一种煤矿采空区全势能膏体充填系统和方法技术领域
本发明涉及采矿工艺领域，具体的是一种煤矿采空区全势能膏体充填系统，还是
一种煤矿开采全势能末端管道输送膏体充填方法。
背景技术
据不完全统计，我国生产矿井“三下”(指建筑物下、铁路下、水体下)压煤量达143
亿吨，随着我国经济的高速发展，对煤炭资源的开发利用越来越高，“三下”压煤开采为煤矿
开采面临的主要问题。长期以来，我国建下压煤主要采用村庄搬迁、条带开采、水砂充填和
覆岩离层注浆等几种方式。尤其是充填开采方式工艺落后，充填成本高，难以维持和推广。
另一方面，煤矿开采产生的煤矸石和电厂燃煤所产生的粉煤灰等工业废弃物也带
来了空气污染、水体污染、占用耕地等一系列问题。
发明内容
为了解决煤矸石和粉煤灰工业废弃物污染和“三下”采空区充填的问题，本发明提
供了一种煤矿采空区全势能膏体充填系统和方法，该煤矿采空区全势能膏体充填系统和方
法充分利用了矸石、水泥和粉煤灰等来源广泛的充填材料。该煤矿采空区全势能膏体充填
系统和方法是一种工艺设备简单、效率高、投资少、成本低、可持续的煤矿“三下”采空区全
势能膏体充填技术。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种煤矿采空区全势能膏体充填系统，包括：
制浆设备，用于将水泥和粉煤灰制成浆料；
矸石供给设备，能够向地下的待充支巷输送矸石；
浆料输送管，用于向地下输送所述浆料；
高压软管，一端与浆料输送管连接，高压软管能够将浆料输送管排出的所述浆料
引导至待充支巷。
所述制浆设备含有水泥罐、粉煤灰罐、水池和搅拌机，水泥罐中的水泥、粉煤灰罐
中的粉煤灰和水池中的水能够进入搅拌机中混合搅拌，所述制浆设备位于地面。
水泥罐和搅拌机之间设有用于控制水泥供应量的螺旋秤，粉煤灰罐和搅拌机之间
设有用于控制粉煤灰供应量的螺旋秤，水池和搅拌机之间设有用于控制水供应量的水量控
制仪。
浆料输送管含有竖直段和水平段，浆料输送管的竖直段位于煤矿立井内，浆料输
送管的水平段位于井下运输平巷内，该制浆设备还含有储浆罐，搅拌机的出料口与储浆罐
的入口连接，储浆罐的出口与浆料输送管的竖直段的上端连接。
所述矸石供给设备含有矸石输矸通道、矸石缓冲仓、第一矸石传送皮带、第二矸石
传送皮带和第三矸石传送皮带，矸石输矸通道、矸石缓冲仓、第一矸石传送皮带、第二矸石
传送皮带和该第三矸石传送皮带均位于地下，地面上的矸石能够依次经过矸石输矸通道、
矸石缓冲仓、第一矸石传送皮带、第二矸石传送皮带和所述第三矸石传送皮带后被输送至
待充支巷。
矸石输矸通道为竖直状态，矸石缓冲仓位于矸石输矸通道的正下方，矸石输矸通
道的内径为500mm，矸石输矸通道的内壁设有陶瓷耐磨管，矸石缓冲仓内的底部设有破碎
杆，该破碎杆能够使所述矸石在矸石输矸通道中自由下落后与该破碎杆碰撞粉碎。
所述矸石供给设备还含有煤矸分离装置、矸石储存仓和第四矸石传送皮带，煤矸
分离装置、矸石储存仓和第四矸石传送皮带均位于矸石缓冲仓的下方，第四矸石传送皮带
和第二矸石传送皮带连接，煤矸分离装置分离出矸石能够依次经过矸石储存仓和第四矸石
传送皮带、第二矸石传送皮带和所述第三矸石传送皮带后被输送至待充支巷。
第二矸石传送皮带位于采区下山内。
高压软管能够弯曲，高压软管的一端的直径为高压软管另一端的直径的2倍至5
倍。
该煤矿采空区全势能膏体充填方法采用了上述的煤矿采空区全势能膏体充填系
统，该煤矿采空区全势能膏体充填方法包括以下步骤：
步骤1、将待充支巷的下出口封堵严密，使高压软管的另一端与待充支巷的上出口
相对应，使该矸石供给设备的出矸石位置与待充支巷的上出口相对应，开启该制浆设备和
矸石供给设备，向待充支巷内灌注所述浆料和矸石的混合物，直至该混合物充填结实顶板
为止；
步骤2、使高压软管的另一端向外侧的下一个待充支巷移动，使该矸石供给设备的
出矸石位置向外侧的下一个待充支巷移动，重复步骤1，直至完成所有待充支巷的充填。
本发明的有益效果是：
1、满足矿井垂直传输以及井下长距离输送矸石的要求，结合高水材料流动性和胶
结性好，浆液和矸石在一起滚动中充分混合，运用势能实现自流，同时省去了搅拌装置和输
