綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)研究

高 朝

（陽煤集團(tuán)安監(jiān)局， 山西 陽泉 045000）

1 充填采煤技術(shù)概況

煤炭資源在消費(fèi)結(jié)構(gòu)及能源生產(chǎn)中占有重要地位，然而我國“三下”壓煤問題相對(duì)于發(fā)達(dá)國家的采煤實(shí)踐仍具有較多的問題，即在水體、鐵路以及建筑物條件下煤炭開采技術(shù)相對(duì)落后并嚴(yán)重制約了區(qū)域煤炭企業(yè)的發(fā)展，并且采煤過程中存在的環(huán)境污染問題與我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)明顯不符。隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的不斷發(fā)展，煤炭企業(yè)逐漸開始強(qiáng)調(diào)科學(xué)采煤和綠色開采的理念，因此綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)得到了充分的研究發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。近年來，該技術(shù)在松散含水層、大范圍水體條件、公路和鐵路交叉網(wǎng)以及密集建筑群下礦區(qū)開采的成功應(yīng)用，表現(xiàn)出了獨(dú)特的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1]。

1.1 主要技術(shù)難點(diǎn)

對(duì)冶金礦山充填應(yīng)用煤炭充填開采技術(shù)存在較大的問題和誤區(qū)。在冶金開采過程中水砂機(jī)膏體充填的基礎(chǔ)為礦房中完整的通道和空間，同時(shí)冶金開采對(duì)巖土的控制要求不同于煤炭資源開采，開采要求相對(duì)較低。煤炭資源大部分存在于沉積巖中，目前利用長臂垮落的煤炭開采方式往往不能保證充填時(shí)所需空間及巷道的完整性，并且采用該方法可出現(xiàn)較為突出的下踩空區(qū)覆巖垮落問題。因此，克服充填工作所需的通道、空間以及動(dòng)力三大技術(shù)難題為煤礦充填開采工作的基礎(chǔ)和重要條件[2]。為了提供采空區(qū)矸石充填所需的空間應(yīng)首先保證采空區(qū)頂板的微下沉或不垮落。連續(xù)完整的輸送通道為固體充填材料運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)和重要保障，同時(shí)為了確保采空區(qū)的密室充填應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注填充材料的動(dòng)力來源。為了快速高效地對(duì)采空區(qū)固體材料進(jìn)行連續(xù)運(yùn)輸，應(yīng)形成較為穩(wěn)定、安全的連續(xù)輸送通道。

1.2 填充采煤技術(shù)目標(biāo)

現(xiàn)代化礦區(qū)充填采煤技術(shù)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步逐漸發(fā)展成在滿足高效、安全采煤的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、安全填充的雙重目標(biāo)。因此，通過不斷的探索和研究，開發(fā)與現(xiàn)代化綜合機(jī)械化采煤技術(shù)相匹配的充填一體化技術(shù)?，F(xiàn)代化充填采煤技術(shù)在此目標(biāo)基礎(chǔ)下應(yīng)具有以下幾方面要求：煤炭資源的高效、安全開采；針對(duì)不同的保護(hù)對(duì)象應(yīng)嚴(yán)格控制地表與巖層的移動(dòng)；有較為明顯的綜合效益。

2 綜合機(jī)械化固體填充采煤一體化技術(shù)

2.1 系統(tǒng)布置

綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)其主要充填材料為建筑垃圾、粉煤灰以及地面矸石等固體廢棄物，利用固體廢棄物直接投放系統(tǒng)或連續(xù)輸送系統(tǒng)可將其直接投入井下，然后經(jīng)過輸送機(jī)的傳遞輸送作用可到達(dá)采煤工作面。對(duì)煤炭采空區(qū)的壓實(shí)作用可利用煤炭充填一體化液壓支架以及刮板式充填輸送機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)不僅克服了固體材料密室性充填問題[3]，而且有效解決了充填運(yùn)輸所需的連續(xù)通道和空間問題。綜合機(jī)械化固體充填采煤工作面大致與傳統(tǒng)的綜采工作面相同，并且固體充填物料輸送帶往往布置在采煤工作面的后部，在此條件下可實(shí)現(xiàn)在同一工作面系統(tǒng)中采煤與充填的并行作業(yè)。

