郭 咏
中勘资源勘探科技股份有限公司，安徽淮北 235047
摘要：本文先分析了建筑物下注浆充填回收煤炭资源的作用，随后重点分析覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统所实现的技术目标、技术特征、系统工作流程及原理，以及系统所实现的技术效果。
关键词：覆岩隔离注浆充填；智能化注浆系统；自动化控制
1.综述
煤炭是国家经济发展的命脉，煤炭资源开采也是国家经济发展的重要能源支柱产业。然而，建筑物下压煤的开采，一直是困扰煤矿的重大难题，尤其是村庄下压煤开采。随着部分矿区资源的趋减并逐渐枯竭，村庄压煤问题愈发突出；特别是在经济相对发达地区，因土地资源紧张、征迁费用的提高，不搬迁开采建筑物下压煤也就势在必行。建筑物（村庄）压煤的成功开采，对提高煤炭资源利用率、缓解矿井资源紧张局面意义重大。
传统的建筑物下压煤问题解决方法有留设保护煤柱、条带开采、离层注浆充填、采空区充填（如矸石充填、膏体充填、高水材料充填等）。留设保护煤柱方法虽然能够解决地表沉陷问题，但无法回收建筑物下压煤，以至造成大量的煤炭损失；条带开采的缺点就是回采率低（一般小于50%），资源浪费严重，且巷道掘进率高、生产效率低，严重制约着煤矿高产高效发展；传统的离层注浆充填，仅在非充分开采时（即开采区域尺寸较小）减沉效果较好，但缺点是无法在相邻多工作面开采时取得理想的减沉率，即注浆充填开采第一个工作面时减沉效果较好，而开采相邻第二个工作面时减沉率则有限，甚至出现注浆困难，从而导致失败的情况；采空区充填在解决部分矿井建筑物下压煤问题的同时，这也显示出局限与不足之处。例如，充填系统初期投资大、充填体接顶性差、充填材料价格高、充填与采煤干扰大、充填采煤效率低等。
通过设计合理的工作面采宽并留设一定宽度的隔离煤柱控制相邻工作面均处于非充分采动状态，充分利用上覆岩层结构的自承载能力，控制一部分开采沉陷，通过地面钻孔对采动覆岩离层区高压注浆充填，在采空区产生一定宽度的注浆充填压实区，最终形成“覆岩结构－隔离煤柱－充填压实区”承载结构联合对地层进行支撑，转移隔离煤柱承担的覆岩载荷，提高采出率，限制采动覆岩结构的弯曲下沉量，减小采动地表沉陷量，实现不迁村采煤。
为了解决充填问题，人们都采用了敷设大量的管道及其注浆泵，以实现注浆的目的。但是，该传统的注浆技术方法有很多指标不便于控制，只能实现大概的注浆效果。而现有的注浆方法也存在一些缺陷，主要集中在以下几点：①无法精确控制注浆浓度，注浆浓度控制完全依靠人工经验先进行取样检测，然后再通过控制原料和水的加入比调节。②注浆压力参数是覆岩隔离注浆中一个极其重要的的参数，原始的数据采集是靠人为巡查记录，对实时注浆参数调整有滞后性，也不利于后期资料整理及项目数据分析。③所有的注浆操作环节均依靠人力，工人生产劳动强度高。④注浆管大多采用的是高压管，且随意铺设在路面上，铺设的长度较长，注浆过程中，注浆压力较大，又经常被重型车辆碾压，出现爆管现象，对行人造成意外伤害。
本覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统，就能解决这些充填问题，并解决现有现有技术中存在的诸多问题。
2.覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统实现的技术目标
设计覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统（包括制浆单元、搅拌单元、注浆单元、智能注浆系统平台），解决自动化注浆的根本问题。该系统主要有以下技术路线和目标：①制浆单元包括高速制浆机，能将粉粒物料、水进行混合后制浆操作；②搅拌单元包括搅拌池，能将制浆后的浆液通过输送到搅拌池中均匀搅拌；③搅拌后的浆液通过注浆泵在空气包的缓冲稳压作用下输送到钻孔内的注浆单元；④注浆单元所在的钻孔部位设置有在线压力传感器，用于监测钻孔位置浆液的注浆压力，并将注浆压力值数据传输给智能注浆系统平台；⑤智能注浆系统平台根据反馈的实际注浆压力值与自建模块的预设区间压力值比较，当注浆压力值超出预设压力值区间时，智能注浆系统平台控制报警装置启动，并控制注浆泵的开启数量，从而达到注浆压力及注浆量的控制。
3.覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统的技术特征
我们研究设计的智能化注浆系统，技术特征与先进性主要几种在以下几点：①制浆单元分别与给料单元和供水单元相互连通，所述给料单元和供水单元内设置有传感器，分别将给料单元和供水单元的储藏量数据传输给智能注浆系统平台。②注浆泵的注浆输送管道内安装有浆液密度计，并将注浆泵的浆液浓度数据传输给智能注浆系统平台。③注浆泵的注浆输送管道内安装有流量计，并将注浆泵的浆液流量数据传输给智能注浆系统平台。④注浆泵与空气包之间采用球阀控制。⑤注浆泵设置为多组，每组注浆泵分别通过注浆输送管道传输至注浆单元所在的钻孔位置。⑥智能注浆系统平台与移动设备或PC端设备通过数据连接。⑦智能注浆系统平台采用充电式移动锂电池供电。⑧智能注浆系统平台的数据传输模块中安装有SIM卡，用于储存在线压力传感器传输的注浆压力值数据。
