固體充填采煤設備在小馬礦的應用及效果分析

陳榮邦，谷志民，徐 濤

(1.河南理工大學高等職業學院，河南 焦作454000；2.河南科技學院機電學院,河南 新鄉 453003 )

焦作凱馬煤冶化有限責任公司小馬村礦為一改擴建礦井，擬開采-5煤層東區。小馬村礦西距焦作市8km，1954年建井，1956年移交生產，設計生產能力0.3Mt/a，由于多年開采，二1煤層資源枯竭。2006年5月，開始進行—5煤層東區開采技術改造，—5煤層東區為一向南傾斜的單斜構造，傾角4°～14°，面積約3.92km2，可采儲量206.4萬t。—5煤層位于太原組中部，上距二1煤層底部71.54～94.67m，煤厚平均2.13 m，屬較穩定煤層。采用長壁式綜采，為保護地面建筑物不受損壞，采用固體充填采煤法，已進入生產期，布置在5101工作面[1]。

1 固體充填采煤法概況

固體充填采煤法屬于綠色開采，是采礦發展的必然趨勢。采用無尾礦充填采礦法，可以提高礦物回采率，減少對地面土地的貧化率，充分利用資源，有效控制地壓，房屋和地表塌陷和在“三下”開采等優點，固體充填采煤法也在充填采礦法不斷改造與發展的過程中得到創新與發展。采用充填法可以有效控制頂板的垮落，保護地面建筑物[2]。

固體充填采煤法起源于金屬礦山，至今已有100多年的歷史。在第一階段，20世紀40年代以前，以廢石干式充填為代表，充填的目的是處理廢棄物；第二階段，20世紀40～50年代，以水砂充填為代表；第三階段，20世紀60～70年代，以低濃度尾砂膠結充填為代表；四階段，20世紀80～90年代，以高濃度、膏體充填為代表；第五階段，進入21世紀，為了解放“三下一上”壓煤，保護地面建筑，發展了適合煤礦開采采空區固體充填法[4]。圖1為固體充填采煤法基本原理圖。

圖1 固體充填采煤法基本原理圖

2 5101工作面主要使用設備及充填設備應用

2.1 充填支架設備

充填工作面采用ZC5600/16/32四柱支撐式固體充填支架，充填支架的主要結構特點。

①采用四柱式結構，操作方便，立柱受力均勻，支護效率高；②前頂梁、后頂梁、上連桿采用三鉸結構，上連桿布置兩根平衡千斤頂，強度高，穩定性好；③后頂梁端部承載能力強；④頂梁長度短，支護強度高；⑤采用兩個壓實機構，壓實范圍增大，提高了充實率，縮短充填時間，提高效率；⑥上壓實采用雙伸縮機構，為充填落料提供足夠空間，壓實范圍增大。

2.2 充填運輸設備

充填工作面采用SGB630/150C邊雙鏈充填運輸機，運輸機掛接在液壓支架后部，漏料孔在運輸機工作過程中可通過兩個液壓缸的伸縮打開和關閉，采空區充填結束后，可隨液壓支架整體前移一個采煤機截深。

2.3 充填設備應用

依據固體充填采煤法開采工藝，決定采用走向長壁、雙滾筒采煤機落煤、固體充填、后退式沿空留巷采煤法，采煤與充填平行開采。工作面采用MG80/240-BW型雙滾筒采煤機落煤、裝煤，刮板、皮帶輸送機運煤，整體移槽，運輸機采用SGZ764/400，充填運輸機采用SGB630/150C，充填液壓支架為ZC5600/16/32[3]。

回采工藝流程：采煤機從工作面槽尾切口處進刀→開始上行割煤、裝煤→移槽→采煤機割煤至工作面槽頭切口處→采煤機反刀→推移工作面槽頭→采煤機返回割三角煤→采煤機反刀→開始下行割煤、裝煤→移槽→采煤機割煤至槽尾切口處→采煤機反刀→推移槽尾→采煤機返回割三角煤→采煤機反刀→開始上行割煤。即采煤機往返-次進兩刀。

回采工作面采用采煤與充填平行作業，及采煤機在割煤時，充填輸送機同時工作，充填采空區，當采煤機滾筒割煤時，由于充填輸送機掛接在液壓支架后部，隨液壓支架移動，通過漏料孔的打開與閉合，將地面送至采空區的碎矸石均勻落入采空區，通過液壓支架壓實機構把碎矸石壓實，保證固體充填效果。圖2為固體充填三維仿真系統圖。

3 設備應用效果分析

1)采用固體充填采煤設備處理采空區能夠提高煤炭采出率，采區回采率由我國目前條帶開采法的30%～60%左右提高到90%以上。延長礦井服務年限，解放不具備用普通采煤方法開采的煤炭，采用固體充填法使54采區工作面由非可采變為可采，其服務年限為9個月，其中工作面搬家1個月，回采煤量為9萬t，以500元每噸煤計算，扣除噸煤生產成本300元，包括工人工資、材料消耗后利潤2600萬元[5]。

2)采煤后可實現土地不塌陷、村莊不搬遷，減少了對礦區環境的破壞，保護了寶貴的土地資源和地下水資源，減少了礦井的排水費用。采用固體充填法，使得原有的煤矸石、粉煤灰等工業垃圾得到充分利用，改善了礦區環境，對于實現綠色開采提供了一個良好范例，使得礦區環境大為好轉，為實現綠色礦山提供了一個方式。

圖2 固體充填三維仿真系統圖

3)采用固體充填采煤法可以使衰老礦井延長服務年限，相比于膏體充填采煤法工藝較簡單，系統簡化，不會發生膏體下井時的堵管現象，且采煤與充填平行，產量不會受到較大影響，具有較大的技術推廣價值。

4 應用后的幾點建議

1)加強對工藝的研究以及井下試驗數據的系統采集和詳細分析，并對地表變形沉陷規律進行詳細觀測。

2)加強工作面支護， 保證充填質量，作到充填前頂板下沉量和欠接頂量控制在330～450mm以內，能夠保證開采安全。

3)制定并落實各項安全技術措施與預案。

[1] 李永元，周華強. 矸石膏體充填采煤面礦壓顯現規律[J].能源技術管理，2009(3)：64-66.

[2] 劉春明. 矸石井下處置綠色開采技術[J]. 煤礦開采，2008，13(6)：31-33.

[3] 張廣海. 高檔普采矸石充填工作面設備及工藝研究[J]. 煤炭技術，2008，27(12)：58-60.

[4] 謝忠強. 淺析煤炭綠色開采技術[J].中州煤炭，2009(5)：45-46.

[5] 閻少紅. 我國目前煤礦充填開采技術現狀[J]. 煤炭技術，2008，27(6)：1-3.