連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化充填開采技術(shù)研究與應(yīng)用

代立明

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 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(zhǎng)壁綜采相對(duì)應(yīng)的，采用連續(xù)采煤機(jī)、梭車、連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、履帶式行走支架、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)以及多功能鏟運(yùn)車等一系列采、掘、裝、運(yùn)、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(dòng)便捷、采掘合一等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)不適用于布置長(zhǎng)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(jī)短壁機(jī)械化開采基礎(chǔ)上，對(duì)采區(qū)已采煤柱進(jìn)行實(shí)體充填后將預(yù)留保安煤柱進(jìn)行二次回收開采。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用，既大力開發(fā)了煤炭資源，延長(zhǎng)了礦井壽命；又防治采區(qū)地表沉陷，保護(hù)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，已經(jīng)成為煤礦保水開采、保護(hù)地表建筑的最有效途徑[2]，對(duì)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(jī)短壁機(jī)械化充填開采技術(shù)可行性

目前，連續(xù)采煤機(jī)短壁開采裝備與技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)效果、接頂率難以保證等。

連續(xù)采煤機(jī)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(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在不同位置的巷道地點(diǎn)，將掘進(jìn)或回采與充填平行作業(yè)，充填時(shí)間與開采時(shí)間相匹配，最大程度地實(shí)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(duì)綜采充填，工藝上靈活可控，可保證一定的接頂率，減少對(duì)下覆巖層擾動(dòng)，進(jìn)而達(dá)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(xiàng)前沿技術(shù)，已經(jīng)在內(nèi)蒙不同礦區(qū)開始實(shí)踐并應(yīng)用，并達(dá)到了一定的效果[4]。

2 連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化充填開采技術(shù)方案

根據(jù)連續(xù)采煤機(jī)短壁開采的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)建筑物保護(hù)要求和礦井開采實(shí)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(yùn)輸式短壁充填開采

根據(jù)連采短壁機(jī)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(shí)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(yùn)輸式連采短壁充填開采思路。配套EML340系列連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行巷道煤體截割、裝載、運(yùn)輸?shù)裙ば?，LY2000系列連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行連采機(jī)與帶式輸送機(jī)之間的煤炭運(yùn)輸與轉(zhuǎn)載，兩臺(tái)XZ7000系列履帶式行走液壓支架進(jìn)行支巷與采硐三角區(qū)頂板支護(hù)，巷道永久支護(hù)采用風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)支護(hù)。

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

1) 掘進(jìn)工序。根據(jù)巷道功能不同，掘進(jìn)分為主輔運(yùn)巷掘進(jìn)和支巷掘進(jìn)，支巷掘進(jìn)結(jié)束后再回采采硐，并充填。

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

圖1 掘進(jìn)時(shí)運(yùn)輸設(shè)備布置

3) 支巷掘進(jìn)。如圖2所示，短充一支巷和短充二支巷掘進(jìn)時(shí)，連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)尾部跨騎同帶式輸送機(jī)尾相連接，整套設(shè)備可進(jìn)可退，當(dāng)連采機(jī)在短充一支巷達(dá)到掘進(jìn)循環(huán)時(shí)，退出機(jī)組至短充二支巷，繼續(xù)進(jìn)行截割作業(yè)；支護(hù)人員進(jìn)入短充一支巷進(jìn)行錨桿支護(hù)，當(dāng)支護(hù)完成時(shí)，連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)入短充一支巷繼續(xù)截割，支護(hù)人員進(jìn)入短充二支巷進(jìn)行錨桿支護(hù)，以此往復(fù)，以掘、支平行作業(yè)完成兩條支巷的同時(shí)掘進(jìn)。

圖2 巷道單翼布置掘進(jìn)設(shè)備狀態(tài)

4) 采、充工序。當(dāng)支巷掘進(jìn)完成后即可進(jìn)行采硐回收煤柱，回采6～8個(gè)采硐時(shí)，連采機(jī)退出回采二支巷煤柱，此時(shí)一支巷可調(diào)整充填管道進(jìn)入充填位置開始充填，充填結(jié)束后進(jìn)行充填體密閉，而待二支巷回采結(jié)束，調(diào)整充填管道進(jìn)入二支巷進(jìn)行充填作業(yè)，此時(shí)一支巷的充填物已達(dá)到預(yù)定凝固時(shí)間，連采機(jī)可以進(jìn)入回采剩余部分的煤柱。以此工序完成整個(gè)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(shí)際操作時(shí)盡量實(shí)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(yùn)輸式短壁充填開采

