綜合機械化固體充填采煤礦壓控制原理

李 超

(山西煤炭進出口集團有限公司，山西太原037000)

0 引言

在煤礦生產過程中，充填采煤技術已經得到一定的應用，在水砂充填、風力充填、膏體充填、廢石充填等方面均取得了一定的成績。但是針對煤礦生產的現有水平而言，任何一種有價值的采煤技術都要具有低成本、高效益、安全性高等特點，這樣才可以促進煤礦事業的可持續發展。目前，綜合機械化固體充填采煤技術就是一種非常適用的方法，值得深入分析與研究。

1 綜合機械化固體充填采煤技術概述

1．1 采煤技術原理與方法

綜合機械化固體充填采煤就是在綜合機械化采煤作業面上同時進行綜合機械化固體充填作業。充填采煤技術的重點就是有效解決充填空間、動力、通道等問題。針對水砂充填而言，其動力就是水，通過相關的管道，將沙運輸到采空區;針對風力充填而言，其動力就是風，主要就是將矸石碾碎，之后通過相關的管道，將粉碎的矸石吹進采空區;針對膏體充填而言，主要就是對細小固體顆粒進行加工，將其制作成膏體，通過相應的管道，利用高壓泵，將其送進采空區。這些充填采煤技術對材料來源、成本等方面的要求都比較高，并且因為其技術本身很難和現有綜合機械化采煤技術相符合，應用受到了一定的限制。在利用綜合機械化固體充填采煤技術時，一定要加強對采煤技術難點的解決，結合實際情況，提出以下三種方法:①拆除傳統綜合采煤液壓支架掩護斜梁，之后用水平短梁代替，在水平短梁掩護空間中充填相應的固體，而不是將固體充填在采空區內。②在運輸充填固體時，可以利用帶式輸送機進行輸送，將其運輸到掩護短梁下刮板式充填機處，實現充填固體的連續輸送。③通常情況下，充填固體均是利用自重，由刮板式充填機上落進掩護短梁掩護空間中，之后進行充填固體的壓實，此過程需要在采空區中進行，達到固體的充填密實。

1．2 巖層控制理論

隨著地下采煤活動的不斷擴展，人們開始對煤炭采煤巖層運動和地表沉陷進行研究，目前，基本形成了巖層運動控制理論與地表沉陷預計理論。理想巖層運動控制主要就是開采出的煤炭可以完全利用固體進行充填，保證巖層不會出現運動的條件，地表也不會出現沉降量，現階段，還無法利用人工方法予以實現。所以，可以利用等價采高方法計算固體充填，實現巖層運動控制與地表沉陷量分析的效果。

2 綜合機械化固體充填采煤礦壓控制原理

2．1 綜合機械化采煤礦壓控制原則

礦壓控制就是采場礦壓控制。針對礦壓控制原則分析，可以從綜合機械化采煤液壓支架結構特點方面予以闡述，綜合機械化采煤液壓支架結構示意圖如圖1所示。

圖1 綜合機械化采煤液壓支架結構示意圖

1)確保作業面工作人員的人身安全。在液壓支架結構中，支架頂梁可以擋住頂板巖石墜落，并且支架掩護斜梁可以擋住矸石的涌入，在一定程度上，保證了人行通道的安全，進而確保了工作人員的人身安全。

2)對采煤作業面機械運行予以掩護。在液壓支架結構中，支架可以保證采煤機械的運行，并且保證整個煤壁以內空間的穩定，實現了采煤作業的高效性與安全性。除此之外，保證了作業面最小通風斷面的穩定性，同時也可以保證通風的順暢性，避免出現粉塵污染、火災等問題。

3)避免作業面周期來壓沖擊。綜合機械化采煤一般比較適合應用在長壁墜落式頂板管理中，作業面礦壓控制核心主要就是用來抵御周期來壓沖擊。所以，支架承載作業阻力主要包括兩個方面:初撐力、額定作業阻力，支架承載的超過初撐力以上的阻力均由頂板活動產生。

