自夯式矸石充填液壓支架在深部礦井的應用

趙奕磊

(國家知識產權局專利審查協作北京中心，北京 100170)

隨著我國煤礦開采技術的發展與日益嚴格的環保要求，“綠色開采”越來越受到重視。固體充填開采因能適應“三下開采”和解決地表沉陷等優勢，同時利用廢舊物體，既節約成本，又減少對環境的污染與破壞，越發受到重視并取得長足發展[1-3]。王家臣等[4]研究了固體充填開采時支架與圍巖的關系以及相關礦壓規律；王明立[5]針對煤矸石顆粒級配進行研究，為優化矸石充填提供建議；黃艷麗等[6]研究了粉煤灰和矸石在綜采固體充填工作面的應用情況；王磊等[7]提出了固體充填質量控制體系，并介紹系統情況，構建監測系統；余偉健等[8]研究了覆巖和煤柱與充填體的協作支撐系統作用機理；趙海軍[9]研究了充填開采引起地表變化情況的過程和機制，提出了相關對策。

以上研究豐富了充填開采技術，并有效解決了現場實際問題，但對深部大采高矸石充填技術的研究較少。因此，本文以邢東礦深部800 m首個大采高綜采矸石充填面為研究背景，分析工作面開采難點及矸石充填開采支架與圍巖關系，進而確定了矸石充填開采自夯式液壓支架的選型原則與性能要求，計算確定了液壓支架的支護強度、工作阻力等參數，并進行現場應用和地表觀測，結果表明自夯式矸石充填液壓支架取得了成功應用，有效控制了地表沉降，并為該礦后續厚煤層采用矸石充填開采的方法提供借鑒。

1　工程概況

1.1　工作面概況

邢東礦矸石充填試驗工作面為12212工作面，2#煤層為主采煤層，煤層標高為-825～-752 m，煤層平均傾角10°，煤厚4.3～4.46 m，平均厚度4.38 m，工作面走向490 m，傾斜55 m。工作面水文地質條件簡單，周圍無采動，不受老空水影響。礦井為低瓦斯礦井，且煤層不易自燃。煤巖層柱狀圖見圖1。

圖1　煤巖層柱狀圖

1.2　煤層開采難點

12212工作面埋深達800 m，原巖應力超過20 MPa，深部復雜構造應力導致應力值更高、集中程度更大，選擇合適的開采裝備難度大[10]，高地應力等因素容易造成巷道變形嚴重，誘發多種問題。12212工作面上部有村莊，若開采則需要搬遷村莊；本工作面采高大，直接頂垮落后不能完全充填采空區，不能有效支撐基本頂，支架和煤壁將承受過高的載荷，壓架和片幫等現象頻發。

12212工作面相似條件下的高水材料充填效果并不明顯，只能進行矸石充填，綜合化矸石充填關鍵設備的難以選擇制約了開采，原有設備操作難度大，危險系數高，充填效果一般，應用于深部且大采高則問題更多。本文結合工程情況及矸石充填液壓支架與圍巖的關系,分析計算了矸石充填液壓支架承載能力及選型要求與基本參數，最終確定選型和進行應用，并對工作面礦壓與地表沉陷情況進行觀測。

2　矸石充填液壓支架與圍巖的關系

2.1　矸石充填液壓支架與圍巖的關系

完全垮落法開采時頂板直接垮落，關鍵巖層失穩破斷，上覆巖層及地表發生破壞；充填開采時頂板受煤體、支架和矸石協同支撐，頂板穩定性和承載能力增強，避免了關鍵層的失穩破斷，依然為承載主體，覆巖及地表不易下沉破壞。完全垮落法與矸石充填法采煤覆巖運動圖見圖2。

完全垮落法開采時，支架的主要作用在于平衡頂板破斷產生的動靜載荷，而矸石充填開采中直接頂受煤壁、支架與矸石協同支撐并不會立即垮落，下沉變形受到控制，基本頂等上覆巖層的下沉等情況亦會受到控制，同時其自穩能力較好，短時間內下沉少，甚至不下沉，此時采場支架僅承擔直接頂的重力，主要控制直接頂的下沉變形[4]。

