充填液压支架的应用及发展展望

程骏

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

充填开采是随着回采工作面的推进，用矸石、膏体、高水等充填材料将采空区充满，通过充填体支撑上覆岩层，达到减少地表采动影响，实现资源开发与环境保护协同发展。

近十年来，针对不同开采条件，部分煤矿企业和科研院所积极探索并实施了固体矸石充填、膏体充填、高水材料充填等充填开采技术和装备，在山东、河北、河南、内蒙和陕西等地推广使用，取得良好的社会和环境效益，具备了一定的推广应用条件［1－4］。

1 矸石充填液压支架

矸石充填液压支架主要是在顶梁后部悬挂带有卸料孔的刮板输送机 (如图1)，卸料孔下方均有由千斤顶控制开关的插板，通过操作千斤顶每次打开2～3个卸料孔进行矸石充填，当矸石充填到一定高度后开启下一批卸料孔，直至充满整个采空区。充填前要顺直悬挂在支架后部的卸料刮板输送机，充填由工作面机尾向机头方向进行。

矸石充填液压支架主要有2种:带夯实机构的矸石充填液压支架 (如图2)和不带夯实机构的矸石充填液压支架(如图3)。

图1 卸料刮板输送机中部槽

主要特点:

(1)支架采用四柱正四连杆的结构形式。

(2)支架顶梁后部悬挂带有卸料孔的刮板输送机。

(3)带夯实机构的充填液压支架充填工艺复杂，可以在一定程度上提高充填材料的密实度。

(4)不带夯实机构的矸石充填液压支架通过悬挂在顶梁上的上挡墙和底座后部的下挡墙起到隔离工作面和采空区的作用。这种矸石充填支架以消灭地表矸石山或矸石不升井为主要目的，对地表下沉的控制作用有限。

河北邢台矿7606充填开采试验工作面煤层平均厚度2.79m，平均倾角9°，煤层顶板、底板均为砂质页岩。该充填工作面采用带夯实机构的矸石充填液压支架，采空区充填率90%以上，地表下沉最大值为231mm，工作面上方受护体产生最大倾斜变形值0.8mm/m，水平变形值0.9mm/m，能够控制在Ⅰ级损害范围内［5－10］。

图2 带夯实机构的矸石充填液压支架

图3 不带夯实机构的矸石充填液压支架

2 膏体充填液压支架

膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣等固体废物在地面加工成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，利用充填泵或重力作用通过管道输送到井下充填工作面，充填至液压支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区中。

膏体充填液压支架 (如图4)在摆动梁、底座后部均需设置活动侧护板，防止支架架间泄浆;支架顶梁和顶板、底座和底板之间利用柔性泡沫和塑料布进行简单处理。实践表明，支架间隙控制在5mm以内，充填过程中局部有漏浆现象，不会对工作面产生严重影响，可保证充填接顶质量。

图4 膏体充填液压支架

膏体充填液压支架的主要特点:

(1)支架采用四柱正四连杆的结构形式。

(2)摆动梁和底座下挡墙均需设置活动侧护板。

(3)通过千斤顶的伸缩，摆动梁既可支护顶板又可当作上挡墙使用。

岱庄煤矿2351膏体充填工作面煤层埋深平均440.15m，煤层平均厚度为2.74m，煤层倾角平均6°。煤层顶板、底板均为粉砂岩。根据岱庄煤矿充填量统计，截止2010年12月底，2351充填工作面平均充填率高达95%，地表最大下沉量140mm，工作面上方受护体产生最大倾斜变形处于1.1～1.9mm/m之间，能够控制在Ⅰ级损害范围内［7－10］。

3 高水充填液压支架

高水充填材料中水的体积可占90%以上，流动性好，对支架架间、支架顶梁与顶板、支架底座与底板间的密封要求较高。目前主要有高水柔模充填与单元式挂袋充填2种方式。

3.1 高水柔模充填液压支架

高水柔模充填液压支架 (如图5)主要通过上挡墙挤压顶梁来密封顶模和底模，其中顶模和底模分别沿采空区顶板和底板铺设，通过手动缝纫机和胶棒沿工作面接长和密封［11］。充填时利用重力作用将高水充填材料沿封闭管道将充填材料从地面输送至采空区的密闭柔模空间内，8h后充填材料膨胀凝固，起到支撑顶板和上覆岩层的作用。

图5 高水柔模充填液压支架

高水柔模充填液压支架主要特点:

