固體充填采煤方法與巖層移動控制的研究

宋 超

(同煤集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038300)

目前，我國礦區(qū)對開采后的采空區(qū)基本上采用的是全區(qū)垮落的處理方法，這種傳統(tǒng)的處理方法會造成采空區(qū)上方巖層的劇烈移動，從而導致地表大面積的沉陷，進而造成地面田地及房屋損壞、地下水流失、重金屬等污染物流入地下水中等嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[1]。因此，要協(xié)調煤炭資源開采與保護生態(tài)環(huán)境的關系，促進煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護共同平衡可持續(xù)發(fā)展，必須改變對煤礦井下采空區(qū)傳統(tǒng)的處理方法。固體充填采煤技術采用對采空區(qū)進行填埋處理的管理方法,利用煤矸石、粉煤灰等礦區(qū)固體廢棄物填充采空區(qū)，可有效地控制采空區(qū)上方區(qū)域巖層的大幅度移動，防止地表沉陷，既能解決煤礦固體廢棄物的排放難題,又能減少因開采造成的采區(qū)沉陷災害，已成為實現(xiàn)煤礦綠色開采的重要途徑之一[2-3]。

1 固體充填采煤技術

固體充填采煤技術將采煤技術與填充技術相結合，以矸石、煤灰、黃土等礦區(qū)固體廢棄物為主要充填材料，在不影響采煤作業(yè)的前提下，采用特殊的工作面布置、前采后填的作業(yè)方式，將填充材料安全快速填入采空區(qū)，對采空區(qū)頂板進行有效的支撐，防止頂部巖層大幅度下沉，甚至垮落。

1.1 固體充填采煤工作面布置及關鍵設備

固體充填采煤工作面的布置方式：固體充填物由地面間運輸系統(tǒng)及物料提升系統(tǒng)運送到井下，在回風巷內布置一臺膠帶運輸機，之后布置一臺自移式轉載機，然后，再經由多孔底卸式充填輸送機，多孔底卸式充填輸送機布置在充填采煤液壓支架后頂梁下方及采空區(qū)的上方，采煤液壓支架底座上的安裝有夯實機構，采煤液壓支架一側為采煤工作面，另一側為充填工作面，分別位于前后面，充填工作面即布置在支架后面的采空區(qū)。具體見圖1。在這種工作面布置方式中，充填采煤液壓支架的前部頂梁機構為采煤作業(yè)進行支護，后部頂梁為充填作業(yè)進行支護，使得充填與采煤作業(yè)可同時進行，而不會互相造成影響。

圖1 充填采煤工作面布置方式

固體充填采煤工作面關鍵設備有：充填采煤液壓支架、多孔底卸式充填輸送機和自移式轉載輸送機。其中，充填采煤液壓支架為采煤及充填工作面起到支護作用，保證足夠的安全作業(yè)空間，同時，安裝在其上的夯實機構能夠保證對采空區(qū)的填實；自移式轉載輸送機為中間運輸環(huán)節(jié)，主要是將從膠帶運輸機運送來的充填物料轉載到多孔底卸式充填輸送機，及時保證工作面的順利推進；多孔底卸式充填輸送機主要用于將運送來的固體充填物充填入采空區(qū)，完成填充作業(yè)。

1.2 固體充填采煤工藝

固體充填采煤技術工藝流程根據(jù)采煤機的運行方向不同分為兩種不同的流程。

1) 采煤機從多孔底卸式充填輸送機機尾向機頭移動采煤。

具體流程為：自移式轉載輸送機將廢棄物填充物料運送到位，將物料卸載到多孔底卸式充填輸送機，多孔底卸式充填輸送機向采空區(qū)充填作業(yè)面移動，直至液壓支架后頂梁后部，啟動充填輸送機開始填料，2個卸料孔為一組，當?shù)谝粋€卸料孔卸料完成后，第二個卸料孔開始卸料，采空區(qū)填料達到一定高度后，停止卸料并關閉該組卸料孔，啟動支架后部夯實機千斤頂推動夯實板進行夯實，夯實后繼續(xù)啟動充填輸送機，繼續(xù)進行卸料。一般需要2個～3個卸料、夯實的循環(huán)過程，采空區(qū)就會被全部填滿。完成一輪充填后，將多孔底卸式充填輸送機后移，操作夯實機構把采空區(qū)底板上的填充物向上推起，保證充填體填滿采空區(qū)并填實。最后，將充填輸送機向回移至充填作業(yè)面，啟動設備對后面的采空區(qū)繼續(xù)充填。