2.2　矸石充填液壓支架承載能力的計算

直接頂懸頂端受充填矸石支撐，并不會立即垮落，但在自重及上覆巖層壓力下將發生下沉，由原來的OM位置下沉變形至ON位置保持穩定，沉降量為ΔhN，下沉回轉角度為α，直接頂下沉步距為L，支架控頂距為L1，直接頂懸頂距為L2，直接頂對支架作用力為P1，支架對直接頂合力為P2，支架合力作用距煤壁距離L3。矸石充填采場頂板與支架力學模型見圖3。

圖2　完全垮落法與矸石充填法采煤覆巖運動圖

圖3　矸石充填采場頂板與支架力學模型

根據力矩平衡方程，P1與P2滿足式(1)。

P2×L3=P1×L×cosα/2

(1)

式中：P1=Σhγ·L,α=arctan(ΔhN/L),其中，Σh為直接頂厚度;γ為巖石的容重。

即有式(1)變形為式(2)。

P2=Σhγ·L2·cos(arctan(ΔhN/L))/2L3

(2)

單位長度支架受力為P2i=P2/L1且L=L1+L2，而實際中為保持充足充填空間，起到最好充填效果，ΔhN?L，即α→0，cos(arctan(ΔhN/L))≈1。

所以有式(3)。

P2i=Σhγ·(L1+L2)2/2L3L1

(3)

12212工作面直接頂Σh=3.68 m，γ為2.5 t/m3，L1取8.5 m，L3取4.5 m，代入式(3)，計算得P2i=1.2(8.5+L2)2，即當L2為3 m時，載荷為160 kN/m2，當L2為7 m時，載荷為289 kN/m2，L2為10 m時，載荷為411 kN/m2。而矸石隨采隨充，當懸頂距超過一定程度時，矸石逐漸被壓實，能夠有效發揮承載作用，矸石將承擔一部分載荷，液壓支架承載載荷將發生降低。

3　自夯式矸石充填液壓支架的應用

矸石充填開采需采用新型自夯式矸石充填液壓支架，其選型原則、性能、參數、工藝等情況必須滿足相應要求，才能保護生產安全和充填采空區等作用。

3.1　自夯式矸石充填液壓支架選型原則

自夯式矸石充填液壓支架要滿足以下原則：①液壓支架的支護阻力、初撐力、高度、操作方法與性能等必須要和工作面頂底板條件、煤層情況及生產能力匹配；②液壓支架的移架速度、設備性能、使用壽命等要和刮板機、采煤機相互適應；③需要有一定的穩定性，以適應不同工作狀況；④綜合各因素選擇良好的支架，實現良好的充填效果。

3.2　自夯式矸石充填液壓支架的性能及要求

自夯式矸石充填液壓支架除具有一般支架的性能，如足夠支護強度、有效工作特性外，還必須有如下要求。

1) 充填完成前頂板發生一定程度的下沉，同時后頂梁下部懸掛有輸送矸石的刮板輸送機，后頂梁必須有足夠的強度方可承受靜載荷與動載荷的影響。

2) 自夯式矸石充填液壓支架后頂梁下部懸掛有輸送矸石的刮板輸送機，同時下部有可以連續夯實矸石的夯實機，因此，支架后部需要足夠空間，既不影響充填工作，亦方便對設備的檢查維修等。

3) 矸石刮板輸送機寬度較窄，位置固定則不能充分充填，按采煤與充填工藝設計要求，需要增設刮板機滑道及牽引裝置，滑道長度需符合充填要求。

4) 卸落矸石較松散，堆積密實性差，為滿足良好充填效果，需設置夯實機構，增加矸石密實性，降低松散程度，同時需設置夯實機調節裝置，使夯實機上下反復夯實矸石，保證矸石密實又充分接頂。

5) 自夯式矸石充填液壓支架相對普通支架增設后頂梁、矸石刮板輸送機及夯實機構等，支架前后重量有所差別，同時因工況不同會發生前仰后傾、移架不便等問題，支架的穩定性需要得到重視。

3.3　自夯式矸石充填液壓支架選型基本參數

1) 支架高度。工作面沿煤層頂板開采，平均煤厚4.38 m，局部可能因煤層起伏不平而厚度發生變化，支架高度偏則低不利于開采，過高則穩定性不好。結合相似地質情況，選擇采高為3～5 m，支架最大高度為5 m，最低高度為3 m。

