固體充填液壓支架壓實機構的演變

張學東， 王傳齊， 許偉

（卡特彼勒（鄭州）有限公司，鄭州450103）

0 引言

由于“三下”壓煤等原因，我國的煤炭資源采出率較低，東部礦區“三下”壓煤量已普遍超出可采儲量的50%，尤其是存在著大量的稀缺煤種資源無法采出。每年因開采煤炭而排放礦井水超過80億t，新增破壞耕地約7萬ha，排出煤矸石超過9億t；現有矸石山1600余座，堆積量超過55億t，占地超過15000ha；矸石山嚴重污染空氣和地下水，還有爆炸危險。

傳統的條帶開采方式均不能進行“三下”壓煤的開采，迫切需要采用新的技術手段進行煤礦資源的開采與利用。充填采礦方法是我國21世紀綠色開采的一個重要方向，給煤礦工業的可持續性發展提供了契機。

1 固體充填工作面的工作原理

綜合機械化固體廢物充填采煤技術是將地面的矸石、粉煤灰、建筑垃圾、黃土、風積沙等固體廢棄物通過垂直連續輸送系統運輸至井下，再由膠帶輸送機等相關運輸設備將其運輸至充填工作面，借助充填采煤液壓支架、固體充填物料轉載輸送機及固體充填物料刮板式充填輸送機等充填采煤關鍵設備實現采空區充填。井下掘進矸石通過破碎等程序后，可以直接運輸至工作面進行充填（固體充填采煤系統布置如圖1所示）。

1）煤炭運輸路線：充填采煤工作面→運輸平巷→運輸上山→運輸大巷→運輸石門→井底煤倉→主井→地面。

圖1 固體充填采煤系統布置示意圖

2）充填料運輸路線：地面→固體物料垂直輸送系統→井底車場→輔助運輸石門→輔助運輸大巷→軌道上山→回風平巷→充填采煤工作面。

固體充填工作面設備布置如圖2、圖3所示。

2 壓實機構的作用及工作原理

在固體充填工作面中，采空區的充料量和充填料的密實程度直接影響著充填工作對采空區頂板的支護。充填越密實、充料量越大則對頂板的支護就越好，越能有效控制頂板下沉，減小采煤對地下水體、地表設施和耕地的破壞。

圖2 固體充填工作面設備布置示意圖

圖3 采空區固體充填示意圖

壓實機構對充料量和充填料的壓實起著決定作用。一方面可以將靠自重落下的充填體壓實，使充填物料達到一定的致密度，具有一定的抗壓能力，能夠承受頂板下沉的壓應力。另一方面移架后可以將充填料推向原支架頂梁和落料刮板機所在的空間，在推壓接頂的基礎上加大充料量、提高充填體的接頂效果，控制頂板下沉量，不致頂板下沉斷裂，從而將地面建筑物的破壞程度控制在允許的范圍內。

3 壓實機構的演變

3.1 單級單頭下調整壓實機構（如圖4）

圖4 單極單頭下調整壓實機構

優點：單級伸縮壓實機構，結構簡單，操作方便，工作效率高，壓實機構擺動千斤頂布置在下方，有效保護了千斤頂及其液壓系統；下部配合可伸縮式擋板，將壓實機構下端空間封閉，有利于保護壓實機構擺動千斤頂，必要時可輔助支撐壓實機構。

缺點：單級壓實，伸縮比小，后頂梁的長度太長，對后端采空區頂板的控制不利；壓實梁下部封閉、上部為可拆卸封板，雖有利于壓實千斤頂的維護，但一旦封閉箱內堆積矸石，將會越積越多，最終影響整個壓實機構的運轉，擺動千斤頂不易維護；下端可伸縮式擋板易被埋入充填固體內，損壞伸縮箱體和千斤頂，且不易維護。

3.2 單級雙頭下調整壓實機構（如圖5）

圖5 單級雙頭下調整壓實機構

優點：單級雙頭壓實機構，壓實范圍大，有利于采空區充填物的壓實，增加充料量、提高充填物的密實度，對控制采空區頂板比單級單頭要好。

缺點：仍然存在單級單頭下調整壓實機構的缺點；另外雙頭壓實機構結構復雜且要求配合工作，速度慢，效率低，易塞矸；下壓實機構的維護非常不方便。

3.3 雙級單頭下調整壓實機構（兩種）

3.3.1 伸縮式（圖6所示）

圖6 伸縮式雙級單頭下調整壓實機構

優點：二級壓實機構伸縮比大，后頂梁短，后部承載能力強，可有效控制頂板下沉，以維護后部填充空間，方便固體充填料的填充及壓實。

缺點：雙級壓實機構，結構復雜，速度較慢，雖布置有防矸蓋板，但各級伸縮結構運動過程中易塞矸；擺動千斤頂力臂短，一旦壓實機構上堆矸嚴重，可能擺動不上去，必須人工清矸。

圖7 手套式雙級單頭下調整壓實機構

伸縮式的倒置形式，工作原理與伸縮式相同；雖大大降低了壓實機構塞矸的可能性，但是仍沒有完全解決上述伸縮式壓實機構存在的主要缺點。

圖8 單級單頭上調整壓實機構

3.4 單級單頭上調整壓實機構（圖8所示）

優點：壓實機構采用單級單頭結構，簡單、實用，易于實現采煤、充填同時作業，加快推進速度，提高工作面的效率；采用箱式框架結構導向，上部封閉下部開口，變堵為疏，克服了以上幾種壓實機構易積矸的缺點，使整個機構能更有效地運轉；另外擺動千斤頂布置在壓實機構上方，可更好地操縱壓實機構擺動，同時維護更為方便。

缺點：由于壓實機構開口在下方，壓實千斤頂的維護仍然困難。

4 結語

煤炭在我國能源結構中占比高達70%以上，是我國今后長期使用的主要能源。可以預見：“十二五”期間的煤炭產量仍將會穩步增加；環境保護和生態治理同樣是“十二五”期間國家的重要任務。為解決這一矛盾，成本較低、效益明顯的充填開采技術將發揮不可替代的重要作用。充填開采技術代表著未來綠色開采的趨勢，也將具有廣闊的應用前景。

充填開采技術及裝備的開發和應用不僅解決了“三下”壓煤開采的問題，提高煤炭資源利用率，更重要的是可實現綠色開采、循環經濟和可持續發展。實現了綜合機械化固體廢棄物充填采煤技術的重大突破。從根本上改變了煤炭行業傳統開采模式，實現綠色環保開采的要求，為我國煤炭行業的發展探索出一條新路。

由上述壓實機構的演變過程可以看出：符合實際生產需要，故障率低、易維護的結構才是設備研發和技術創新的方向；只有研發出實用、高效的設備才能更好地為煤炭開采服務，提高經濟效益的同時減少勞動強度，使煤炭開采更安全和高效。

［1］ 徐俊明，譚輔清，巨峰，等.六柱支撐式固體充填采煤液壓支架結構及工作原理研究［J］.中國礦業，2011，20（4）：101-104.

［2］ 繆協興，張吉雄，郭廣禮.綜合機械化固體充填采煤方法與技術研究［J］.煤炭學報，2010，35（1）：1-6.

［3］ 繆協興，張吉雄，郭廣禮.矸石（固體廢物）直接充填采煤技術發展現狀［J］.采礦與安全工程學報，2009，26（4）：395-401.