送装置，整个充填过程不需要额外耗费动力，从而实现充填的连续性与高效性，充填成本大
大降低；
2、因添加一定量的水泥，具有长期的稳定性和较强的粘结性和抗剪切强度，完全
能实现充填物成型的要求；混合后形成具有初始流速的膏体胶结物，实现下山自流充填结
实顶板，充填效果好，强度高，有效的控制顶板破坏和地表沉降；
3、由于充填速度快，实现了充填速度大于回采速度，解决了充填制约开采的问题，
为工作面的进一步开采提效创造了空间；
4、本发明充填方法即解决了采煤场矸石上井的问题，又解决了地面洗煤厂矸石处
理的问题，还解决了电厂粉煤灰的处理问题，改善了矿区周边生态环境。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是该煤矿采空区全势能膏体充填系统的总体示意图。
1、水泥罐；2、粉煤灰罐；3、水池；4、搅拌机；5、储浆罐；6、煤矿立井；7、浆料输送管；
8、井下运输平巷；9、采区下山；10、上出口；11、高压软管；12、充填工作面；13、待充支巷；14、
木板；15、矸石储存仓；16、煤矸分离装置；17、矸石缓冲仓；18、第一矸石传送皮带；19、矸石
输矸通道；20、储矸场；21、第二矸石传送皮带；22、第四矸石传送皮带；23、胶带输送机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种煤矿采空区全势能膏体充填系统，包括：
制浆设备，用于将水泥和粉煤灰制成浆料；
矸石供给设备，能够向地下的待充支巷13输送矸石；
浆料输送管7，用于向地下输送所述浆料；
高压软管11，一端(如图1中高压软管11的左端)与浆料输送管7连接，另一端(如图
1中高压软管11的右端)的位置与待充支巷13相对应，高压软管11能够将浆料输送管7排出
的所述浆料引导至待充支巷13，使所述浆料与矸石在待充支巷13内混合成膏体，如图1所
示。
在本实施例中，所述制浆设备含有水泥罐1、粉煤灰罐2、水池3和搅拌机4，水泥罐1
中的水泥、粉煤灰罐2中的粉煤灰和水池3中的水能够进入搅拌机4中混合搅拌从而制成浆
料，所述制浆设备位于地面，如图1所示。水泥罐1和搅拌机4之间设有用于控制水泥供应量
的螺旋秤，粉煤灰罐2和搅拌机4之间设有用于控制粉煤灰供应量的螺旋秤，水池3和搅拌机
4之间设有用于控制水供应量的水量控制仪，螺旋秤和水量控制仪均为现有设备。
在本实施例中，浆料输送管7含有竖直段和水平段，浆料输送管7的竖直段位于煤
矿立井6中，浆料输送管7的水平段位于井下运输平巷8内，该制浆设备还含有储浆罐5，搅拌
机10的出料口与储浆罐5的入口连接，储浆罐5的出口与浆料输送管7的竖直段的上端连接，
如图1所示。
具体的，并从煤矿立井6中向井下的充填工作面12布置浆料输送管7；搅拌机4为双
轴螺旋搅拌机，储浆罐5的底部与浆料输送管7的竖直段的上端连通；通过水泥罐1和粉煤灰
灌2底部的螺旋秤，按比例调节水泥和粉煤灰进入搅拌机4的给入量，同时通过水池3的水量
控制仪按比例调节进入搅拌机4的给水量，经搅拌机4的均匀搅拌后制成混合浆料，将混合
浆料注入储浆罐5。在混合浆料中上述材料配比的重量份数为：水泥25份、粉煤灰25份、水50
份。
在本实施例中，所述矸石供给设备含有矸石输矸通道19、矸石缓冲仓17、第一矸石
传送皮带18、第二矸石传送皮带21和第三矸石传送皮带(图中未示，但位置与高压软管11的
位置基本相同)，矸石输矸通道19、矸石缓冲仓17、第一矸石传送皮带18、第二矸石传送皮带
21和该第三矸石传送皮带均位于地下，地面上的矸石能够依次经过矸石输矸通道19、矸石
缓冲仓17、第一矸石传送皮带18、第二矸石传送皮带21和所述第三矸石传送皮带后被输送
至待充支巷13的上出口10，如图1所示。
在本实施例中，矸石输矸通道19为竖直状态，矸石缓冲仓17位于矸石输矸通道19
的正下方，，矸石输矸通道19的内径为500mm，矸石输矸通道19的内壁设有陶瓷耐磨管，矸石
缓冲仓17内的底部设有破碎杆，该破碎杆能够使所述矸石在矸石输矸通道19中自由下落后
与该破碎杆碰撞粉碎。所述矸石供给设备还含有煤矸分离装置16、矸石储存仓15和第四矸