2) 支架支護強度。依經驗，工作面支架支護強度需要支撐4～8倍采高的巖石容重[11]，支護強度P由式(4)確定。

P=(4～8)γh

(4)

式中：γ為巖石的容重，2.5 t/m3；h為采高，m。

矸石充填開采時，頂板壓力由煤體、液壓支架和矸石一起承載，支架實際支護強度相對完全垮落法會降低，計算煤層采高應以“等價采高”計算。即計算所需采高為煤層實際厚度與充填材料被上覆巖層充分壓實之后的高度的差值[12]。

矸石充填綜采中等價采高計算公式見式(5)。

Hz=Ha+Hb+k(H-Ha-Hb)

(5)

式中：Hz為等價采高，m；Ha為充填前頂板下沉量，m；Hb為充填后充填體與頂板距離，m；H為實際工作面采高，m；k為充填材料壓實率。

由地質情況可知H=4.38 m；充填前頂板下沉量Ha一般為0.1～0.3 m，按可靠性原則選0.3 m；充填后充填材料與頂板接頂距離Hb一般為0，按要求達85%以上；充填材料壓實率k一般為6.6%～15%。

由式(5)計算，等價采高高度為1.47 m。

所以h=Hz=1.47 m。代入數據，計算得P為147～294 kN/m2，即液壓支架的支護強度應大于294 kN/m2。

3) 支架工作阻力。矸石充填開采時，支架承受的頂板壓力相對完全垮落法開采時被矸石分擔一部分而有所降低，由臨近工作面工作阻力監測數據大致位于2 500 k～3 500 kN，同時工作面開采時來壓不明顯，可知支架實際工作阻力整體不高，承載載荷較小。

支架工作阻力的計算需要考慮頂梁長度、支護強度等參數，見式(6)。

Q=103×n×(La+Lb)×B×P/(y1+y2)

(6)

式中：Q為工作阻力，kN；n為安全系數，取1.50；La為控頂距，取0.34 m；Lb為頂梁長度，取8 m；B為支架中心距，取1.50 m；P為支護強度，取0.30 MPa；y1為充填效率，取0.85；y2為安全閥波動系數取0.90。

代入參數，計算得支架工作阻力Q不小于3 217 kN。

但根據工作面礦壓觀測結果可知，應取相對較大的參數，以確保工作面的安全開采。

4) 支架型式。由于充填開采工作面充填開采液壓支架后部需安設矸石充填設備，控頂范圍較大，支架最大高度定為5 m，選用兩柱或四柱掩護式支架；同時支架后部必須留有充足的人工操作空間。因此，選用四柱支撐掩護式支架，采用四連桿機構。

3.4　自夯式矸石充填液壓支架選型確定

根據地質條件、承載能力、性能要求及參數計算等，最終確定選用ZC5160/30/50型四柱支撐掩護式支架，四連桿機構。性能見表1，結構原理見圖4。

表1　液壓支架性能表

圖4　自夯式矸石充填液壓支架

自夯式充填液壓支架主要由頂梁、立柱、四連桿、底座、尾梁千斤頂、矸石刮板輸送機、夯實千斤頂、調節千斤頂和夯實板等構成。矸石刮板輸送機懸掛在尾梁之下，輸送機槽板上有可以控制閉合的卸料孔，卸放充填料；兩臺尾梁千斤頂，一臺鉸接尾梁，一臺鉸接頂梁下方鉸接耳板，增加支護強度和穩定性；夯實千斤頂推動夯實板壓緊密實充填料；調節千斤頂鉸接在底座上，調節夯實千斤頂和夯實板的角度，上下旋轉，循環均勻壓實材料，使充填料充分接頂，不留空隙。

3.5　自夯式矸石充填液壓支架充填工作原理

采空區充填工作依靠矸石輸送機和夯實機協作完成，矸石經巷道輸送機運至工作面上端頭，然后經矸石刮板輸送機運至待充填區域，從機尾向機頭方向進行充填。依次打開每臺矸石刮板輸送機的卸料孔卸放矸石到采空區，矸石堆積一定高度后由夯實機進行多次夯實，平均循環2～3次。按照工藝流程，每臺支架依次夯實完畢，最后充填機頭位置，然后再拉移矸石刮板機向前一個步距，進行第二輪充填，按照順序依次充填，最后完成整個工作面的充填。

