連續(xù)采煤機短壁機械化充填開采技術(shù)研究與應(yīng)用

代立明

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 太原 030006)

0 引言

現(xiàn)代短壁開采技術(shù)是指與長壁綜采相對應(yīng)的，采用連續(xù)采煤機、梭車、連續(xù)運輸系統(tǒng)、履帶式行走支架、破碎轉(zhuǎn)載機以及多功能鏟運車等一系列采、掘、裝、運、支成套裝備，結(jié)合房柱式、旺格維利式、塊段式等巷道布置方式，形成的一種采煤方法，具有巷道布置靈活、設(shè)備移動便捷、采掘合一等技術(shù)優(yōu)點，對不適用于布置長壁綜采的邊角塊段、三角煤、殘留煤柱、“三下”壓煤呆滯資源尤其適用。[1]充填開采技術(shù)是在連采機短壁機械化開采基礎(chǔ)上，對采區(qū)已采煤柱進行實體充填后將預(yù)留保安煤柱進行二次回收開采。該項技術(shù)應(yīng)用，既大力開發(fā)了煤炭資源，延長了礦井壽命；又防治采區(qū)地表沉陷，保護了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，已經(jīng)成為煤礦保水開采、保護地表建筑的最有效途徑[2]，對煤礦“安全、綠色、高效”的可持續(xù)發(fā)展建設(shè)有著重要意義。[3]

1 連續(xù)采煤機短壁機械化充填開采技術(shù)可行性

目前，連續(xù)采煤機短壁開采裝備與技術(shù)已經(jīng)在我國多數(shù)礦井成功應(yīng)用，且產(chǎn)品已經(jīng)形成系列化，為連采短壁充填開采技術(shù)的應(yīng)用提供了有利基礎(chǔ)條件。

目前，長壁綜采充填技術(shù)發(fā)展較為迅猛，尤其是與綜采工藝相匹配的充填介質(zhì)(如固體充填、膏體或似膏體充填、高水或超高水充填)、與充填介質(zhì)相適應(yīng)的充填系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，并廣泛在山東、河北等一些老礦區(qū)的村莊下應(yīng)用。然而，長壁綜采充填存在一定問題，如工藝上充填速度、充填體凝固速度很難跟上采煤速度，形不成平行作業(yè)；效率上發(fā)揮不出綜采高產(chǎn)高效；效果上，充填密實效果、接頂率難以保證等。

連續(xù)采煤機短壁充填技術(shù)依靠短壁開采靈活的巷道布置、快捷的設(shè)備移動，可以實現(xiàn)在不同位置的巷道地點，將掘進或回采與充填平行作業(yè)，充填時間與開采時間相匹配，最大程度地實現(xiàn)采充平行作業(yè)，從而保障開采能力；而短壁巷道式充填相對綜采充填，工藝上靈活可控，可保證一定的接頂率，減少對下覆巖層擾動，進而達到有效控制地表下沉的作用。因此，短壁充填是目前發(fā)展?jié)摿^大的一項前沿技術(shù)，已經(jīng)在內(nèi)蒙不同礦區(qū)開始實踐并應(yīng)用，并達到了一定的效果[4]。

2 連續(xù)采煤機短壁機械化充填開采技術(shù)方案

根據(jù)連續(xù)采煤機短壁開采的技術(shù)特點，針對建筑物保護要求和礦井開采實際，充填開采方案主要考慮有兩種采、充方案：

2.1 方案一：連續(xù)運輸式短壁充填開采

根據(jù)連采短壁機械化開采裝備與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合高水材料充填實踐，并本著提高工作面產(chǎn)量和資源回收率的要求，提出了連續(xù)運輸式連采短壁充填開采思路。配套EML340系列連續(xù)采煤機進行巷道煤體截割、裝載、運輸?shù)裙ば?，LY2000系列連續(xù)運輸系統(tǒng)進行連采機與帶式輸送機之間的煤炭運輸與轉(zhuǎn)載，兩臺XZ7000系列履帶式行走液壓支架進行支巷與采硐三角區(qū)頂板支護，巷道永久支護采用風動錨桿機支護。

工作面掘、采、充3個主要以工藝的平行為原則，支巷可實現(xiàn)雙支巷平行掘進(回采)，根據(jù)掘采時間調(diào)整充填和凝固時間，使其相匹配。以雙巷掘進，短充一支巷和二支巷為例說明其工藝過程。

1) 掘進工序。根據(jù)巷道功能不同，掘進分為主輔運巷掘進和支巷掘進，支巷掘進結(jié)束后再回采采硐，并充填。

2) 主巷掘進。采用連運系統(tǒng)緊跟連采機，接受連采機采落的煤炭，煤炭經(jīng)連續(xù)運輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)載后卸載至刮板輸送機上，再由刮板輸送機轉(zhuǎn)載至主運巷帶式輸送機，運出掘進工作面。設(shè)備配套如圖1所示。

圖1 掘進時運輸設(shè)備布置

3) 支巷掘進。如圖2所示，短充一支巷和短充二支巷掘進時，連續(xù)運輸系統(tǒng)尾部跨騎同帶式輸送機尾相連接，整套設(shè)備可進可退，當連采機在短充一支巷達到掘進循環(huán)時，退出機組至短充二支巷，繼續(xù)進行截割作業(yè)；支護人員進入短充一支巷進行錨桿支護，當支護完成時，連續(xù)采煤機進入短充一支巷繼續(xù)截割，支護人員進入短充二支巷進行錨桿支護，以此往復(fù)，以掘、支平行作業(yè)完成兩條支巷的同時掘進。

圖2 巷道單翼布置掘進設(shè)備狀態(tài)