石传送皮带22，煤矸分离装置16、矸石储存仓15和第四矸石传送皮带22均位于矸石缓冲仓
17的下方，第四矸石传送皮带22和第二矸石传送皮带21连接，矸石缓冲仓17和矸石储存仓
15均为具有一定容积的呈漏斗形结构，煤矸分离装置16分离出矸石能够依次经过矸石储存
仓15和第四矸石传送皮带22、第二矸石传送皮带21和所述第三矸石传送皮带后被输送至待
充支巷13的上出口10，所述浆料与矸石在待充支巷13的上出口10开始混合。
具体的，矸石输矸通道19的直径为500mm，并且矸石输矸通道19内壁设有陶瓷内衬
耐磨管，第二矸石传送皮带21位于采区下山9内。将地面洗煤厂产出的矸石运送到储矸场
20，当需要进行充填时，可以通过地面的胶带输送机23均匀的输送到矸石输矸通道19中，矸
石输矸通道19中矸石在自由下落后与矸石缓冲仓17底部的破碎杆碰撞粉碎，使40％以上的
矸石破碎成粉末状，并储存在矸石缓冲仓17中。高压软管11能够弯曲和摆动，这样高压软管
11的另一端在充填完一个待充支巷13后可以移动至另一个待充支巷13的位置进行下一次
的充填。高压软管11的一端的直径为高压软管11另一端的直径的2倍至5倍，即图1中高压软
管11左端的直径为高压软管11右端直径的2倍至5倍。
一种煤矿采空区全势能膏体充填方法，该煤矿采空区全势能膏体充填方法采用了
上述的煤矿采空区全势能膏体充填系统，该煤矿采空区全势能膏体充填方法包括以下步
骤：
步骤1、将充填工作面12的待充支巷13的下出口采用木板14封堵严密，使高压软管
11的另一端与待充支巷13的上出口10相对应，使该矸石供给设备的出矸石位置(即所述第
三矸石传送皮带的出料端)与待充支巷13的上出口10相对应，开启该制浆设备和矸石供给
设备，向待充支巷13内灌注所述浆料和矸石的混合物，直至该混合物充填结实顶板为止。具
体的，储浆罐5中的混合浆料利用高度差产生的动力形成稳定的流量，经高压软管11后自流
输送到充填工作面12的上出口10，通过待充支巷13的自然坡度进行下山自流；同时，矸石缓
冲仓17中的矸石粉末用井下的第一矸石传送皮带18运至采区下山9；将井下煤矸分离装置
16产生的矸石暂存在矸石储存仓15中，用第四矸石传送皮带22运至采区下山9；上述来自井
上、井下的矸石在采区下山的双层胶带输送机(即第二矸石传送皮带21)汇合后，运送到充
填工作面12的上出口10，通过待充支巷13的自然坡度进行向下自溜；混合浆料和矸石在一
起滚动中充分混合，在待充支巷13中形成膏体，并由下到上逐步结实顶板，完成整个待充支
巷13的充填。
步骤2、使高压软管11的另一端(如图中高压软管11的右端)向外侧的下一个待充
支巷13移动，使该矸石供给设备的出矸石位置向外侧的下一个待充支巷13移动，重复步骤
1，直至完成所有待充支巷13的充填。即如图1所示，从右向左一个一个的充填待充支巷13，
直至完成所有待充支巷13的充填。
通过上述介绍可知，本发明的有益效果是：
1、满足矿井垂直传输以及井下长距离输送矸石的要求，结合高水材料流动性和胶
结性好，浆液和矸石在一起滚动中充分混合，运用势能实现自流，同时省去了搅拌装置和输
送装置，整个充填过程不需要额外耗费动力，从而实现充填的连续性与高效性，充填成本大
大降低；
2、因添加一定量的水泥，具有长期的稳定性和较强的粘结性和抗剪切强度，完全
能实现充填物成型的要求；混合后形成具有初始流速的膏体胶结物，实现下山自流充填结
实顶板，充填效果好，强度高，有效的控制顶板破坏和地表沉降；
3、由于充填速度快，实现了充填速度大于回采速度，解决了充填制约开采的问题，
为工作面的进一步开采提效创造了空间；
4、本发明充填方法即解决了采煤场矸石上井的问题，又解决了地面洗煤厂矸石处
理的问题，还解决了电厂粉煤灰的处理问题，改善了矿区周边生态环境。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同
组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的
范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与
技术方案之间均可以自由组合使用。