3.6　自夯式矸石充填液壓支架充填工藝流程

工作面每采一刀煤停止采煤開始充填，充填順序由充填開采輸送機機尾向機頭方向進行，按照矸石密實度高并且充分接頂的原則，每個支架下充填矸石多次卸矸并且充分夯實2～3次，具體工藝流程如下所示。

1) 停止采煤，推移前刮板輸送機，移直支架。充填前斷面圖如圖5所示。

2) 移直、啟動矸石刮板輸送機，打開機尾1號、2號卸料孔，卸放矸石，將1號卸料孔下部區域矸石充填至一定高度。充填一定高度斷面圖見圖6。

圖5　充填前斷面圖

圖6　充填一定高度斷面圖

3) 關閉1號卸料孔，啟動1號夯實機夯實矸石，同時打開3號卸料孔，2號、3號卸料孔卸料。

4) 待2號卸料孔下部矸石充填至一定高度，關閉2號卸料孔，打開1號卸料孔，對1號支架下部夯實空間充填矸石，同時打開2號支架夯實機夯實矸石。

5) 待1號支架下部充填完畢，打開2號卸料孔充填夯實空間，同時啟動1號夯實機夯實上部矸石，完成1號充填。夯實上部矸石充填斷面圖見圖7。

6) 關閉1號卸料孔，啟動2號夯實機夯實上部空間，此時若3號卸料孔已完成卸料則進行4號卸料孔卸料，不然繼續卸料，夯實完成后關閉2號卸料孔，啟動3號夯實機夯實，同時打開4號卸料孔或5號卸料孔卸料，依次類推，至整個工作面充填完畢，完成第一輪充填。

7) 拉移矸石刮板輸送機一個步距，進行第二輪充填。拉移矸石刮板輸送機一個步距充填斷面圖見圖8。

圖7　夯實上部矸石充填斷面圖

圖8　拉移矸石刮板輸送機一個步距后充填斷面圖

4　試驗效果及分析

后期對回采過程中支架工作阻力進行觀測，根據觀測結果得出，支架后柱的工作阻力明顯大于前柱，均保持穩定，平均在2 600 kN～3 400 kN，均小于額定工作阻力，均沒有激增現象發生，變化不明顯，工作面亦沒有發生來壓。分析可知充填體和支架對頂板壓力起到較好支撐作用，保護頂板沒有破斷，頂板承載了大部分覆巖載荷，支架載荷變小，表明了充填矸石和支架的支撐性能良好，自夯式充填液壓支架有效發揮了充填作用，保證了工作面的高產高效安全開采。

同時，在工作面上部地表沿工作面方向和垂直工作面方向設置AN測線、BW測線，采用GPS導線控制測量與水準測試的方法對測線位置的最大下沉量、下沉速度、傾斜變形、曲率變形、水平移動、水平變形進行觀測測量。觀測結果見表2。

由表2觀測結果可知，最大下沉量僅有301.9 mm，同時其他測量指標數據都很小，觀測結果表明地表變形破壞數值小，程度輕，屬于1級破壞程度，地表基本無破壞變形，表明邢東礦矸石充填技術應用成功，對地表變形破壞起到很好控制作用，同時解放村莊下壓煤，增加產能，提高礦井效益。大量矸石的利用亦減少了矸石排放對環境的污染問題，社會效益顯著。

表2　觀測結果表

5　結　論

1) 矸石充填開采時，頂板受煤體、支架和充填體協同支撐，關鍵層及上覆巖層得到有效保護，采場內液壓支架僅承擔直接頂的重力，主要控制直接頂的下沉變形，結合邢東礦地質條件計算得出直接頂不同垮落步距時支架載荷情況。

2) 根據等價采高理論計算得出4.38 m的采高等價于開采1.47 m的煤層，進而根據公式確定工作面所需支架支護阻力與支護強度等參數，確定支架型號為ZC5160/30/50支撐掩護式液壓支架。

3) 開采期間液壓支架平均工作阻力較小且保持穩定，均未達到額定工作阻力，工作面頂板來壓不明顯，同時分析地表沉降觀測結果知其破壞等級屬于1級破壞，對地面破壞程度較小，地表沉降得到控制，表明了自夯式矸石充填液壓支架的成功應用。