綜合機(jī)械化固體充填采煤礦壓控制原理

李 超

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西太原037000)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，充填采煤技術(shù)已經(jīng)得到一定的應(yīng)用，在水砂充填、風(fēng)力充填、膏體充填、廢石充填等方面均取得了一定的成績(jī)。但是針對(duì)煤礦生產(chǎn)的現(xiàn)有水平而言，任何一種有價(jià)值的采煤技術(shù)都要具有低成本、高效益、安全性高等特點(diǎn)，這樣才可以促進(jìn)煤礦事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前，綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)就是一種非常適用的方法，值得深入分析與研究。

1 綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)概述

1．1 采煤技術(shù)原理與方法

綜合機(jī)械化固體充填采煤就是在綜合機(jī)械化采煤作業(yè)面上同時(shí)進(jìn)行綜合機(jī)械化固體充填作業(yè)。充填采煤技術(shù)的重點(diǎn)就是有效解決充填空間、動(dòng)力、通道等問(wèn)題。針對(duì)水砂充填而言，其動(dòng)力就是水，通過(guò)相關(guān)的管道，將沙運(yùn)輸?shù)讲煽諈^(qū);針對(duì)風(fēng)力充填而言，其動(dòng)力就是風(fēng)，主要就是將矸石碾碎，之后通過(guò)相關(guān)的管道，將粉碎的矸石吹進(jìn)采空區(qū);針對(duì)膏體充填而言，主要就是對(duì)細(xì)小固體顆粒進(jìn)行加工，將其制作成膏體，通過(guò)相應(yīng)的管道，利用高壓泵，將其送進(jìn)采空區(qū)。這些充填采煤技術(shù)對(duì)材料來(lái)源、成本等方面的要求都比較高，并且因?yàn)槠浼夹g(shù)本身很難和現(xiàn)有綜合機(jī)械化采煤技術(shù)相符合，應(yīng)用受到了一定的限制。在利用綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)時(shí)，一定要加強(qiáng)對(duì)采煤技術(shù)難點(diǎn)的解決，結(jié)合實(shí)際情況，提出以下三種方法:①拆除傳統(tǒng)綜合采煤液壓支架掩護(hù)斜梁，之后用水平短梁代替，在水平短梁掩護(hù)空間中充填相應(yīng)的固體，而不是將固體充填在采空區(qū)內(nèi)。②在運(yùn)輸充填固體時(shí)，可以利用帶式輸送機(jī)進(jìn)行輸送，將其運(yùn)輸?shù)窖谧o(hù)短梁下刮板式充填機(jī)處，實(shí)現(xiàn)充填固體的連續(xù)輸送。③通常情況下，充填固體均是利用自重，由刮板式充填機(jī)上落進(jìn)掩護(hù)短梁掩護(hù)空間中，之后進(jìn)行充填固體的壓實(shí)，此過(guò)程需要在采空區(qū)中進(jìn)行，達(dá)到固體的充填密實(shí)。

1．2 巖層控制理論

隨著地下采煤活動(dòng)的不斷擴(kuò)展，人們開(kāi)始對(duì)煤炭采煤巖層運(yùn)動(dòng)和地表沉陷進(jìn)行研究，目前，基本形成了巖層運(yùn)動(dòng)控制理論與地表沉陷預(yù)計(jì)理論。理想巖層運(yùn)動(dòng)控制主要就是開(kāi)采出的煤炭可以完全利用固體進(jìn)行充填，保證巖層不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的條件，地表也不會(huì)出現(xiàn)沉降量，現(xiàn)階段，還無(wú)法利用人工方法予以實(shí)現(xiàn)。所以，可以利用等價(jià)采高方法計(jì)算固體充填，實(shí)現(xiàn)巖層運(yùn)動(dòng)控制與地表沉陷量分析的效果。

2 綜合機(jī)械化固體充填采煤礦壓控制原理

2．1 綜合機(jī)械化采煤礦壓控制原則

礦壓控制就是采場(chǎng)礦壓控制。針對(duì)礦壓控制原則分析，可以從綜合機(jī)械化采煤液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方面予以闡述，綜合機(jī)械化采煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 綜合機(jī)械化采煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

1)確保作業(yè)面工作人員的人身安全。在液壓支架結(jié)構(gòu)中，支架頂梁可以擋住頂板巖石墜落，并且支架掩護(hù)斜梁可以擋住矸石的涌入，在一定程度上，保證了人行通道的安全，進(jìn)而確保了工作人員的人身安全。

2)對(duì)采煤作業(yè)面機(jī)械運(yùn)行予以掩護(hù)。在液壓支架結(jié)構(gòu)中，支架可以保證采煤機(jī)械的運(yùn)行，并且保證整個(gè)煤壁以?xún)?nèi)空間的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了采煤作業(yè)的高效性與安全性。除此之外，保證了作業(yè)面最小通風(fēng)斷面的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以保證通風(fēng)的順暢性，避免出現(xiàn)粉塵污染、火災(zāi)等問(wèn)題。

3)避免作業(yè)面周期來(lái)壓沖擊。綜合機(jī)械化采煤一般比較適合應(yīng)用在長(zhǎng)壁墜落式頂板管理中，作業(yè)面礦壓控制核心主要就是用來(lái)抵御周期來(lái)壓沖擊。所以，支架承載作業(yè)阻力主要包括兩個(gè)方面:初撐力、額定作業(yè)阻力，支架承載的超過(guò)初撐力以上的阻力均由頂板活動(dòng)產(chǎn)生。

