山东华泰矿业有限公司煤矸石似膏体胶结充填可行性论证报告.doc

山东华泰矿业有限公司

煤矸石似膏体胶结充填可行性研究报告

中 南 大 学

目 录
1．研究背景及目的和意义 1
2．充填法开采煤层技术条件 2
3．充填范围、充填采煤方式与充填系统能力确定 3
3.1 充填范围和充填采煤方式 3
3.2 充填系统生产能力与充填材料消耗量计算 4
4．充填方式确定 5
5．充填材料构成与技术参数 6
5.1 煤矸石作为充填骨料的可行性 6
5.2 充填材料构成 9
5.3 充填料浆技术参数 9
6．充填工艺流程 11
7．充填料浆制备及管道输送方案设计 12
7.1 方案设计原则 12
7.2 充填料浆制备站选择 12
7.3 充填制备系统方案设计 13
7.3.1 充填材料消耗量计算 13
7.3.2 主要设施 13
7.3.2 主要设备 16
7.3.3 总图方案设计 19
7.4 井下管道输送系统方案设计 19
8．煤矸石似膏体胶结充填系统可行性评价 21
8.1 环境评价 21
8.2 制备系统可靠性评价 22
8.3 管道输送系统可靠性评价 22
8.4 效益评价 26

1．研究背景及目的和意义
山东华泰矿业有限公司（以下简称“华泰公司”）是山东新汶矿业集团所属主力矿山之一，煤炭储量700万t，三采区是华泰公司主要采煤工区，位于井田东北部，采区范围东至矿井边界，边界线为F秦煤柱线，西部至F付断层，浅部为F秦与F付断层交汇处，深部至F花断层。南部为F秦1及F付断层，北部为F付1断层，三采区面积2.1km2。地面标高+209.35~+224.672m，埋藏深度约-50~-1000m。可采煤层为二、四、七、九、十五、十九层煤，现主要开采二层和十五层煤。
地下矿山采矿活动，不可避免的留下大量采空区，如果未及时进行处理，采空区规模越来越大，会造成采空区顶板岩层突然垮落，不仅危及井下作业安全，而且会引起上覆岩层甚至地表的一定和变形，严重时会导致地表塌陷、地裂缝等重大地质灾害，对地表建（构）筑物造成严重破坏。由于华泰公司三采区开采范围内地表为村庄和农田，且铁路线近似南北、莱麻公路近似东西横穿矿区，属典型的“三下”（ 建筑物下，铁、公路下，水体下）资源。对这部分煤炭资源不能采用常规的陷落法开采，必须寻求能够限制地表移动和变形的新型采矿方法。
充填采矿法由于能够确保 “三下”开采安全，最大限度地回收矿产资源，保护地下、地表环境，在有色金属矿山和贵重金属矿山得到了广泛应用。近些年来，由于充填材料、充填工艺、管道输送装备和技术的不断进步，充填成本不断降低，充填效率不断提高，其优势日渐突出。随着煤炭价格持续在高位运行，该方法在地下煤炭矿山推广应用已成为发展趋势。鉴于华泰公司三采区煤层是典型的“三下”资源，为保证地表建（构）筑物安全，充填采矿法应该是该部分资源开采的首选方法。
另一方面，由于多年的强化开采，华泰公司在地表堆积了大量掘进产生的煤矸石，煤矸石山位于城镇范围内，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且造成城镇环境和地下水污染。如果能够将这部分煤矸石彻底消化，不仅可以恢复宝贵的土地资源，创造显著的经济效益，而且会对保护环境、创建绿色矿山作出重大贡献。为解决矿山堆存的煤矸石出路，华泰公司建成了利用煤矸石制作建筑用砖的建材厂，但其处理煤矸石能力有限。
如果能将煤矸石作为充填骨料，添加胶凝材料形成胶结充填料浆充入井下采煤工作面，不仅可以彻底解决华泰公司“三下”资源的安全开采技术难题，而且为煤矸石提供一条新的处理途径，经济效益、环境效益和社会效益显著，项目符合国家节能减排的政策要求。
虽然中南大学和新汶矿业集团孙村煤矿合作开展了“城镇下煤柱开采煤矸石似膏体管道自流充填综合技术”研究，建成了孙村煤矿煤矸石似膏体充填制备与输送系统并投入生产应用，且经过 1年多的工业运行实践证明，煤矸石似膏体充填技术安全可靠，但由于华泰公司煤矸石物理力学性质、粒级组成、化学成分、堆放时间等与孙村煤矿煤矸石不同，充填制备站距充填工作面的高差和距离也与孙村煤矿完全不同（华泰公司高差更大，输送距离更短），因此华泰公司煤矸石胶结性能、煤矸石似膏体管道自流输送特性与孙村煤矿差别较大，不能简单地将孙村煤矿煤矸石似膏体充填技术移植到华泰公司，必须根据华泰公司煤矸石特性和充填开采技术条件，进行华泰公司煤矸石似膏体充填技术参数和管道自流输送特性试验研究，确定最佳的充填配比参数和管道自流输送参数，进行煤矸石似膏体充填制备与输送系统能力计算和方案设计，在此基础上完成华泰公司煤矸石似膏体制备系统和管道自流输送系统的施工设计和建设，并经过现场工业试验加以完善，以达到华泰公司煤矸石似膏体充填安全、高效的目的。
2．充填法开采煤层技术条件
1）二层煤
二层煤厚0.7~1.51m，平均厚度1.1m，开采上限为-150m，下限到F花断层煤柱，平均走向长度1203m，倾斜长度1600m，面积1.925km2，煤层倾角25°~32°。顶板岩层为深灰色泥岩、粉砂岩和浅灰色砂岩，泥岩地段稳定性较差，砂岩地段稳定性尚好。
2）十五层煤
十五层煤-400m以上已开采完成，根据实际揭露平均煤厚1m左右，-400以下煤厚1.0~3.41m，平均1.36m，开采上限为-200m，下限为-1000m，平均走向长度823m，倾斜长度1400m，面积1.152km2，煤层倾角25°~32°。顶板岩性及稳定性与二层煤基本一致。
3．充填范围、充填采煤方式与充填系统能力确定
3.1 充填范围和充填采煤方式
1）充填范围
华泰公司三采区主采煤层为二层和十五层煤，其各自充填范围如图3-1、图3-2所示。
2）充填采煤方式
根据山东科技大学三采区采充方案设计结论及建议和目前三采的实际情况，在综合考虑安全和经济因素的基础上，确定二层和十五层煤采用间隔充填的回采方案：即在-360~-500m左右开采深度，采用充填面宽120m，非充填面宽60m的开采方案；-500m左右以下，采用充填面宽120m，非充填面宽80m的开采方案。