4) 采、充工序。當支巷掘進完成后即可進行采硐回收煤柱，回采6～8個采硐時，連采機退出回采二支巷煤柱，此時一支巷可調(diào)整充填管道進入充填位置開始充填，充填結(jié)束后進行充填體密閉，而待二支巷回采結(jié)束，調(diào)整充填管道進入二支巷進行充填作業(yè)，此時一支巷的充填物已達到預(yù)定凝固時間，連采機可以進入回采剩余部分的煤柱。以此工序完成整個短充區(qū)段的采煤和充填作業(yè)。每條支巷的采煤和充填工序在實際操作時盡量實現(xiàn)2次交替作業(yè)就結(jié)束，以提高開采效率。工作面作業(yè)如圖3所示。

圖3 單翼回采充填作業(yè)示意圖

2.2 方案二：間斷運輸式短壁充填開采

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，充分考慮目前的巷道斷面、支護方式、工程進度以及產(chǎn)量等要求，方案二主要考慮采用間斷運輸?shù)姆绞竭\煤，其巷道系統(tǒng)布置短充填支巷(<50 m),采用梭車與連運一號車代替了連續(xù)運輸系統(tǒng)，連運一號車同帶式輸送機機尾相連接，梭車作為連續(xù)采煤機和連運一號車之間的煤炭運輸和轉(zhuǎn)載設(shè)備，配套兩臺XZ7000系列履帶行走支架完成工作面支巷頂板的支護；巷道永久支護主要采用風動錨桿機人工支護。

1) 掘進工序。短充區(qū)開采前，掘進工作分為主巷掘進和支巷掘進，先進行主巷(主運輸順槽)，后進行支巷，再回采采硐并充填。

2) 主巷掘進。在主運順槽正常掘進過程中，若巷道角度較小則使用梭車接受連采機的回采煤炭，然后轉(zhuǎn)載至給料破碎機，經(jīng)給料破碎機轉(zhuǎn)載并破碎后運至主巷帶式輸送機，如圖4所示。若巷道底板角度較大，在控制行程的情況下，則直接采用給料破碎機裝煤、運輸直至卸載至主巷帶式輸送機。設(shè)備配套如圖4所示。

圖4 正常掘進時運輸設(shè)備布置圖

3) 支巷掘進。與連續(xù)運輸方案一樣，短充一支巷和短充二支巷掘進時，連運一號車同帶式輸送機機尾相連接，梭車運煤靈活、實現(xiàn)可進可退，當連采機在短充一支巷達到掘進循環(huán)時，退出機組至短充二支巷，繼續(xù)進行截割作業(yè)；支護人員進入短充一支巷進行錨桿支護，當支護完成時，連續(xù)采煤機進入短充一支巷繼續(xù)截割，支護人員進入短充二支巷進行錨桿支護，以此往復(fù)，以掘、支平行作業(yè)完成兩條支巷的同時掘進。支巷掘進時，通過控制巷道底板角度(≤6°)，達到使用梭車運煤的目的，若底板浮煤較多則采用墊膠帶或鋪設(shè)鋼板的方式保證梭車能夠正常運行。如此工藝反復(fù)，掘進剩余短充支巷。支巷掘進設(shè)備狀態(tài)如圖5所示。

圖5 支巷掘進工藝示意圖

4) 采、充工序。與方案一類似，當支巷掘進完成后即可進行采硐回收煤柱，回采6～8個采硐時(一條短支巷的長度)，連采機退出回采二支巷，一支巷便可進行充填作業(yè)，完成充填循環(huán)后進行充填體密閉，待二支巷回采結(jié)束(6～8個采硐)，即可進行充填作業(yè)，此時一支巷的充填物達到初凝，以此往復(fù)，完成采、充作業(yè)。如圖6所示。

圖6 采、充工藝示意圖

3 連續(xù)采煤機短壁機械化充填開采技術(shù)應(yīng)用案例

內(nèi)蒙古裕興煤礦選用連續(xù)采煤機配套梭車進行間斷運輸方式完成采、充作業(yè)，該配套方式運行靈活、方便，拐彎半徑小，支巷可實現(xiàn)90°開口，三角區(qū)面積相對較小，此種配套方案用人少、工藝簡單，可以實現(xiàn)年產(chǎn)量50～70萬t。

該礦煤層傾角10°左右，依煤層走向平行掘進上順槽和下順槽，再依煤層傾向傾斜掘進巷道進行煤柱回收，之后對已掘巷道進行膏體充填后再進行支撐煤柱回收,如圖7所示。該礦充填材料以矸石、工業(yè)爐渣、建筑垃圾等廢氣物為粗骨料，配以粉煤灰、劣質(zhì)土等細骨料，與水泥等膠結(jié)料以一定比例的配比進行攪拌成高濃度漿體，利用充填柱塞泵、管道系統(tǒng)，將料漿送至井下短壁工作面，在采空區(qū)凝固后形成一定承載能力和強度的充填體,如圖8所示。該礦應(yīng)用充填技術(shù)進行連采機邊角煤回收開采，充填體強度大，充填效果好、資源回收率高，回收率達90%以上。

圖7 裕興煤礦連采連充工藝

圖8 裕興煤礦連采連充現(xiàn)場

4 結(jié)論

連續(xù)采煤機短壁機械化充填開采技術(shù)是在連續(xù)采煤機短壁機械化開采技術(shù)基礎(chǔ)之上結(jié)合了充填開采技術(shù)進行煤礦井下不規(guī)則塊段、邊角煤、“三下”壓煤等難采煤資源的安全、綠色、高效開采。該技術(shù)的實施，有效保護了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，提高了煤炭資源回收率，符合國家制定的發(fā)展規(guī)劃和理念，對煤礦的建設(shè)發(fā)展有著重要的經(jīng)濟意義和社會意義。