4.覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统工作流程及原理
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1）智能化注浆系统结构。如图1所示，这种覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统，包括制浆单元、搅拌单元、注浆单元、智能注浆系统平台。制浆单元包括高速制浆机1，高速制浆机将装有粉粒物料的给料单元11和装有水的供水单元12相互连通，且在给料单元和供水单元内装有红外感应器，用于实时监测内部的储藏料量，并将储藏量数据传输给智能注浆系统平台，智能注浆系统平台根据系统设置的固定配比参数，即可控制给料单元和供水单元的实际给料配比，进而控制浆液浓度，混合后置于高速制浆机中进行制浆操作。搅拌单元包括搅拌池2，搅拌池将高速制浆机制浆后的浆液通过螺旋输送机11输送到搅拌池中，并得到进一步搅拌混合。
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2）智能化注浆系统工作流程。如图2所示，搅拌后的浆液通过注浆泵3在空气包4的缓冲稳压作用下被输送到钻孔所在的注浆单元5内，注浆泵3与空气包4之间采用球阀31控制。当设备发生故障时，可实时通过关闭球阀31，进行分段处理，避免注浆泵3对注浆单元5的影响，这样就不会影响整个注浆系统的正常运行。且通过空气包4的缓冲稳压作用，负荷高压的注浆输送管道震动大幅减小，从而避免的对管路的破坏。并在注浆泵3输出浆液的注浆输送管道中加入浆液密度计41和流量计42，且浆液密度计和流量计分别将数据传输给智能注浆系统平台。浆液密度计的设置可直观检测注浆输送管道内的浆液密度，减少了人工取样进行检测的繁琐，同时提高了检测的精准度，大大缩小了劳动强度，智能注浆系统平台根据浆液密度计以及流量计的数据，实时控制给料单元11和供水单元12的给料速度以及相互之间的给料配比。
智能注浆系统平台与移动设备或PC端设备通过数据连接，可在移动端或者PC端直接观察到整个系统的运行情况。
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3）智能化注浆系统注浆压力控制。如图3所示，注浆系统同时在钻孔部位设置有在线压力传感器，在线压力传感器用于检测注浆单元5所在的钻孔的注浆压力，并将注浆压力值数据传输给智能注浆系统平台。智能注浆系统平台根据反馈的注浆压力值数据，与自建模块的预设压力值区间比较。当注浆压力值超出预设区间压力值时，智能注浆系统平台控制报警装置启动，并控制注浆泵3注浆给注浆单元5的运行数量。当监测的压力值小于预设压力值区间，则增加注浆泵3的开启数量（一共设置为4组，正常开启状态下的注浆泵为3组），以便对注浆单元5内的注浆量加大，提高注浆单元5所在钻孔位置的注浆压力，使其达到压力平衡；当监测的注浆压力值大于预设压力值区间，则减小注浆泵3的开启数量以便对注浆单元5内的注浆量减小，使注浆单元5所在的钻孔位置的压力达到平衡。当注浆压力值达到正常的预设压力值区间，则通过智能注浆系统平台控制只有3组注浆泵的运行。
智能注浆系统平台采用充电式移动锂电池供电，可进行循环充电使用，智能注浆系统平台的数据传输模块中安装有SIM卡，用于储存在线压力传感器传输的数据，以方便后期的数据调取。
本装置采用自动化控制，制浆单元通过给料单元和供水单元连通，并通过浆液密度计，适时调节浆液的浓度，减少人工取样操作的劳动强度，提高工作效率，并保证浆液比重符合施工要求。
5.覆岩隔离注浆充填智能化注浆系统实现的技术效果
1）自动化控制。本装置采用自动化控制，制浆单元通过给料单元和供水单元连通，并通过浆液密度计，适时调节浆液的浓度。这可减少人工取样的操作，提高工作效率，保证浆液比重符合施工要求。
2）压力监控。本装置通过注浆单元所在的钻孔位置的压力监测，将钻孔位置的压力作为覆岩隔离注浆的关键性参数，通过模块传到自建的智能注浆系统平台，工作人员可通过移动设备或者电脑实时查看压力值变化。当检测的压力值超过自建模块的预设压力值区间，则会触发报警装置自动报警，并控制注浆泵的减少或增加来控制钻孔位置的压力平衡，从而实现覆岩注浆减沉效果的控制，从而减少安全事故的发生。
3）球阀分段控制。注浆泵与空气包之间采用球阀控制，当设备发生故障时，可通过关闭球阀，分段处理，不影响整个注浆系统。且通过空气包的稳压作用，负荷高压的注浆管路震动大幅减小，从而避免的对管路的破坏。
6.结论
本智能化注浆系统的研究设计，可以解决注浆充填自动化控制的问题。从配料、搅拌，到注浆位置、注浆量和注浆压力的控制，全部实现了智能化。准确的注浆控制，既能节能原材料投入，又能减轻人工操作的工作量，还能实现安全控制。这对于需要注浆开采的煤层来说，也是提高资源回收率的有效措施，可以大大增加煤炭资源回收效益。
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