图3-1华泰公司二层煤充填开采范围

图3-2 华泰公司十五层煤充填开采范围

由于三采的煤层倾角比较大，采用条带式充填，即：回采工作面沿走向推进一段距离后，停采撤面，进行充填。然后，另开切眼，重新推采下一个条带的回采工作面。
首采充填工作面选定在-300m水平。
3.2 充填系统生产能力与充填材料消耗量计算
1）充填系统生产能力
充填作业采用年工作330d，每天2班，每班6h的工作制度。
根据合同要求，充填系统生产能力应达到Qh=120m3·h-1或Qd=1440m3·d-1。
2）日充填量
根据充填系统生产能力，日充填量为：
=1498.2m3·d-1
式中：—压缩沉降系数，取=1.02；
—流失系数，取=1.02。
4．充填方式确定
根据华泰公司三采区具体开采技术条件，可以采用的充填方式包括膏体泵送充填和似膏体自流充填，基于以下原因，确定采用似膏体管道自流充填：
（1）膏体泵送充填虽然技术含量高、井下脱水量少，但系统投资大，技术可靠性差；而似膏体自流充填投资小，操作简单，运行可靠。由于华泰公司三采区充填范围内储量不大，从经济角度而言，适合采用简单可靠的似膏体自流充填技术；
（2）膏体泵送充填，料浆排出后，流动性能差，接顶困难，而似膏体自流充填兼顾充填料浆浓度和浆体流动性，能够尽可能提高空区充满率；
（3）根据国内外充填矿山经验，只有当浆体压头不足，不能采用管道自流输送时，才考虑采取加压输送方式。管道自流输送的标准是管路系统几何充填倍线小于5~6。几何充填管路倍线N按下式计算：
（4-1）
式中：—管道起点和终点的高差，华泰公司三采区充填钻孔预定位置标高+210m，至首采-300m充填水平垂直高差约为510m；
—包括弯头、接头等管件的换算长度在内的管路总长度。首期充填范围水平管道长度500m，三二轨道下山斜长647m，转折段长度58m，加上510m垂直段长度，=1715m。
计算得出华泰公司三采区首期充填范围内充填倍线仅为3.4，完全可以实现自流输送充填。

