綜合機械化固體充填采煤一體化技術研究

高 朝

（陽煤集團安監局， 山西 陽泉 045000）

1 充填采煤技術概況

煤炭資源在消費結構及能源生產中占有重要地位，然而我國“三下”壓煤問題相對于發達國家的采煤實踐仍具有較多的問題，即在水體、鐵路以及建筑物條件下煤炭開采技術相對落后并嚴重制約了區域煤炭企業的發展，并且采煤過程中存在的環境污染問題與我國生態環境建設明顯不符。隨著科技的進步和社會的不斷發展，煤炭企業逐漸開始強調科學采煤和綠色開采的理念，因此綜合機械化固體充填采煤一體化技術得到了充分的研究發展和廣泛的應用。近年來，該技術在松散含水層、大范圍水體條件、公路和鐵路交叉網以及密集建筑群下礦區開采的成功應用，表現出了獨特的環境、社會和經濟優勢[1]。

1.1 主要技術難點

對冶金礦山充填應用煤炭充填開采技術存在較大的問題和誤區。在冶金開采過程中水砂機膏體充填的基礎為礦房中完整的通道和空間，同時冶金開采對巖土的控制要求不同于煤炭資源開采，開采要求相對較低。煤炭資源大部分存在于沉積巖中，目前利用長臂垮落的煤炭開采方式往往不能保證充填時所需空間及巷道的完整性，并且采用該方法可出現較為突出的下踩空區覆巖垮落問題。因此，克服充填工作所需的通道、空間以及動力三大技術難題為煤礦充填開采工作的基礎和重要條件[2]。為了提供采空區矸石充填所需的空間應首先保證采空區頂板的微下沉或不垮落。連續完整的輸送通道為固體充填材料運輸的基礎和重要保障，同時為了確保采空區的密室充填應重點關注填充材料的動力來源。為了快速高效地對采空區固體材料進行連續運輸，應形成較為穩定、安全的連續輸送通道。

1.2 填充采煤技術目標

現代化礦區充填采煤技術隨著經濟的發展及科技的進步逐漸發展成在滿足高效、安全采煤的同時實現快速、安全填充的雙重目標。因此，通過不斷的探索和研究，開發與現代化綜合機械化采煤技術相匹配的充填一體化技術。現代化充填采煤技術在此目標基礎下應具有以下幾方面要求：煤炭資源的高效、安全開采；針對不同的保護對象應嚴格控制地表與巖層的移動；有較為明顯的綜合效益。

2 綜合機械化固體填充采煤一體化技術

2.1 系統布置

綜合機械化固體充填采煤一體化技術其主要充填材料為建筑垃圾、粉煤灰以及地面矸石等固體廢棄物，利用固體廢棄物直接投放系統或連續輸送系統可將其直接投入井下，然后經過輸送機的傳遞輸送作用可到達采煤工作面。對煤炭采空區的壓實作用可利用煤炭充填一體化液壓支架以及刮板式充填輸送機等設備實現，該技術不僅克服了固體材料密室性充填問題[3]，而且有效解決了充填運輸所需的連續通道和空間問題。綜合機械化固體充填采煤工作面大致與傳統的綜采工作面相同，并且固體充填物料輸送帶往往布置在采煤工作面的后部，在此條件下可實現在同一工作面系統中采煤與充填的并行作業。

2.2 液壓支架

在系統分析采場礦壓顯示規律的基礎上煤炭企業經過多年的努力和探索建立了采場礦壓力學模型，然后通過詳細分析傳統采煤被動受壓的破壞機理揭示了充填采煤支架主動支撐頂板的作用力傳遞過程和受壓變化規律，設計發明了充填采煤一體化液壓支架并可對固體廢棄物密室充填以及掩護綜合機械化采煤并行作業，該液壓支架可有效確保各項充填采空區工藝的實施和煤炭的安全、高效生產。后頂梁和前頂梁為該一體化液壓支架的主要組成部分，并且前梁支護能力低于后梁。前頂梁和后頂梁的功能作用分別用于采煤和掩護充填作業，液壓支架的后部支撐能力因頂梁下部設置的2根獨立柱而顯著提高，并且在其掩護的空間范圍內可直接引入固體廢棄物。夯實機構與支架后部連為一體并可顯著增強充填物的夯實力2 MPa以上[4]，且為保證采空區的充填率，該夯實結構可根據地表沉陷和巖層移動控制目標要求進行精準的自主調控。

3 實例應用

以山西某大型河堤下充填采煤為例對該技術的應用效果及未來發展趨勢進行分析。

3.1 填充采煤一體化技術的應用

山西某煤礦地表為大型河堤和村莊，其“三下”壓煤量占該區域可采儲總量的60%以上，矸石充填區位于煤礦五采區煤層厚度為3.0 m，平均采深約560 m。村莊建筑面積約12.5萬m2，占地面積約45.0萬m2。為滿足該區域建筑物保護等級標準，其充填密實度應為0.82，結合河堤保護相關要求和實際情況離河堤約近的工作面其充填密實度應越高，其最大值同樣為0.82。煤炭采煤完成后地表最大沉降量實測值為350 mm，如不加以采取充填措施其預計最大沉降量可達2 610 mm。固體充填一體化采煤技術主要是以充填液壓支架為載體實現對采空區的充填，其充填固體廢棄物主要有矸石、建筑垃圾、廢石、粉煤灰等，并且在該過程中還需要應用到充填投料系統以及輸送機等相關設備，其具體方法是利用輸送設備完成固體充填材料至采空區的輸送并通過液壓支架施加相應的作用力最終達到壓實、充填的目的。

因此該煤礦引入充填一體化技術設備并且地表沉降量在實施充填后其減沉率高達85%以上。實踐表明，該充填采煤一體化技術主要是將矸石等固體廢棄物通過機械化的方式充填至采空區并控制地表沉降以及上覆巖層的下沉。通過實踐和總結分析,在填充過程中應主要控制以下方面：固體廢棄物的夯實及自動化充填，選擇合理的充填材料，重點控制薄煤層及大采高充填技術等。

3.2 應用效果分析

在充填過程中對周圍巖層情況的及時準確掌控是確保充填效果的重要基礎,通過對巖層的適當調整可進一步提高其充填效果。在充填采煤操作過程中工作面液壓支架的壓力相對較少，因此其周期規律性較弱,并且工作面可承受的最大壓力通常與充填密室信息相關。實踐表明，該項技術的引用不僅可顯著提高煤炭開采的效率，而且可實現復雜地質條件的煤炭開采和充填，確保上覆建筑結構的安全。

4 結語

以充填采煤巖層控制理論為基礎并經過多年的探索、總結發展而成的綜合機械化固體充填采煤一體化技術，已被成功應用于多個煤礦開采。相比傳統的采煤技術，該項技術不僅可顯著提升煤礦行業的發展空間，而且經過不斷的完善和發展逐漸表現出更明顯的優勢，不僅可適用于多種地質類型，而且在改善環境污染、提升綜合效益方面發揮著重要作用。