(1)支架架型为四柱支撑式，稳定机构采用套筒伸缩杆机构。

(2)顶梁后部、上挡墙顶部装有橡胶板，通过上挡墙挤压顶梁后部可夹紧柔模，防止高水充填材料泄漏。

(3)通过上挡墙上的椭圆孔可将充填材料注入密闭柔模空间内。

榆阳煤矿2307充填工作面长度160.8m，煤层埋深平均190m，煤层平均厚度约3.6m，煤层倾角平均0.6°。煤层顶板以中粒、细粒砂岩为主，底板以泥岩、粉砂岩为主。根据榆阳煤矿充填量统计，截至2013年11月底，2307充填工作面平均充填率高达98%，地表最大下沉量53mm，工作面上方受护体产生最大水平变形值为0.19mm/m，最大倾斜变形值为0.58mm/m，能够控制在Ⅰ级损害范围内。

3.2 单元式挂袋充填液压支架

单元式挂袋充填液压支架 (如图6)由可以满足工作面综采功能要求的反四连杆充填液压支架和作为充填墙的直线式充填液压支架组成［3］。借助条带开采的减沉理念，将充填材料充填至预先布置在采空区的充填袋内，待高水充填体凝固后即可起到支撑顶板的作用。

图6 直线式充填液压支架与反四连杆充填液压支架布置

单元式挂袋充填液压支架的主要结构特点:

(1)反四连杆充填液压支架采用四柱反四连杆结构，顶梁后部可单独安装水平防护板和垂直密封防护板。

(2)直线式充填液压支架采用套筒伸缩杆式稳定结构;通过底座前端的销轴与反四连杆充填液压支架连接，可以充当模板作用。

山西柳林大庄煤矿煤层倾角3～5°，直接顶砂质页岩，直接底为砂岩，煤层平均厚2m。矿压观测表明，工作面顶板下沉量最大为80mm，平均24.8mm，上覆岩层处于稳定状态，采空区充填体对控制顶板下沉起到非常明显的作用［12］。

4 充填液压支架发展展望

4.1 5m以上大采高充填液压支架

目前，随着采煤装备的不断发展，在神华集团和陕煤集团已出现多个7m大采高综采工作面。为了提高采出率，保护地表环境，实现煤炭产业的绿色开采，对开采装备的发展提出如下展望:

高水充填和膏体充填的充填率较高，但对支架的密封性要求高，且随着采高的增大，顶梁与顶板的接触处不容易人工处理，底座与底板之间受充填体的压力较大，使回采区与充填区的密封隔离不容易实现。

矸石充填由于充填工艺简单，在大采高充填工作面有一定的应用基础，可以实现矸石不升井和消灭地表矸石山的目的。

目前大采高充填成套设备还存在以下问题亟待解决:

(1)充填与开采之间的效率匹配 大采高工作面刮板输送机中部槽宽度多在1m以上，而悬挂在支架后部的充填刮板输送机中部槽宽度多为630mm或730mm。

(2)输送矸石的胶带机与悬挂在顶梁上的输送机机头的搭接问题 输送矸石的胶带机沿工作面巷道铺设，充填刮板输送机悬挂在大采高液压支架顶梁后部，两者间的高度差通常都在3m以上。

(3)充填刮板输送机的检修问题 由于充填刮板输送机悬挂在大采高液压支架顶梁后部，在采空区一侧，距离底板较高，不容易检修。

4.2 放顶煤充填液压支架

国内充填液压支架多布置在一次采全高工作面，在放顶煤工作面还未有尝试，亟待解决放顶煤与充填之间的相互影响。

［1］王国法.煤炭安全高效绿色开采技术与装备的创新和发展［J］.煤矿开采，2013，18(5):1－5.

［2］钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术［J］.中国矿业大学学报，2003，32(4):343－348.

［3］缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望［J］.采矿与安全工程学报，2009，26(1):1－14.

［4］张吉雄，缪协兴，茅献彪，等.建筑物下条带开采煤柱矸石置换开采的研究［J］.岩石力学与工程学报，2007(26): 2687－2693.

［5］张吉雄，缪协兴，郭广礼.矸石 (固体废物)直接充填采煤技术发展现状［J］.采矿与安全工程学报，2009，26(4).

［6］张文海，张吉雄，赵计生，等.矸石充填采煤工艺及配套设备研究［J］.采矿与安全工程学报，2007，24(1):79－83.

［7］周华强，侯朝炯，孙希奎，等.固体废物膏体充填不迁村采煤［J］.中国矿业大学学报，2004，33(2):154－158.

［8］瞿群迪，周华强，侯朝炯，等.煤矿膏体充填开采工艺的探讨［J］.煤炭科学技术，2004，32(10):70－72.

［9］李兴尚.建筑物下条带开采冒落区注浆充填减沉技术的理论研究［D］.徐州:中国矿业大学，2008.

［10］刘 明.膏体充填开采控制地表沉陷影响因素研究［D］.泰安:山东科技大学，2008.

［11］朱 军.高水柔模充填支架的研制［J］.煤矿开采，2013，18(2):32－34.

［12］程 骏，王 瑜.单元式充填液压支架研究［J］.煤矿开采，2012，17(5):43－45.