5．充填材料构成与技术参数
5.1 煤矸石作为充填骨料的可行性
煤矸石是采煤和洗煤的副产品，是无机质和少量有机质的混合物。煤矸石一般呈深灰色，在空气中长期放置，会发生氧化反应或称陶化反应，颜色变为浅紫红色。矿物成分以粘土矿物和石英为主，常见矿物为高岭土、蒙脱石、伊利石、石英、长石、云母和绿泥石类。除了石英和长石外，以上矿物均属于层状结构的硅酸盐，这是煤矸石矿物成分的一个特点。煤矸石的化学成分不稳定，不同地区的煤矸石成分变化较大，其主要化学成分是SiO2、Al2O3和C。其次为Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等金属元素。分析煤矸石物理力学性质及化学成份组成（表5-1~表5-3和图5-1~图5-3），可以得出如下结论：

表5-1 充填料物理力学性能表
充填料
密度/g·cm-3
松散干密度(1)/ g·cm-3
渗透系数/cm·s-1
中值粒径(2)/d50，mm
水上休止角
水下休止角
煤矸石
2.60
1.28/1.33
1.64×10-3
0.16
34.7º
27.6º
粉煤灰
2.65
0.60/0.89
1.04×10-4
0.02
43.0º
22.1º
注：（1）分子为干样松散干密度，分母为水中沉积时松散密度；
（2）中值粒径d50：粒级组成曲线上累积含量50%时对应的颗粒粒径；

表5-2 充填物料不同粒径（mm）组成表（%）
充填料
5~2
2~0.5
0.5~0.25
0.25~0.0075
0.075~0.05
0.05~0.005
<0.005
煤矸石
4.5
24.6
15.3
14.1
6.5
17.0
18.0
粉煤灰

0.2
9.2
9.6
66.0
15.0

表5-3充填料压缩参数测定结果一览表
充填料
压缩系数/MPa-1
压缩模量/MPa
0~50KPa
50~100
100~200
200~400
0~50KPa
50~100
100~200
200~400
煤矸石
3.38
1.12
0.57
0.28
0.53
1.61
3.17
6.45
粉煤灰
2.26
0.70
0.50
0.32
1.20
4.00
5.40
8.51

表5-4充填材料化学成份测定结果/%
充填料名称
CaO
Fe2O3
MgO
SiO2
Al2O3
K2O
Na2O
SO3
P2O5
煤矸石
4.10
6.50
1.69
57.60
19.39
1.87
0.47
4.82
0.13
粉煤灰
2.95
5.67

56.43
27.17

图5-1充填料粒级组成曲线

图5-1充填料单位沉降量与压力的关系曲线

图5-1充填料孔隙比与压力的关系曲线
（1）煤矸石粒级较粗，即使经过破碎，其控制粒度也在5mm以下，因此，充填管道输送特性较差；
（2）煤矸石SiO2含量较高，具有一定的散体强度，是较好的充填骨料；
（3）煤矸石渗透系数较高，达0.00164 cm·s-1，有利于充填体脱水和快速硬化；
（3）虽然煤矸石在压力作用下孔隙比与单位沉降量较大，但由于粉煤灰沉降量小，可以填充煤矸石孔隙，从而有效抑制煤矸石胶结体压缩沉降率，提高采场接顶充填效果。
综上所述，虽然受破碎成本限制，煤矸石粒度较大，管道自流输送过程中容易沉淀且管道磨损严重，但通过添加粉煤灰等细粒物料进行改良并提高浓度后，上述问题可以得到解决，孙村煤矿的充填实践也证明了这一点。
5.2 充填材料构成
华泰公司煤矸石似膏体胶结充填材料由水泥、粉煤灰、煤矸石、减水剂组成。
煤矸石为充填骨料，为便于管道输送，需进行破碎，控制粒度5mm。
普通32.5硅酸盐水泥为胶凝材料。
粉煤灰又称飞灰，是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收集的粉状物质。通常所指的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出、经收尘器收集的物质。在高温下，煤粉颗粒将发生一系列的物理化学变化。首先煤粉达到熔融状态后由于表面张力使表面积达到最小，煤粉颗粒的菱角会收缩使颗粒成为球状，这些熔化的球状颗粒会在煤粉燃烧过程中产生的CO、CO2、SO2和水蒸气中漂浮。这些颗粒充分燃烧离开火焰区域后，会迅速移动到温度较低的区域，然后淬灭成中空厚壁的球状颗粒。由于CO、CO2、SO2和水蒸气的存在，这些颗粒可能与这些气体发生二次聚合和解聚反应。由于粉煤灰具有一定的悬浮性能，可增大充填料浆体积浓度，有效抑制骨料沉淀，改善充填料浆管输性能。
减水剂在充填料浆用水量不变的情况下，可显著提高其流动性或在保持其流动性不变的情况下，大量减少其用水量。
5.3 充填料浆技术参数
水泥、粉煤灰、煤矸石、减水剂等混合物料加水形成质量浓度为70%左右的似膏体（由于水泥、粉煤灰、煤矸石都属轻物料，70%左右质量浓度的充填料浆其体积浓度远大于同质量浓度的尾砂或其他粗骨料胶结料浆），通过钻孔和井下管道输送至待充采场。由于华泰公司煤矸石充填料浆配比试验正在进行中，其关键技术参数尚不能确定，因此暂按孙村煤矿煤矸石似膏体充填料浆技术参数进行相关计算与初步设计，待华泰公司配比试验完成，关键技术参数确定后，再进行详细的理论计算与方案设计。
1）煤矸石似膏体胶结充填料浆配比参数
骨料：煤矸石，粒径小于5mm；
水泥：粉煤灰：煤矸石=1:4:15（质量比）；
质量浓度=70%；
复合减水剂添加量：1.0%~1.5%（水泥与粉煤灰质量和的百分比）。
2）推荐配比充填浆体的物理力学参数指标
（1）7d充填体强度：不低于0.5MPa
（2）泌水率：低于5%
（3）混合固料密度
=2.63t·m-3 （5-1）
式中：—水泥密度，=3.0t·m-3；
—粉煤灰密度，=2.65t·m-3；
—煤矸石密度，=2.6t·m-3。
（4）混合固料中值粒径
根据水泥、粉煤灰、煤矸石中值粒径和配比情况，可以估算出混合固料中值粒径为0.125mm。
（5）浆体体重=1.77t·m-3
（6）体积浓度Cv
=47.1% （5-2）
（7）体积水砂比X
=1.12 （5-3）
6．充填工艺流程
华泰公司煤矸石似膏体充填工艺流程如图6-1所示。

