充填協同垮落式綜采技術及覆巖移動規律研究

楊炳瑞

（山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城048003）

0 引 言

隨著環保理念日益深入人心，綠色開采的概念也被提出，并被應用于煤炭開采行業，傳統的綜采工作面常用垮落法或矸石充填法來處理采空區，矸石充填可不僅可將廢棄的矸石進行回填處理，同時可改善采空區覆巖應力[1-3]。然而，矸石充填開采存在充填效率低、影響采煤機的進尺效率等缺點，基于以上原因，學者們開始提出充填協同垮落式綜采技術，以期達到充填和采煤協同作業，并提高作業效率，改善工作面上覆巖層受力狀態的目的[4-5]。

1 協同綜采技術原理與特征

1.1 協同綜采技術原理

充填協同跨落式綜采技術的本質是將傳統跨落式的開采方法與矸石充填技術進行集成與優化，協同綜采技術可使煤炭開采、矸石充填與環境優化等協同進行，達到高效充填采空區和處理矸石的目的，其基本技術原理如圖1 所示。

協同開采工作面分為充填段和垮落段，充填段和垮落段的采煤設備是同一套，不同的是充填段需布置充填液壓支架和輸送機等充填機械設備，而垮落段只需布置液壓支架等綜采設備。井上地面堆積的矸石經破碎處理后，可通過投料井運輸至井下充填段，進行采空區充填。協同開采工作面可延長垮落段長度、提高工作面產量，實現采煤與充填的協同作業。

圖1 協同綜采技術原理

1.2 協同綜采技術特征

基于對協同綜采工作面技術原理的分析，將協同綜采工作面的技術特征總結如下：

1）充填段與垮落段的有機組合。協同綜采工作面將采空區分為充填段和垮落段，充填段進行矸石充填，垮落段仍采用傳統的垮落法管理采空區，可實現采煤與矸石充填平行作業，充填能力與采煤能力需相匹配，以達到最優的協同開采效果，因此，協同開采工作面的實質是充填段與垮落段的有機組合與動態調整。

2）充填效率高。傳統的充填工作面，充填段的長度即為采煤工作面長度，由于充填效率較低，導致采煤工作面需“等待”后續充填的跟進，從而使整個工作面效率降低，協同開采工作面可有效解決以上問題，即可保證充填能力與充填效率，又不影響采煤效率，滿足了高產高效礦井的基本要求。

3）經濟效益佳。協同開采工作面長度較長，可減少工作面搬家次數和工作面的布置數目，且矸石充填相比注漿充填具有工藝簡單、成本低廉等優勢，同時，減小了地面矸石的處理和堆積費用，具有較好的經濟效益。

2 協同綜采技術關鍵

2.1 協同綜采生產系統

協同綜采工作面生產系統包含4 個子系統，即：垂直投料系統、矸石不升井系統、矸石破碎輸送系統及協同綜采面作業系統，各系統之間相互配合，有序銜接，實現工作面的協同開采，協同綜采系統示意圖如2 所示。

圖2 協同綜采系統示意圖

1）垂直投料系統。首先，需要說明的是只有當井下排矸量小于協同綜采面的矸石充填量或需要對地面矸石進行處理時才會用到垂直投料系統。垂直投料系統的主要目的是按需求將地面矸石運輸至井下，地面矸石經破碎和篩選后，由皮帶機運輸至地面投料口進入井下矸石倉，之后，通過矸石下部的給料機和皮帶運輸機運輸至指定的充填地點。

2）矸石不升井系統。將井下矸石運輸到地面是一項極為耗時耗力的工作，同時又可造成地表空間的浪費和環境的污染，矸石不升井系統可有效解決這些問題。矸石不升井系統是在井下進行矸石的破碎、分選等工作，將洗選后的矸石直接運輸至需要充填的工作面，矸石不升井系統一方面可環節礦井運輸量大的問題，另一方面可避免矸石造成的環境污染。