2．2 固體充填采煤礦壓控制原則

分析固體充填采煤礦壓控制原則時(shí)，可以根據(jù)固體充填采煤液壓支架結(jié)構(gòu)闡述，固體充填采煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1)確保作業(yè)面工作人員的人身安全。在固體充填采煤液壓支架結(jié)構(gòu)中，支架前后頂梁擋住;額頂板巖石的墜落和綜合機(jī)械化采煤的區(qū)別就是，采空區(qū)已經(jīng)被充填物支撐，不會(huì)再出現(xiàn)垮塌的情況，所以，可以不用設(shè)置相應(yīng)掩護(hù)斜梁。

圖2 固體充填采煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2)強(qiáng)化采煤作業(yè)面的機(jī)械化與作業(yè)面通風(fēng)。盡管支架需要保證采煤作業(yè)面的穩(wěn)定，但是因?yàn)闆](méi)有相應(yīng)的周期來(lái)壓等情況，致使相應(yīng)的頂板與護(hù)壁非常穩(wěn)定，促進(jìn)了煤礦生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。同綜合機(jī)械化采煤作業(yè)面相比，因?yàn)楹箜斄簽樗街?，作業(yè)面通風(fēng)斷面已經(jīng)得到了很大的擴(kuò)展，除此之外，采空區(qū)已經(jīng)被充填密實(shí)，不需要對(duì)作業(yè)面漏風(fēng)等情況進(jìn)行考慮，提高了煤礦生產(chǎn)效率。

3)強(qiáng)化充填作業(yè)面的機(jī)械化。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)充填作業(yè)面有著一定的要求，一定要予以重視:其一，充填空間一定要具備相應(yīng)的高度，盡可能保證后頂梁的水平;其二，保證充填輸送機(jī)的有效運(yùn)行，同時(shí)保證其作業(yè)的平直狀態(tài)，也就是保證架與架之間后頂梁均在同一傾角之內(nèi)。

由上述內(nèi)容可以看出，固體充填采煤礦壓控制原則和傳統(tǒng)綜合機(jī)械化采煤礦壓控制原則，在保證作業(yè)面工作人員人身安全與機(jī)械化操作穩(wěn)定性方面，具有著一定的差異，最為明顯的差異就是兩種支架承載的荷載不同，傳統(tǒng)綜合機(jī)械化采煤的荷載主要就是周期來(lái)壓引起的被動(dòng)壓力，而固體充填采煤的荷載主要就是自主支撐頂板，盡量減小下沉移動(dòng)量。

2．3 固體充填采煤等價(jià)采高礦壓模型

為了可以對(duì)長(zhǎng)壁采煤礦壓理論成果進(jìn)行直接的利用，在相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，提出了計(jì)算固體充填采煤礦山壓力與巖層移動(dòng)的等價(jià)采高礦壓模型。等價(jià)采高指的就是實(shí)際采高減去充填固體壓實(shí)之后高度，其等價(jià)采高數(shù)學(xué)表達(dá)式為Me=M－Mc+(kc－k0)Mc，式中Me表示等價(jià)采高;M表示實(shí)際采高;Mc表示充填高度;kc表示充填固體初始?jí)簩?shí)孔隙率;k0表示最終壓實(shí)殘余孔隙率。

以某礦7606充填采煤作業(yè)面為例，其實(shí)際采高是2．80 m，實(shí)際充填高度是2．65 m，充填固體初始?jí)簩?shí)孔隙率是5%，最終壓實(shí)殘余孔隙率是1%，那么其等價(jià)采高大概是0．25 m。所以，針對(duì)此作業(yè)面的開(kāi)采，可以利用等價(jià)采高為0．25 m的極薄煤層進(jìn)行開(kāi)采，并且對(duì)兩巷地表沉陷量與采動(dòng)壓力進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然，也可以利用等價(jià)采高對(duì)支架被動(dòng)壓力進(jìn)行計(jì)算，但是缺乏一定的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)在作業(yè)面中可以實(shí)現(xiàn)采煤和充填這兩項(xiàng)操作，并且可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)面機(jī)械化的全面展開(kāi)。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，加強(qiáng)綜合機(jī)械化固體充填采煤礦壓控制原理的應(yīng)用，可以保證煤礦生產(chǎn)的安全、可靠，并且在一定程度上促進(jìn)了采煤技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。所以，一定要加強(qiáng)對(duì)綜合機(jī)械化固體充填采煤礦壓控制原理的分析與研究，進(jìn)一步促進(jìn)煤礦采煤與充填技術(shù)的全面發(fā)展，提高煤礦生產(chǎn)效率。

［1］張吉雄，周躍進(jìn)，黃艷利．綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(11)．

［2］繆協(xié)興．綜合機(jī)械化固體充填采煤礦壓控制原理與支架受力分析［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(6)．

［3］張吉雄，姜海強(qiáng)，繆協(xié)興，等．密實(shí)充填采煤沿空留巷巷旁支護(hù)體合理寬度研究［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013(2)．

［4］繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮．綜合機(jī)械化固體充填采煤方法與技術(shù)研究［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2010(1)．