固体充填采煤设备在小马矿的应用及效果分析

陈荣邦，谷志民，徐 涛

(1.河南理工大学高等职业学院，河南 焦作454000；2.河南科技学院机电学院,河南 新乡 453003 )

焦作凯马煤冶化有限责任公司小马村矿为一改扩建矿井，拟开采-5煤层东区。小马村矿西距焦作市8km，1954年建井，1956年移交生产，设计生产能力0.3Mt/a，由于多年开采，二1煤层资源枯竭。2006年5月，开始进行—5煤层东区开采技术改造，—5煤层东区为一向南倾斜的单斜构造，倾角4°～14°，面积约3.92km2，可采储量206.4万t。—5煤层位于太原组中部，上距二1煤层底部71.54～94.67m，煤厚平均2.13 m，属较稳定煤层。采用长壁式综采，为保护地面建筑物不受损坏，采用固体充填采煤法，已进入生产期，布置在5101工作面[1]。

1 固体充填采煤法概况

固体充填采煤法属于绿色开采，是采矿发展的必然趋势。采用无尾矿充填采矿法，可以提高矿物回采率，减少对地面土地的贫化率，充分利用资源，有效控制地压，房屋和地表塌陷和在“三下”开采等优点，固体充填采煤法也在充填采矿法不断改造与发展的过程中得到创新与发展。采用充填法可以有效控制顶板的垮落，保护地面建筑物[2]。

固体充填采煤法起源于金属矿山，至今已有100多年的历史。在第一阶段，20世纪40年代以前，以废石干式充填为代表，充填的目的是处理废弃物；第二阶段，20世纪40～50年代，以水砂充填为代表；第三阶段，20世纪60～70年代，以低浓度尾砂胶结充填为代表；四阶段，20世纪80～90年代，以高浓度、膏体充填为代表；第五阶段，进入21世纪，为了解放“三下一上”压煤，保护地面建筑，发展了适合煤矿开采采空区固体充填法[4]。图1为固体充填采煤法基本原理图。

图1 固体充填采煤法基本原理图

2 5101工作面主要使用设备及充填设备应用

2.1 充填支架设备

充填工作面采用ZC5600/16/32四柱支撑式固体充填支架，充填支架的主要结构特点。

①采用四柱式结构，操作方便，立柱受力均匀，支护效率高；②前顶梁、后顶梁、上连杆采用三铰结构，上连杆布置两根平衡千斤顶，强度高，稳定性好；③后顶梁端部承载能力强；④顶梁长度短，支护强度高；⑤采用两个压实机构，压实范围增大，提高了充实率，缩短充填时间，提高效率；⑥上压实采用双伸缩机构，为充填落料提供足够空间，压实范围增大。

2.2 充填运输设备

充填工作面采用SGB630/150C边双链充填运输机，运输机挂接在液压支架后部，漏料孔在运输机工作过程中可通过两个液压缸的伸缩打开和关闭，采空区充填结束后，可随液压支架整体前移一个采煤机截深。

2.3 充填设备应用

依据固体充填采煤法开采工艺，决定采用走向长壁、双滚筒采煤机落煤、固体充填、后退式沿空留巷采煤法，采煤与充填平行开采。工作面采用MG80/240-BW型双滚筒采煤机落煤、装煤，刮板、皮带输送机运煤，整体移槽，运输机采用SGZ764/400，充填运输机采用SGB630/150C，充填液压支架为ZC5600/16/32[3]。

回采工艺流程：采煤机从工作面槽尾切口处进刀→开始上行割煤、装煤→移槽→采煤机割煤至工作面槽头切口处→采煤机反刀→推移工作面槽头→采煤机返回割三角煤→采煤机反刀→开始下行割煤、装煤→移槽→采煤机割煤至槽尾切口处→采煤机反刀→推移槽尾→采煤机返回割三角煤→采煤机反刀→开始上行割煤。即采煤机往返-次进两刀。

回采工作面采用采煤与充填平行作业，及采煤机在割煤时，充填输送机同时工作，充填采空区，当采煤机滚筒割煤时，由于充填输送机挂接在液压支架后部，随液压支架移动，通过漏料孔的打开与闭合，将地面送至采空区的碎矸石均匀落入采空区，通过液压支架压实机构把碎矸石压实，保证固体充填效果。图2为固体充填三维仿真系统图。

3 设备应用效果分析

1)采用固体充填采煤设备处理采空区能够提高煤炭采出率，采区回采率由我国目前条带开采法的30%～60%左右提高到90%以上。延长矿井服务年限，解放不具备用普通采煤方法开采的煤炭，采用固体充填法使54采区工作面由非可采变为可采，其服务年限为9个月，其中工作面搬家1个月，回采煤量为9万t，以500元每吨煤计算，扣除吨煤生产成本300元，包括工人工资、材料消耗后利润2600万元[5]。

2)采煤后可实现土地不塌陷、村庄不搬迁，减少了对矿区环境的破坏，保护了宝贵的土地资源和地下水资源，减少了矿井的排水费用。采用固体充填法，使得原有的煤矸石、粉煤灰等工业垃圾得到充分利用，改善了矿区环境，对于实现绿色开采提供了一个良好范例，使得矿区环境大为好转，为实现绿色矿山提供了一个方式。

图2 固体充填三维仿真系统图

3)采用固体充填采煤法可以使衰老矿井延长服务年限，相比于膏体充填采煤法工艺较简单，系统简化，不会发生膏体下井时的堵管现象，且采煤与充填平行，产量不会受到较大影响，具有较大的技术推广价值。

4 应用后的几点建议

1)加强对工艺的研究以及井下试验数据的系统采集和详细分析，并对地表变形沉陷规律进行详细观测。

2)加强工作面支护， 保证充填质量，作到充填前顶板下沉量和欠接顶量控制在330～450mm以内，能够保证开采安全。

3)制定并落实各项安全技术措施与预案。

[1] 李永元，周华强. 矸石膏体充填采煤面矿压显现规律[J].能源技术管理，2009(3)：64-66.

[2] 刘春明. 矸石井下处置绿色开采技术[J]. 煤矿开采，2008，13(6)：31-33.

[3] 张广海. 高档普采矸石充填工作面设备及工艺研究[J]. 煤炭技术，2008，27(12)：58-60.

[4] 谢忠强. 浅析煤炭绿色开采技术[J].中州煤炭，2009(5)：45-46.

[5] 阎少红. 我国目前煤矿充填开采技术现状[J]. 煤炭技术，2008，27(6)：1-3.