水泥
水泥罐车压气卸料
水泥仓
计量与输送
煤矸石
破碎
煤矸石堆场
计量与输送
搅拌
管道自流输送
充填采场
粉煤灰
罐车压气卸料
粉煤灰仓
计量与输送
水
计量与输送
+5mm
建材厂中碎
-5mm

图6-1 华泰公司煤矸石似膏体充填工艺流程图

在煤矸石山附近建立粗碎站，破碎后5mm以上煤矸石进入建材厂中碎工序，5mm以下煤矸石通过汽车运输至充填站煤矸石堆场。充填时由装载机将堆场中的煤矸石铲装至稳料仓，安装在稳料仓底部的圆盘式给料机向皮带运输机供料，计量后输送至Φ2.2m×h2.4m搅拌桶。
水泥和粉煤灰贮藏、输送系统基本相同。水泥、粉煤灰用散装罐车运送，通过压气卸入立式水泥仓和粉煤灰仓内，经仓底插板阀、星形给料机、冲板流量计计量后通过单螺旋输送机输送至同一个搅拌桶内。
减水剂贮存在减水剂桶中，由泵计量后加入搅拌桶中。
高位水池中的充填用水通过计量后，加入搅拌桶中。
上述各种充填物料在同一个搅拌桶内强力搅拌形成质量浓度为70%左右的似膏体料浆，沿充填钻孔和井下充填管道自流输送至待充采场。
7．充填料浆制备及管道输送方案设计
7.1 方案设计原则
煤矸石充填系统方案设计过程中应遵循如下设计原则：
（1）严格执行合同要求以及国家有关标准、规定、规范，保证设计质量；
（2）充分利用矿山现有设施，尽量减少工程量，从而节约基建投资；
（3）确保充填制备站的服务范围和充填能力；
（4）保证充填系统在服务年限之内的安全和使用的稳定性；
（5）高度重视环境保护和水土保持；
（6）充填站布置应尽量紧凑，节约宝贵的工业场地；
（7）工艺要尽可能简单可靠；
（8）使用过程中易于管理；
（9）管道输送系统运行可靠。
7.2 充填料浆制备站选择
站址选择合理将有利于整个充填系统的正常运行，同时还会提高经济效益。经对华泰公司三采区开采范围内地表地形现场调查，以及对首期充填范围内地表地形图及井下井巷分布图的整理和分析，确定将煤矸石胶结充填系统的制备站设在一块平坦的农田内（图7-1）。