2.2 液壓支架

在系統(tǒng)分析采場(chǎng)礦壓顯示規(guī)律的基礎(chǔ)上煤炭企業(yè)經(jīng)過多年的努力和探索建立了采場(chǎng)礦壓力學(xué)模型，然后通過詳細(xì)分析傳統(tǒng)采煤被動(dòng)受壓的破壞機(jī)理揭示了充填采煤支架主動(dòng)支撐頂板的作用力傳遞過程和受壓變化規(guī)律，設(shè)計(jì)發(fā)明了充填采煤一體化液壓支架并可對(duì)固體廢棄物密室充填以及掩護(hù)綜合機(jī)械化采煤并行作業(yè)，該液壓支架可有效確保各項(xiàng)充填采空區(qū)工藝的實(shí)施和煤炭的安全、高效生產(chǎn)。后頂梁和前頂梁為該一體化液壓支架的主要組成部分，并且前梁支護(hù)能力低于后梁。前頂梁和后頂梁的功能作用分別用于采煤和掩護(hù)充填作業(yè)，液壓支架的后部支撐能力因頂梁下部設(shè)置的2根獨(dú)立柱而顯著提高，并且在其掩護(hù)的空間范圍內(nèi)可直接引入固體廢棄物。夯實(shí)機(jī)構(gòu)與支架后部連為一體并可顯著增強(qiáng)充填物的夯實(shí)力2 MPa以上[4]，且為保證采空區(qū)的充填率，該夯實(shí)結(jié)構(gòu)可根據(jù)地表沉陷和巖層移動(dòng)控制目標(biāo)要求進(jìn)行精準(zhǔn)的自主調(diào)控。

3 實(shí)例應(yīng)用

以山西某大型河堤下充填采煤為例對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用效果及未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

3.1 填充采煤一體化技術(shù)的應(yīng)用

山西某煤礦地表為大型河堤和村莊，其“三下”壓煤量占該區(qū)域可采儲(chǔ)總量的60%以上，矸石充填區(qū)位于煤礦五采區(qū)煤層厚度為3.0 m，平均采深約560 m。村莊建筑面積約12.5萬m2，占地面積約45.0萬m2。為滿足該區(qū)域建筑物保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其充填密實(shí)度應(yīng)為0.82，結(jié)合河堤保護(hù)相關(guān)要求和實(shí)際情況離河堤約近的工作面其充填密實(shí)度應(yīng)越高，其最大值同樣為0.82。煤炭采煤完成后地表最大沉降量實(shí)測(cè)值為350 mm，如不加以采取充填措施其預(yù)計(jì)最大沉降量可達(dá)2 610 mm。固體充填一體化采煤技術(shù)主要是以充填液壓支架為載體實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的充填，其充填固體廢棄物主要有矸石、建筑垃圾、廢石、粉煤灰等，并且在該過程中還需要應(yīng)用到充填投料系統(tǒng)以及輸送機(jī)等相關(guān)設(shè)備，其具體方法是利用輸送設(shè)備完成固體充填材料至采空區(qū)的輸送并通過液壓支架施加相應(yīng)的作用力最終達(dá)到壓實(shí)、充填的目的。

因此該煤礦引入充填一體化技術(shù)設(shè)備并且地表沉降量在實(shí)施充填后其減沉率高達(dá)85%以上。實(shí)踐表明，該充填采煤一體化技術(shù)主要是將矸石等固體廢棄物通過機(jī)械化的方式充填至采空區(qū)并控制地表沉降以及上覆巖層的下沉。通過實(shí)踐和總結(jié)分析,在填充過程中應(yīng)主要控制以下方面：固體廢棄物的夯實(shí)及自動(dòng)化充填，選擇合理的充填材料，重點(diǎn)控制薄煤層及大采高充填技術(shù)等。

3.2 應(yīng)用效果分析

在充填過程中對(duì)周圍巖層情況的及時(shí)準(zhǔn)確掌控是確保充填效果的重要基礎(chǔ),通過對(duì)巖層的適當(dāng)調(diào)整可進(jìn)一步提高其充填效果。在充填采煤操作過程中工作面液壓支架的壓力相對(duì)較少，因此其周期規(guī)律性較弱,并且工作面可承受的最大壓力通常與充填密室信息相關(guān)。實(shí)踐表明，該項(xiàng)技術(shù)的引用不僅可顯著提高煤炭開采的效率，而且可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件的煤炭開采和充填，確保上覆建筑結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié)語

以充填采煤巖層控制理論為基礎(chǔ)并經(jīng)過多年的探索、總結(jié)發(fā)展而成的綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)，已被成功應(yīng)用于多個(gè)煤礦開采。相比傳統(tǒng)的采煤技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)不僅可顯著提升煤礦行業(yè)的發(fā)展空間，而且經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展逐漸表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅可適用于多種地質(zhì)類型，而且在改善環(huán)境污染、提升綜合效益方面發(fā)揮著重要作用。