固体充填液压支架压实机构的演变

张学东， 王传齐， 许伟

（卡特彼勒（郑州）有限公司，郑州450103）

0 引言

由于“三下”压煤等原因，我国的煤炭资源采出率较低，东部矿区“三下”压煤量已普遍超出可采储量的50%，尤其是存在着大量的稀缺煤种资源无法采出。每年因开采煤炭而排放矿井水超过80亿t，新增破坏耕地约7万ha，排出煤矸石超过9亿t；现有矸石山1600余座，堆积量超过55亿t，占地超过15000ha；矸石山严重污染空气和地下水，还有爆炸危险。

传统的条带开采方式均不能进行“三下”压煤的开采，迫切需要采用新的技术手段进行煤矿资源的开采与利用。充填采矿方法是我国21世纪绿色开采的一个重要方向，给煤矿工业的可持续性发展提供了契机。

1 固体充填工作面的工作原理

综合机械化固体废物充填采煤技术是将地面的矸石、粉煤灰、建筑垃圾、黄土、风积沙等固体废弃物通过垂直连续输送系统运输至井下，再由胶带输送机等相关运输设备将其运输至充填工作面，借助充填采煤液压支架、固体充填物料转载输送机及固体充填物料刮板式充填输送机等充填采煤关键设备实现采空区充填。井下掘进矸石通过破碎等程序后，可以直接运输至工作面进行充填（固体充填采煤系统布置如图1所示）。

1）煤炭运输路线：充填采煤工作面→运输平巷→运输上山→运输大巷→运输石门→井底煤仓→主井→地面。

图1 固体充填采煤系统布置示意图

2）充填料运输路线：地面→固体物料垂直输送系统→井底车场→辅助运输石门→辅助运输大巷→轨道上山→回风平巷→充填采煤工作面。

固体充填工作面设备布置如图2、图3所示。

2 压实机构的作用及工作原理

在固体充填工作面中，采空区的充料量和充填料的密实程度直接影响着充填工作对采空区顶板的支护。充填越密实、充料量越大则对顶板的支护就越好，越能有效控制顶板下沉，减小采煤对地下水体、地表设施和耕地的破坏。

图2 固体充填工作面设备布置示意图

图3 采空区固体充填示意图

压实机构对充料量和充填料的压实起着决定作用。一方面可以将靠自重落下的充填体压实，使充填物料达到一定的致密度，具有一定的抗压能力，能够承受顶板下沉的压应力。另一方面移架后可以将充填料推向原支架顶梁和落料刮板机所在的空间，在推压接顶的基础上加大充料量、提高充填体的接顶效果，控制顶板下沉量，不致顶板下沉断裂，从而将地面建筑物的破坏程度控制在允许的范围内。

3 压实机构的演变

3.1 单级单头下调整压实机构（如图4）

图4 单极单头下调整压实机构

优点：单级伸缩压实机构，结构简单，操作方便，工作效率高，压实机构摆动千斤顶布置在下方，有效保护了千斤顶及其液压系统；下部配合可伸缩式挡板，将压实机构下端空间封闭，有利于保护压实机构摆动千斤顶，必要时可辅助支撑压实机构。

缺点：单级压实，伸缩比小，后顶梁的长度太长，对后端采空区顶板的控制不利；压实梁下部封闭、上部为可拆卸封板，虽有利于压实千斤顶的维护，但一旦封闭箱内堆积矸石，将会越积越多，最终影响整个压实机构的运转，摆动千斤顶不易维护；下端可伸缩式挡板易被埋入充填固体内，损坏伸缩箱体和千斤顶，且不易维护。

3.2 单级双头下调整压实机构（如图5）

图5 单级双头下调整压实机构

优点：单级双头压实机构，压实范围大，有利于采空区充填物的压实，增加充料量、提高充填物的密实度，对控制采空区顶板比单级单头要好。

缺点：仍然存在单级单头下调整压实机构的缺点；另外双头压实机构结构复杂且要求配合工作，速度慢，效率低，易塞矸；下压实机构的维护非常不方便。

3.3 双级单头下调整压实机构（两种）

3.3.1 伸缩式（图6所示）

图6 伸缩式双级单头下调整压实机构

优点：二级压实机构伸缩比大，后顶梁短，后部承载能力强，可有效控制顶板下沉，以维护后部填充空间，方便固体充填料的填充及压实。

缺点：双级压实机构，结构复杂，速度较慢，虽布置有防矸盖板，但各级伸缩结构运动过程中易塞矸；摆动千斤顶力臂短，一旦压实机构上堆矸严重，可能摆动不上去，必须人工清矸。

图7 手套式双级单头下调整压实机构

伸缩式的倒置形式，工作原理与伸缩式相同；虽大大降低了压实机构塞矸的可能性，但是仍没有完全解决上述伸缩式压实机构存在的主要缺点。

图8 单级单头上调整压实机构

3.4 单级单头上调整压实机构（图8所示）

优点：压实机构采用单级单头结构，简单、实用，易于实现采煤、充填同时作业，加快推进速度，提高工作面的效率；采用箱式框架结构导向，上部封闭下部开口，变堵为疏，克服了以上几种压实机构易积矸的缺点，使整个机构能更有效地运转；另外摆动千斤顶布置在压实机构上方，可更好地操纵压实机构摆动，同时维护更为方便。

缺点：由于压实机构开口在下方，压实千斤顶的维护仍然困难。

4 结语

煤炭在我国能源结构中占比高达70%以上，是我国今后长期使用的主要能源。可以预见：“十二五”期间的煤炭产量仍将会稳步增加；环境保护和生态治理同样是“十二五”期间国家的重要任务。为解决这一矛盾，成本较低、效益明显的充填开采技术将发挥不可替代的重要作用。充填开采技术代表着未来绿色开采的趋势，也将具有广阔的应用前景。

充填开采技术及装备的开发和应用不仅解决了“三下”压煤开采的问题，提高煤炭资源利用率，更重要的是可实现绿色开采、循环经济和可持续发展。实现了综合机械化固体废弃物充填采煤技术的重大突破。从根本上改变了煤炭行业传统开采模式，实现绿色环保开采的要求，为我国煤炭行业的发展探索出一条新路。

由上述压实机构的演变过程可以看出：符合实际生产需要，故障率低、易维护的结构才是设备研发和技术创新的方向；只有研发出实用、高效的设备才能更好地为煤炭开采服务，提高经济效益的同时减少劳动强度，使煤炭开采更安全和高效。

［1］ 徐俊明，谭辅清，巨峰，等.六柱支撑式固体充填采煤液压支架结构及工作原理研究［J］.中国矿业，2011，20（4）：101-104.

［2］ 缪协兴，张吉雄，郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究［J］.煤炭学报，2010，35（1）：1-6.

［3］ 缪协兴，张吉雄，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）：395-401.