图7-1 华泰公司煤矸石似膏体充填站现场
7.3 充填制备系统方案设计
7.3.1 充填材料消耗量计算
日充填体积为Qmj=1498.2m3·d-1，水泥：粉煤灰：煤矸石=1:4:15，质量浓度为70%的充填料浆体重为1.77t·m-3，则浆体的质量为：1498.2×1.77=2651.81t·d-1，其中混合固料日消耗量为：2651.81×0.7=1856.27t·d-1，水为795.54t·d-1。混合固料中，
水泥：1856.27/20=92.81t·d-1=71.39m3·d-1（水泥松散体重1.3t·m-3）；
粉煤灰：92.81×4=371.24t·d-1=417.12m3·d-1（粉煤灰松散体重0.89t·m-3）；
煤矸石：92.81×15=1392.15t·d-1=1046.73m3·d-1（煤矸石松散体重1.33t·m-3）。

7.3.2 主要设施
1）充填管道与充填钻孔
（1）充填管道直径
根据充填系统充填能力要求和充填料浆工作流速（在兼顾能力、输送可靠性、料浆出口压力的基础上，确定充填料浆工作流速v=3.5m·s-1），充填管道内经DI应不小于：
≈0.11m=110mm （7-1）
式中：Qh—充填系统小时充填能力，Qh =120m3·h-1；
v—充填系统设计工作流速，v=3.5m·s-1=12600m·h-1。
（2）充填管道壁厚
充填管道壁厚按下式计算∶
（7-2）