2．2 固體充填采煤礦壓控制原則

分析固體充填采煤礦壓控制原則時，可以根據固體充填采煤液壓支架結構闡述，固體充填采煤液壓支架結構示意圖如圖2所示。

1)確保作業面工作人員的人身安全。在固體充填采煤液壓支架結構中，支架前后頂梁擋住;額頂板巖石的墜落和綜合機械化采煤的區別就是，采空區已經被充填物支撐，不會再出現垮塌的情況，所以，可以不用設置相應掩護斜梁。

圖2 固體充填采煤液壓支架結構示意圖

2)強化采煤作業面的機械化與作業面通風。盡管支架需要保證采煤作業面的穩定，但是因為沒有相應的周期來壓等情況，致使相應的頂板與護壁非常穩定，促進了煤礦生產的可持續發展。同綜合機械化采煤作業面相比，因為后頂梁為水平支撐，作業面通風斷面已經得到了很大的擴展，除此之外，采空區已經被充填密實，不需要對作業面漏風等情況進行考慮，提高了煤礦生產效率。

3)強化充填作業面的機械化。在煤礦生產過程中，對充填作業面有著一定的要求，一定要予以重視:其一，充填空間一定要具備相應的高度，盡可能保證后頂梁的水平;其二，保證充填輸送機的有效運行，同時保證其作業的平直狀態，也就是保證架與架之間后頂梁均在同一傾角之內。

由上述內容可以看出，固體充填采煤礦壓控制原則和傳統綜合機械化采煤礦壓控制原則，在保證作業面工作人員人身安全與機械化操作穩定性方面，具有著一定的差異，最為明顯的差異就是兩種支架承載的荷載不同，傳統綜合機械化采煤的荷載主要就是周期來壓引起的被動壓力，而固體充填采煤的荷載主要就是自主支撐頂板，盡量減小下沉移動量。

2．3 固體充填采煤等價采高礦壓模型

為了可以對長壁采煤礦壓理論成果進行直接的利用，在相關規范標準中，提出了計算固體充填采煤礦山壓力與巖層移動的等價采高礦壓模型。等價采高指的就是實際采高減去充填固體壓實之后高度，其等價采高數學表達式為Me=M－Mc+(kc－k0)Mc，式中Me表示等價采高;M表示實際采高;Mc表示充填高度;kc表示充填固體初始壓實孔隙率;k0表示最終壓實殘余孔隙率。

以某礦7606充填采煤作業面為例，其實際采高是2．80 m，實際充填高度是2．65 m，充填固體初始壓實孔隙率是5%，最終壓實殘余孔隙率是1%，那么其等價采高大概是0．25 m。所以，針對此作業面的開采，可以利用等價采高為0．25 m的極薄煤層進行開采，并且對兩巷地表沉陷量與采動壓力進行計算。當然，也可以利用等價采高對支架被動壓力進行計算，但是缺乏一定的實用價值。

3 結語

綜合機械化固體充填采煤技術在作業面中可以實現采煤和充填這兩項操作，并且可以實現作業面機械化的全面展開。在煤礦生產過程中，加強綜合機械化固體充填采煤礦壓控制原理的應用，可以保證煤礦生產的安全、可靠，并且在一定程度上促進了采煤技術的發展與進步。所以，一定要加強對綜合機械化固體充填采煤礦壓控制原理的分析與研究，進一步促進煤礦采煤與充填技術的全面發展，提高煤礦生產效率。

［1］張吉雄，周躍進，黃艷利．綜合機械化固體充填采煤一體化技術［J］．煤炭科學技術，2012(11)．

［2］繆協興．綜合機械化固體充填采煤礦壓控制原理與支架受力分析［J］．中國礦業大學學報，2010(6)．

［3］張吉雄，姜海強，繆協興，等．密實充填采煤沿空留巷巷旁支護體合理寬度研究［J］．采礦與安全工程學報，2013(2)．

［4］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(1)．