，大大提高了充填开采生产能力。为今后多台泵的并联技术提供了借鉴经验，使煤矿膏体充填开采技术实现飞跃式发展。

冀中能源峰峰集团有限公司双泵并联膏体充填项目目前分布于四个矿井的四个回采工作面储量为705.17万吨，年产量规模311.1万吨。分别为小屯矿的14259工作面、羊东矿06203工作面、大力公司5201工作面、新三矿162704工作面：

1、小屯矿14261综采充填工作面位于南旺村东南100米，工作面倾斜长度164米，走向长度990米，煤层厚度为5.6米，煤层倾角平均5°，埋藏深度387米，储量127.29万吨。工作面采用北京开采研究所设计的充填支架（型号ZC3800/15.5/28.5），工作面选用MG250/600-WD型双摇臂采煤机落煤和SGZ－730/400型刮板运输机运煤。机组每刀煤截深为0.8米，三刀煤（2.4米）一充填。工作面作业方式为采充凝固采，两天三循环作业。

14261工作面每充填循环产量：

长度*采高*推进度*容重：164米*2.8米*2.4米*1.4=1543吨

2、羊东矿06203（顶）综采充填工作面位于该矿一坑工业广场，工作面长度169米，推进度1280米，煤层厚度为5.6米，煤层倾角平均9°，埋藏深度182米，储量169.59万吨。工作面采用北京开采研究所设计的充填支架（型号ZC3800/15.5/28.5），工作面选用MG250/600-WD型双摇臂采煤机落煤和SGZ－730/400型刮板运输机运煤。机组每刀煤截深为0.8米，三刀煤（2.4米）一充填。工作面作业方式为采充凝固采，两天三循环作业。

06203工作面每充填循环产量：

长度*采高*推进度*容重：169米*2.8米*2.4米*1.4=1590吨

3、大力公司5201工作面位于中西佐村西北100 米处，工作面长度161米，推进度1473米，煤层厚度为5.6米，煤层倾角平均4°，埋藏深度387米，储量185.93万吨。工作面采用北京开采研究所设计的充填支架（型号ZC3800/15.5/28.5），工作面选用MG250/600-WD型双摇臂采煤机落煤和SGZ－730/400型刮板运输机运煤。机组每刀煤截深为0.8米，三刀煤（2.4米）一充填。工作面作业方式为采充凝固采，两天三循环作业。

5201工作面每充填循环产量：

长度*采高*推进度*容重：161米*2.8米*2.4米*1.4=1515吨

4、新三矿162704工作面位于吝家沟村东北100米处，工作面长度174米，推进度1630米，煤层厚度为5.6米，煤层倾角平均7°，埋藏深度387米，储量222.36万吨。工作面采用北京开采研究所设计的充填支架（型号ZC3800/15.5/28.5），工作面选用MG250/600-WD型双摇臂采煤机落煤和SGZ－730/400型刮板运输机运煤。机组每刀煤截深为0.8米，三刀煤（2.4米）一充填。工作面作业方式为采充凝固采，两天三循环作业。

162704工作面每充填循环产量：

长度*采高*推进度*容重：174米*2.8米*2.4米*1.4=1637吨

5、四个矿井平均每天生产原煤：

(1543吨+1590吨+1515吨+1637吨)*1.5=9428吨

一年按照330天生产，产量规模311.1万吨。

5、研究成果已产生的经济效益和社会效益

5.1经济效益分析

峰峰集团有限公司原煤生产每吨成本为320元，膏体充填吨煤增加成本70元，成本合计390元。

膏体充填每年可增加311.1万吨产量，增加311.1万吨*390=121329万元；

按照市场平均销售价格每吨850元计算，每年可增加产值311.1万吨*850元=266332 元；

可增加经济效益：266332万元-121329万元=145003万元。

5.2社会效益分析

（1）采用充填技术可以从根本上盘活“三下”压煤而造成的储量不足问题，可实现集团公司的可持续发展。采用充填开采方案可实现矿井衔接不断档，延长矿井服务年限。

（2）每年将处理矸石266.66万吨，粉煤灰88.89万吨，显著减少矸石、粉煤灰对环境的污染，减少矸石、粉煤灰处理所占用的土地。

（3）减少矸石占用土地，减少矿在工农关系协调工作方面的矛盾，有利于建设和谐矿区，减少工农矛盾。

（4）为集团公司其他矿树立绿色采矿示范，为推进集团公司的技术进步作贡献。

（5）为类似条件下煤矿的膏体充填采煤提供很好的借鉴经验，开创全国绿色矿井建设的新局面。