式中：—管道所受最大压强，取5MPa；
－钢材抗拉许用应力，焊接钢管取80MPa；
－磨损腐蚀量，取2.5mm。
代入式（7-2），得=7.19mm，取壁厚8mm。
（3）充填管道型号
据此选取高锰钢管，材质M16，外径140mm，钢管壁厚12mm，实际管道有效内径DI=116mm。水平管道之间用快速接头连接。
（4）充填钻孔
由于系统从地表至首期充填水平高差超过500m，钻孔破损后处理或者重新施工新钻孔难度较大，因此，应尽量延长钻孔使用寿命。鉴于管径的增大会使浆体在垂直下落时，相对减轻料浆对管壁的直接冲击摩擦，有助于延长管道的使用寿命，因此确定钻孔内充填管道（套管）采用选用Φ159mm×14mm高锰钢管（M16），内径D=131mm，钢管壁厚14mm。垂直管道之间用管箍联结，并加全焊。带有母螺纹的管箍规格型号应与带有公螺纹的垂直管道相匹配，且壁厚不小于14mm。
根据套管固定需要，钻孔荒孔直径确定为245mm，钻孔孔壁与套管之间用油井水泥固结。同时施工两条钻孔，一条使用，一条备用。在充填制备站预留另外两个钻孔的位置，需要时可施工增加新的钻孔。
为尽量利用矿山已有井巷工程，设计钻孔坐标为：
1#钻孔：X=39566955.1104；Y=4006723.1548；Z=+210；
2#钻孔：X=39566957.7242；Y=4006721.6823；Z=+210；
3#钻孔（预留）：X=39566960.3379；Y=4006720.2098；Z=+210；
4#钻孔（预留）：X=39566962.9517；Y=4006718.7374；Z=+210。
钻孔布置有3种方案：
方案I：钻孔施工至-120绞车房（标高水平-100m），充填管道沿三二轨道下山至-300m水平，经500m左右水平管道至首采充填工作面。该方案的优点是：可充分利用三二轨道下山，钻孔深度小（310m），除钻孔与下山相连的短平巷（24m）外，无需另行施工水平巷道，从而节约掘进费用，缩短建设周期。其缺点是大量管道（647m）在下山内布置，管道磨损严重，更换周期短，且发生事故时处理困难。
方案II：钻孔施工至-100m水平，新施工水平巷道至首采工作面上方，另行施工200m深度二级钻孔（-100m至-300m）至首采充填工作面。该方案的优缺点与方案I恰好相反。
方案III：钻孔直接施工至-300m水平，充填料浆沿-300m水平管道至首采充填工作面。该方案与方案II相比，钻孔深度加大（-510m），钻孔偏斜度需严格保证，但无需在井下施工钻孔，减少了充填管路中转环节，提高了充填系统运行可靠度。
综合各方案优缺点，推荐采用方案III。
钻孔与井下水平管道通过变径连接。
2）煤矸石堆场
煤矸石堆场容积，按最大日消耗量（Qmg=1046.73）设计，其有效容积应大于：
=1395.64m3 （7-3）
式中：K3—富余系数，取K3=1.2；
K4—堆场利用系数，取K5=0.9。
据此，设计煤矸石堆场容积1620m3，规格：长25m，宽18m，高3.6m，满足连续12h充填煤矸石用量要求。
3）稳料仓
煤矸石稳料仓容积按0.2h充填煤矸石需要量计算应不小于：
1046.73m3·d-1/12h·d-1×0.2h=17.45m3。
煤矸石稳料仓可用钢板卷制而成，高度应满足装载机（ZL-50）装卸要求。
4）水泥仓
按水泥最大日消耗量71.39m3计算，设计采用一个圆柱—圆锥立式密闭水泥仓。仓体为钢板结构，板厚18mm，圆柱直径Φ4000mm，圆锥母线角65.2º，仓底出料口直径Φ300mm，仓全高10m，容积93.52m3，有效容积79.49m3（料仓装满系数0.85），满足连续12h充填水泥用量要求。在水泥仓上部安装除尘器。
为了破坏放料过程中可能产生的料拱，在仓底部周围安装电磁震动器。为保证水泥均匀向后续螺旋输送机给料，在水泥仓出口安装HXF300可调速星形给料机，为维修与处理故障，在星形给料机上方仓底排料口安装300×300mm手动插板阀，星形给料机下方安装冲板流量计，计量后向螺旋输送机供料。
5）粉煤灰仓
如果按粉煤灰最大日消耗量计算，粉煤灰仓总容积为417.12m3。设计采用两个圆柱—圆锥立式密闭仓。仓体为钢板结构，板厚20mm，圆柱直径Φ5500mm，圆锥母线角65.3º，仓底出料口直径Φ350mm，仓全高14m，容积246.8m3，有效容积209.78m3（料仓装满系数0.85）。两仓交替使用基本满足连续12h充填粉煤灰用量要求。
粉煤灰底部给料设施与水泥仓相同，HXF350可调速星形给料机小时供料能力最大可达35.5m3。
在粉煤灰仓上部安装除尘器。
6）减水剂仓
减水剂仓采用圆桶型，可用钢板卷制。
减水剂按水泥与粉煤灰质量的1.0~1.5%添加，即：
(1~1.5%)×(92.81+371.24)=4.64~6.96t·d-1
减水剂密度1.04t·m-3，按日最大消耗量计算，减水剂仓容积应大于6.8m3。据此设计减水剂仓直径3.0m，高度2.0m，容积14.13m3，有效容积12.01m3（装满系数0.85），满足连续2d的使用量。
减水剂仓应密闭，并设置液位计，由泵计量后加入搅拌桶。
7）高位水池
充填过程中必须有一定压力的足量水源，除了满足充填制浆需要外，还应考虑引流、洗管用水量和紧急情况下的用水量。
设计采用直径15m，高度5.5m的圆形水池，有效容积874.29m3（装满系数0.9），基本满足1d充填用水量（795.54t·d-1）要求。水池底板应超过搅拌桶桶口5m以上。考虑处理堵管事故时需加大供水量，系统小时最大供水能力不能低于80t·h-1。
8）厂房
充填制备系统除水泥仓、粉煤灰仓、水池外，均应安置在专用厂房内。煤矸石堆场可设置简易顶棚。
充填制备站还应设置中央控制室和相应的办公室、煤矸石计量地磅房等。
9）供排水、供暖、供电
供排水、供暖、供电由矿山按要求解决。
7.3.2 主要设备
1）煤矸石破碎系统主要设备
（1）电溜子