2) 采煤機從多孔底卸式充填輸送機機頭到機尾方向割煤。

具體工藝流程為：在采煤機割完煤時，先操作充填輸送機，打開機頭2個卸料孔，將整個充填輸送機輸送帶上的填充口進行分組，以4個為一組，按順序依次打開第一組的各個卸料口進行卸料，并在采空區(qū)填料達到一定高度時，同時啟動夯實機機構進行夯實，如此反復，直到第一組的4個卸料口卸料、夯實完成后，打開第二組卸料口依次進行卸料。按照該流程依次打開卸料孔對采空區(qū)進行填充夯實，從而實現(xiàn)對整個采空區(qū)的填實。

2 固體充填采煤巖層移動控制

在固體充填采煤技術中，充填體成為了采空區(qū)上部巖層的主要承載體，改變了巖層的移動規(guī)律。

2.1 充填采煤巖層移動規(guī)律

在傳統(tǒng)煤炭開采過程中，通常采用全部垮落的頂板控制方法，位于采空區(qū)上方的巖層隨著采煤向前推進不斷跨落下沉，在某一固定區(qū)域采空區(qū)上部巖層運動變化特征主要體現(xiàn)為垮落帶的形成、裂隙帶的形成及整體彎曲下沉帶的形成；而在充填采煤過程中，由于采空區(qū)被固體填充物填實，對采空區(qū)的上覆巖層起到了支撐作用，避免了上覆巖層的斷裂跨落，因此也就改變了上覆巖層的移動規(guī)律，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 在煤礦開采形成采空區(qū)的過程中，充填及時且填實的情況下，能夠避免形成垮落帶，從而改變了采空區(qū)上部巖層的變化特征。

2) 充填采煤改變了煤采區(qū)域巖層的承壓狀態(tài)。在充填采煤過程中，利用固體廢棄物密實填充采空區(qū)以支撐采空區(qū)上覆巖層，使邊緣巖層受壓變?yōu)槌涮铙w和邊緣巖層共同受壓，上覆巖層所受壓力通過采空區(qū)填充體大部分轉移至底板，使其所受壓力得到有效地釋放，控制了頂板的大幅度下沉，同時抑制了采空區(qū)底板向上隆起變形。

3) 采空區(qū)充填可以有效地控制地表的沉陷。按傳統(tǒng)采區(qū)沉陷規(guī)律可知，煤層開采之后采區(qū)巖層遷移變化、破壞程度特征與采高有直接關系，采高越高變形及破壞程度越大，反之越小。采用固體填實技術之后，采空區(qū)被填實，相當于降低了采區(qū)采高，因而在一定程度上控制住了地表的沉陷。

2.2 充填采煤巖層移動計算的等價采高理論

等價采高理論即，等價采高為采空區(qū)充填前實際高度和采空區(qū)充填后實際高度的差之余。等價采高模型如圖2所示。

圖2 固體充填等價采高模型

等價采高計算公式見式(1)。

HZ=hq+(v-v′)(h-ha)

(1)

式中，HZ為等價采高，m；hq為欠接頂量，m；h為實際采高，m；v為松散系數(shù)；v′為壓實系數(shù)。

由圖2及式(1)可知，由于充填無法接觸頂部、充填體無法完全壓實等因素，最終出煤的厚度即是采高。

但在公式(1)中，僅考慮了充填不接頂和充填體沒壓實兩個方面的因素。一般情況下，在充填過程中頂板會隨時間不斷下沉，且在實際過程中充填體沒壓實的碎脹系數(shù)難以測定，通過公式(1)不能計算出最終的等價采高數(shù)值。在充填過程中，上覆巖層的彎曲下沉是一個緩慢而不間斷變形的過程，等價采高可以等效于頂板的最終下沉量。因此，對公式(1)進行修正，見式(2)。

HZ=hd=ht+hq+hk

(2)

式中，hd為最終下沉量，m；ht為頂板提前下沉量，m；hq為欠接頂量，m；hk為充填體的壓縮量，m。

其中，hk、hq在現(xiàn)場能夠測定出來，而充填體的壓縮量hk一般通過公式計算出來，可表示為式(3)。

hk=η(h-ht-hq)

(3)

式中，η為充填體壓實率。

將式(2)代入式(3)最終得出等價采高的表達式，即式(4)。

Hz=hd=ht+hq+η(h-ht-hq)

(4)

因此，從式(4)可以得出，等價采高主要受頂板提前下沉量ht、欠接頂量hq、充填體的壓實率η這3個參量的控制，通過獲取這3個參量數(shù)值就可計算出等價采高。

3 結語

固體充填采煤技術改變了傳統(tǒng)采煤采空區(qū)的處理方法，在實際采煤過程中可通過控制下沉量ht、欠接頂量hq及壓實率η，有效地降低了采空區(qū)的等價采高，從而減小了巖層的移動量，并防止了地表塌陷的發(fā)生。