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

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

2) 主巷掘進(jìn)。在主運(yùn)順槽正常掘進(jìn)過程中，若巷道角度較小則使用梭車接受連采機(jī)的回采煤炭，然后轉(zhuǎn)載至給料破碎機(jī)，經(jīng)給料破碎機(jī)轉(zhuǎn)載并破碎后運(yùn)至主巷帶式輸送機(jī)，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(jī)裝煤、運(yùn)輸直至卸載至主巷帶式輸送機(jī)。設(shè)備配套如圖4所示。

圖4 正常掘進(jìn)時(shí)運(yùn)輸設(shè)備布置圖

3) 支巷掘進(jìn)。與連續(xù)運(yùn)輸方案一樣，短充一支巷和短充二支巷掘進(jìn)時(shí)，連運(yùn)一號(hào)車同帶式輸送機(jī)機(jī)尾相連接，梭車運(yùn)煤靈活、實(shí)現(xiàn)可進(jìn)可退，當(dāng)連采機(jī)在短充一支巷達(dá)到掘進(jìn)循環(huán)時(shí)，退出機(jī)組至短充二支巷，繼續(xù)進(jìn)行截割作業(yè)；支護(hù)人員進(jìn)入短充一支巷進(jìn)行錨桿支護(hù)，當(dāng)支護(hù)完成時(shí)，連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)入短充一支巷繼續(xù)截割，支護(hù)人員進(jìn)入短充二支巷進(jìn)行錨桿支護(hù)，以此往復(fù)，以掘、支平行作業(yè)完成兩條支巷的同時(shí)掘進(jìn)。支巷掘進(jìn)時(shí)，通過控制巷道底板角度(≤6°)，達(dá)到使用梭車運(yùn)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(yùn)行。如此工藝反復(fù)，掘進(jìn)剩余短充支巷。支巷掘進(jìn)設(shè)備狀態(tài)如圖5所示。

圖5 支巷掘進(jìn)工藝示意圖

4) 采、充工序。與方案一類似，當(dāng)支巷掘進(jìn)完成后即可進(jìn)行采硐回收煤柱，回采6～8個(gè)采硐時(shí)(一條短支巷的長(zhǎng)度)，連采機(jī)退出回采二支巷，一支巷便可進(jìn)行充填作業(yè)，完成充填循環(huán)后進(jìn)行充填體密閉，待二支巷回采結(jié)束(6～8個(gè)采硐)，即可進(jìn)行充填作業(yè)，此時(shí)一支巷的充填物達(dá)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(jī)短壁機(jī)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(jī)配套梭車進(jìn)行間斷運(yùn)輸方式完成采、充作業(yè)，該配套方式運(yùn)行靈活、方便，拐彎半徑小，支巷可實(shí)現(xiàn)90°開口，三角區(qū)面積相對(duì)較小，此種配套方案用人少、工藝簡(jiǎn)單，可以實(shí)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(jìn)上順槽和下順槽，再依煤層傾向傾斜掘進(jìn)巷道進(jìn)行煤柱回收，之后對(duì)已掘巷道進(jìn)行膏體充填后再進(jìn)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(xì)骨料，與水泥等膠結(jié)料以一定比例的配比進(jìn)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(qiáng)度的充填體,如圖8所示。該礦應(yīng)用充填技術(shù)進(jìn)行連采機(jī)邊角煤回收開采，充填體強(qiáng)度大，充填效果好、資源回收率高，回收率達(dá)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(chǎng)

4 結(jié)論

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化充填開采技術(shù)是在連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)基礎(chǔ)之上結(jié)合了充填開采技術(shù)進(jìn)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(shí)施，有效保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，提高了煤炭資源回收率，符合國(guó)家制定的發(fā)展規(guī)劃和理念，對(duì)煤礦的建設(shè)發(fā)展有著重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。