电溜子起集料作用，将煤矸石山的煤矸石均匀转运到输送皮带上，由后者输送至破碎设备。电溜子宽800mm，长30m，其中20m埋设在堆场底部，另外10m以15°倾角架空布置到皮带运输机上方。电溜子由本矿机械厂负责加工。
（2）破碎系统
破碎系统包括破碎机和筛分机，破碎粒度5mm以上供给建材厂中碎车间， 5mm以下供给充填制备站。破碎系统能力应满足： 5mm以上粒度400t·d-1，5mm以下粒度1415.85t·d-1。
（3）推土机
堆场中配备一台推土机，负责将电溜子两侧的煤矸石集中到电溜子上，推土机型号：TYB130B，功率130HP，生产厂家：山东推土机总厂。
（4）皮带输送机
皮带输送机根据破碎系统能力选择。
2）充填制备系统
（1）圆盘给料机
煤矸石给料采用敞开座式圆盘给料机，型号:GPK200，圆盘直径2000mm，圆盘转速7.5r·min-1，传动电机功率7.5KW,外形尺寸：长×宽×高=2770×2110×1860mm，给料量100m3·h-1。生产厂家：朝阳通用机械厂。
（2）振动筛
煤矸石稳料仓内的煤矸石通过圆盘给料机向振动筛供料，剔除大块后，进入皮带运输机。振动筛采用自定中心振动式，型号ZD1224，筛孔尺寸：5mm，工作面积2.9m2，处理量70-210t·h-1，筛面倾角15°。外形尺寸：长×宽×高=2500×2150×1340mm，生产厂家：鞍山矿山机械厂。
（3）皮带输送机
皮带输送机负责将来自圆盘给料机、振动筛的煤矸石输送至搅拌桶，因输送距离有限，故选用TD75型通用固定式带式输送机，带宽B=650mm，托辊槽角20°，物料堆积角20°，输送物料最大截面积S=0.0342，倾斜输送（根据振动筛出料口与搅拌桶入口的高差以及距离确定倾角，预计20°~25°），输送倾角系数C=0.82，带速V=1.0m·s-1，输送能力Q为：
Q=S×V×C=0.0342×1.0×0.82=0.028m3·s-1=101m3·h-1 （7-4）
（4）星形给料机
水泥采用HXF300可调速星形给料机，叶轮直径Φ300mm，联轴器传动，齿轮减速电机YTC561，功率1.1KW，通过调节转速，小时供料能力在10~23m3内可调。
粉煤灰采用HXF350可调速星形给料机，叶轮直径Φ350mm，联轴器传动，叶轮转速30.9r·min-1时，小时供料能力可达35.5m3·h-1。
（5）螺旋输送机
水泥由螺旋输送机输送至搅拌桶，型号GX，螺旋直径300mm，长度根据水泥仓与搅拌桶的距离确定，输送能力21.2t·h-1。
粉煤灰由GX400螺旋输送机输送至搅拌桶，长度根据水泥仓与搅拌桶的距离确定，输送能力51t·h-1。
（6）搅拌桶
水泥、粉煤灰、煤矸石、减水剂搅拌采用Φ2200×h2400mm的搅拌桶，有效高度2.0m，有效容积7.36m3。按照120m3·h-1能力要求，浆体在搅拌桶内的停留时间为：7.36/120=0.061h=3.66min。
桶内布置双层搅拌叶片，上层叶片为右旋式，下层叶片为左旋式。每层叶片数目6个，两层共12片。由于浆叶在搅拌过程中主要失效方式为磨损，故建议选用钼铬合金。叶片转速240r·min-1。搅拌桶内安设料位计，出浆口外接短钢管与充填钻孔内相连。搅拌桶安装上、下液位计，出口安装电磁流量计和核辐射浓度计测定浆体流量和质量浓度。搅拌桶底部设置清洗和故障排砂口，由电动螺旋杆控制开启。
搅拌桶上部应设立捕尘设施。
搅拌桶生产厂家：自行加工或吉林辽源重型机器厂。
（7）装载机
采用2台ZL50前端式装载机，分别布置在煤矸石破碎现场和充填制备站现场，负责装载煤矸石。装载机斗容3m3，最大卸载高度3050mm，卸载距离1280mm，最大爬坡能力28°，最高档速28 km·h-1，，发动机功率163KW。
（8）计量设备
煤矸石计量采用电子皮带秤；水泥与粉煤灰计量采用DE10冲板流量计；减水剂及水计量采用LD-80电磁流量计；浆体流量计量采用LD-100电磁流量计，配LDZ-50电磁流量转换器；浆体浓度计量采用核辐射浓度计；料位计，与各料仓、搅拌桶设计时同步考虑。
（9）减水剂泵
减水剂输送泵根据流量0.39~0.58t·h-1确定。
7.3.3 总图方案设计
煤矸石破碎系统与建材厂破碎系统同步考虑，因此，本总图设计仅考虑充填制备系统。
根据充填工艺流程、主要设施和主要设备方案，充填制备站总图方案设计如图7-1所示。由于充填制备站地形平坦，无高差可以利用，因此，充填制备系统厂房采用双层钢结构。水泥、粉煤灰、减水剂输送系统，搅拌系统，控制系统，充填钻孔均布置在厂房内，充填钻孔先期施工两条，预留另外两条位置。厂房待主要系统和两条钻孔施工完毕后封顶，厂房设计应考虑未来钻孔施工要求。
煤矸石堆场设置简易顶棚，皮带输送机设置皮带走廊。
其他设施，如动力房、地磅房、高位水池、办公室等的布置参见图7-1。
整个充填制备站面积9348m2。
7.4 井下管道输送系统方案设计
地表充填制备站制成的符合要求的水泥、粉煤灰、煤矸石浆体沿充填钻孔进入井下充填管道。与充填钻孔布置方案相对应，井下管道输送系统也有3种布置方案：
方案I：钻孔施工（荒孔直径245mm，安装Φ159mm×14mm高锰钢管）至-120绞车房水平（标高-100m），变径后与Φ140mm×12mm高锰主充填管道连接，经24m短平巷进入-120绞车房平巷，沿三二轨道下山至-300m水平，最后经500m左右水平管道至首采充填工作面。
方案II：钻孔施工至-100m水平，变径后与Φ140mm×12mm高锰主充填管道连接，主充填管道沿新施工水平巷道至首采工作面上方后，另行施工200m深度二级钻孔（-100m至-300m，钻孔荒孔直径245mm，安装Φ140mm×12mm高锰钢管）至首采充填工作面。
方案III：钻孔直接施工至-300m水平，变径后与Φ140mm×12mm高锰主充填管道连接，充填料浆沿-300m水平管道至首采工作面。
推荐采用方案III。

