綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)

武鵬飛

（山西焦煤汾西礦業(yè)“五人小組”管理局， 山西 介休 032000）

1 充填采煤技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)

煤炭資源被廣泛分布于沉積巖層中，隨著開采深度的增大，覆巖很容易發(fā)生隨采隨跨的問(wèn)題，由于充填技術(shù)緩慢，不能有效維持充填的基本通道與空間。對(duì)此，煤礦企業(yè)在采用充填技術(shù)時(shí)應(yīng)充分克服動(dòng)力、通道以及空間等三方面的技術(shù)問(wèn)題：一是確保采煤后，采空區(qū)的頂板不發(fā)生垮落問(wèn)題，為采空區(qū)的矸石充填提供更多空間；二是開采期間形成充填固體材料的運(yùn)輸通道，確保技術(shù)人員可以安全有效地將矸石等充填材料運(yùn)輸至采空區(qū)域；三是在充填矸石時(shí)應(yīng)確保其壓實(shí)度，達(dá)到密實(shí)充填的效果。

2 綜合機(jī)械化固體充填一體化技術(shù)

2.1 系統(tǒng)布置

圖1為綜合機(jī)械化固體充填一體化技術(shù)，粉煤灰、建筑垃圾以及地面矸石等均屬于固體充填材料，技術(shù)人員主要利用運(yùn)輸系統(tǒng)將固體物料運(yùn)輸至礦井下，在帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸下帶至采煤工作面，且技術(shù)人員在壓實(shí)及充填采空區(qū)時(shí)采用了充填運(yùn)輸機(jī)與液壓支架設(shè)備，避免了充填壓實(shí)帶來(lái)的技術(shù)難題。

圖1 綜合機(jī)械化固體充填一體化技術(shù)示意圖

類似于傳統(tǒng)的綜采工作面，綜合機(jī)械固體充填采煤技術(shù)工作面主要在采空區(qū)完成作業(yè)面的布置工作，在平面巷道內(nèi)布置固體充填物料的運(yùn)輸平面，利用運(yùn)輸機(jī)完成固體物料的運(yùn)輸工作，在此運(yùn)行系統(tǒng)中，同一工作平面可以實(shí)現(xiàn)采煤與充填工作的同時(shí)進(jìn)行。

2.2 液壓支架

充填一體化液壓支架可以確保充填與采煤作業(yè)在同一工作面內(nèi)進(jìn)行，且在多年研究后，技術(shù)人員在建立采場(chǎng)礦壓力學(xué)模型時(shí)采用了固體充填開采規(guī)律，并分析了采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)與支架受力之間的關(guān)系，據(jù)此詳細(xì)設(shè)計(jì)了充填采煤支架支撐頂板系統(tǒng)，使其與采煤一體化液壓支架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了并行運(yùn)行，確保了安全高效開采煤炭資源。前頂梁與后頂梁屬于采煤與充填一體化液壓支架的組成部分，其中支護(hù)能力更強(qiáng)的為后頂梁，前頂梁被廣泛應(yīng)用至采煤作業(yè)，后頂梁主要被用于充填作業(yè)中，后頂梁設(shè)置的兩根立柱可以有效提升支架的后部支撐力量，在采空區(qū)內(nèi)可以直接充填固體物料，其充填物強(qiáng)度經(jīng)夯實(shí)后超過(guò)了2 MPa。除此之外，此系統(tǒng)還可以根據(jù)地表沉陷與巖層的移動(dòng)目標(biāo)，有效保證采空區(qū)的充填率，提高了充填效果。

3 充填開采的應(yīng)用實(shí)際案例分析

3.1 密集建筑群下的充填采煤案例

花園煤礦位于山東省，其具備較大量的建筑物下壓煤，開采期間采用了條帶開采技術(shù)，采出率較低，僅為32%。在采用綜合機(jī)械化固體充填一體化技術(shù)后，其可以全部使用固體物料實(shí)現(xiàn)充填采煤，進(jìn)行無(wú)煤柱開采，采出率提升為85%，礦井的服務(wù)年限也由之前的40年延長(zhǎng)至100年以上。花園煤礦平均深約550 m，煤厚達(dá)到了2.5 m，技術(shù)人員通過(guò)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其最大下沉量為217 mm，充填物料后，最大下沉量達(dá)到了196 mm。由此看出，對(duì)采空區(qū)域充填固體物料后，明顯降低了下沉率，具備良好的充填效果。

3.2 新漢翟鎮(zhèn)煤礦密集村莊群下充填采煤

翟鎮(zhèn)煤礦屬于新漢礦區(qū)的主力礦井，采煤區(qū)域分布于翟鎮(zhèn)中心周邊村莊范圍內(nèi)，采用條帶開采方式，礦柱留100 m，條帶寬50 m，采出率低于40%，開采年限低于50年。采用固體充填綜合一體技術(shù)后，采出率達(dá)到了87%以上，開采年限也增加至100年以上。此煤礦最早與礦業(yè)大學(xué)合作，采用綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，掘進(jìn)研石為具體的填充物。翟鎮(zhèn)煤礦七采區(qū)為主要的充填采區(qū)，其南北傾向長(zhǎng)700 m，走向平均長(zhǎng)500 m，呈現(xiàn)出南長(zhǎng)北短的三角形狀。煤層四周高、中間低，呈現(xiàn)出盆地構(gòu)造。目前此煤礦主要的開采煤層工作面走向長(zhǎng)度為564～592 m，傾斜寬度為92 m，開采垂直深度為580～613 m，煤層厚度在1.8～2.4 m，平均厚度為2.2 m。

全礦井已經(jīng)開采11個(gè)充填采煤工作面，共采煤241萬(wàn)t，充填面積達(dá)到了70萬(wàn)m2，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，需要298萬(wàn)t的充填矸石。煤礦企業(yè)利用充填液壓支架同步進(jìn)行充填與采煤工作，利用自卸投料運(yùn)輸機(jī)確保充填料的運(yùn)輸量，矸石通過(guò)大孔徑、大深埋的鉆孔充填投料系統(tǒng)運(yùn)輸至采空區(qū)，液壓支架將矸石推向后方，并進(jìn)行壓實(shí)，具體充填推壓示意圖如圖2所示。

圖2 充填采煤推壓示意圖

翟鎮(zhèn)煤礦在采用固體充填綜合機(jī)械一體化技術(shù)之前，所有采煤工作面均未夯實(shí)，充填后進(jìn)行了夯實(shí)，有效控制了地面沉降，確保其滿足地面的設(shè)限要求。除此之外，此煤礦實(shí)現(xiàn)了井下煤研分離，使得煤流矸石不出井。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)主要在研究巖層控制理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升煤炭的開采效率，在我國(guó)得到了快速的推廣與應(yīng)用，并為企業(yè)贏得了更大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。本技術(shù)的開發(fā)屬于系統(tǒng)工程，理論研究還有待進(jìn)一步深入，并有效解決了支架部充填系統(tǒng)的自動(dòng)化控制問(wèn)題，從而使其可以適應(yīng)更為復(fù)雜的開采條件，提升開采效率。