3）矸石破碎運輸系統。協同綜采工作面對充填的矸石粒徑有一定的要求，井下矸石破碎運輸系統主要有兩大任務，任務之一是將收集到的矸石破碎為符合充填粒徑的矸石顆粒；任務之二是將矸石定時、定量的運送至充填地點。

4）協同綜采作業系統。協同綜采作業系統是指系統綜采工作面的布置和作業方式，協同綜采工作面由垮落段和充填段兩部分組成，2 段共用1 套采煤設備，隨著采煤機的推進，后方一邊進行充填作業、一邊進行垮落作業。

2.2 協同綜采關鍵設備

協同綜采工作面是依靠機械設備來完成一系列的工序，因此，機械設備的選型和配套方案是否合理，直接決定了協同綜采工作面的作業效率。協同綜采工作面的機械設備由兩大部分組成，分別是采煤設備和充填設備，采煤設備與傳統綜采工作面所用的設備一致，主要包括采煤機、刮板輸送機、液壓支架等，但需要特別注意采煤設備與充填設備的匹配能力。充填設備包括充填液壓支架、過度液壓支架、轉載機和底卸式輸送機等。協同綜采工作面的機械設備需根據實際充填情況進行設計和選型，關鍵設備的布置圖如圖3所示。

協同綜采技術屬于較為新穎的前沿技術，目前還沒有較為成熟的設備選型與配套方案可以借鑒，但可依據工作面設備選型的基本原則進行選型設計，同時，需考慮采煤設備與充填設備之間的協同能力。

2.3 協同綜采工藝

協同綜采是一種綠色的充填開采方法，可同時實現矸石投放、矸石步升井充填等工藝，協同綜采的生產工藝流程如圖4 所示。

由圖4 可知，協同綜采工藝流程包括3 大部分，其中協同綜采面開采工藝是協同綜采工藝的核心。協同綜采面開采工藝由采煤工藝和充填工藝組成，綜采面為實現采煤與充填協同作業，需要安裝3 種類型的液壓支架，分別是充填采煤液壓支架、過渡液壓支架和傳統綜采液壓支架，在移架時，應保證3 種液壓支架具有統一的步距。

3 協同綜采面覆巖移動特征

協同綜采面由于其獨特的布置方式，必然導致其覆巖移動規律也有所不同。傳統的垮落法開采，采空區上覆巖層隨工作面推進而發生周期性的破裂，覆巖在垂直方向上形成“三帶”結構；而充填開采的上覆巖層荷載則主要有充填體承擔，改善了上覆巖層的應力狀態，減小了其彎曲下沉量，但當充填區域的密實度較低時，充填開采的上覆巖層也可形成“三帶”結構，只是上覆巖層的破裂和下沉低于垮落法開采，當充填區域的密實度較高時，則只有局部裂隙帶和彎曲下沉帶，形成“兩帶”的結構。垮落法開采、充填開采與協同開采的上覆巖層移動對比見圖5。

協同開采的上覆巖層在充填區與垮落區之間存在一個“過渡區域”，其覆巖的移動規律受充填區和垮落區覆巖移動特性的影響，但并不是兩者之間的簡單疊加，而是相互影響，相互作用，過渡區域覆巖的移動規律、范圍受到地質條件、協同綜采面技術參數、充填物料種類和密實度、充填技術水平等多種因素的影響。

圖5 協同綜采面覆巖移動特征圖

4 結 論

1）概述了協同綜采技術原理，總結了協同綜采的技術特征，包括：充填段與垮落段的有機組合、充填效率高和經濟效益佳。

2）從協同綜采生產系統、協同綜采關鍵設備和系統綜采工藝等方面，闡述了協同綜采的關鍵技術，對比傳統的垮落法開采、充填開采的工作面覆巖移動規律，指出協同綜采面覆巖存在一個“過渡區域”。