图7-1 华泰公司充填制备站总图布置方案

井下管道安装与布设时，应注意以下问题：
（1）为减少充填引流水和洗管水的用量，减轻井下充填料浆排水压力，同时提供堵管时的处理措施，在钻孔与水平管道连接处添置三通管，引入压风和高压水；
（2）保证合理的充填倍线。如果倍线过小，出口浆体压力过大、管道磨损严重，采场充填难度加大；反之，如果倍线过大，则工作流速降低，固体颗粒容易沉淀，造成管道堵塞；
（3）在正常情况下，水平巷道中，管路布设应有一定的下向坡度，不允许出现反向输送和充填；
（4）尽量减少弯道、接头，因为在这些部位，流速容易放缓，局部阻力增大，易造成堵管，绝对避免锐角弯道的存在；
（5）管道连接最好使用快速接头；
（6）在易堵管部位，如弯道等，应设立事故处理阀门；
（7）作为事故处理措施之一，随充填管道同时布设压风管和压水管；
（8）管道每隔一定距离要安装压力表，检测充填过程中的压力变化；
（9）沿程要保证良好的照明和通风条件；
（10）保证安装质量，包括钻孔的垂直度、垂直管道的偏斜度、水平管道的起伏度应严格控制，因为安装质量不好，不仅会加大管道磨损、降低管道使用寿命，而且容易造成堵管。
8．煤矸石似膏体胶结充填系统可行性评价
8.1 环境评价
煤矸石似膏体充填系统满足环境保护要求：
（1）充填骨料煤矸石来自井下掘进工作面，回填井下不会恶化井下工作环境；
（2）煤矸石似膏体呈碱性，不会恶化地下水质，也不会对井下设备产生腐蚀破坏；
（3）煤矸石似膏体体积浓度高，泌水率小，不会脱出大量充填用水，增加井下排水压力，而且似膏体各物料混合均匀，不会产生细颗粒随泌水流出采场而污染井下环境的现象；
（4）煤矸石回填井下，有利于消灭矸石山和环境保护，回收土地资源；
（5）充填采矿既提高了煤炭资源回收率，又保护地表建（构）筑物，有利于防止地下采矿引起地表移动和塌陷等地质灾害；
（6）充填用水可使用经过处理的井下废水，实现水资源的循环使用。
8.2 制备系统可靠性评价
由中南大学和山东新汶矿业集团孙村煤矿合作开发的煤矸石似膏体胶结充填技术已经完成，并投入工业应用， 1年多的工业运行实践表明，煤矸石似膏体制备系统安全可靠。
新泰公司煤矸石似膏体胶结充填制备系统物料贮存、输送系统可靠，充填料浆在搅拌桶内的搅拌时间3.66min，可以保证充填料浆搅拌均匀。
设计采用高位水池，可以保证足量压力水供应，为处理突发事故（如堵管）提供保障。
各物料添加量通过专门计量设施精确计量，所有参数由计算机实施监测与控制，可以根据需要适时调整，保证充填技术参数符合设计要求。
设计2条钻孔，并预留另外2条钻孔位置，可以满足充填要求。
8.3 管道输送系统可靠性评价
1）流动性评价
浆体临界流速是浆体流动阻力最小时的流速，充填浆体欲实现顺利输送，其实际工作流速必须大于临界流速，否则，固体颗粒会沉淀于管道底部，造成管路堵塞。临界流速按下式估算：
（8-1）
式中：—与粒径、浓度等有关的速度系数，根据充填料中值粒径（粒级组成曲线上累积含量50%时对应的颗粒粒径），查图得≈1.05；
DI—管道内径， DI =116mm；
g—重力加速度；
—输送载体（水和100μm以下细颗粒）密度，
（8-2）
—粒径小于100μm的混合料质量。煤矸石粒径小于100μm的颗粒含量约为42%，粉煤灰与水泥粒径小于100μm的颗粒含量约为92%，因此：
=(92.81+371.24)/12×0.92+1392.15/12×0.42