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粘结性固体充填料大垂深防堵传输技术探究【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润滑性、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