综合机械化固体充填采煤一体化技术研究

高 朝

（阳煤集团安监局， 山西 阳泉 045000）

1 充填采煤技术概况

煤炭资源在消费结构及能源生产中占有重要地位，然而我国“三下”压煤问题相对于发达国家的采煤实践仍具有较多的问题，即在水体、铁路以及建筑物条件下煤炭开采技术相对落后并严重制约了区域煤炭企业的发展，并且采煤过程中存在的环境污染问题与我国生态环境建设明显不符。随着科技的进步和社会的不断发展，煤炭企业逐渐开始强调科学采煤和绿色开采的理念，因此综合机械化固体充填采煤一体化技术得到了充分的研究发展和广泛的应用。近年来，该技术在松散含水层、大范围水体条件、公路和铁路交叉网以及密集建筑群下矿区开采的成功应用，表现出了独特的环境、社会和经济优势[1]。

1.1 主要技术难点

对冶金矿山充填应用煤炭充填开采技术存在较大的问题和误区。在冶金开采过程中水砂机膏体充填的基础为矿房中完整的通道和空间，同时冶金开采对岩土的控制要求不同于煤炭资源开采，开采要求相对较低。煤炭资源大部分存在于沉积岩中，目前利用长臂垮落的煤炭开采方式往往不能保证充填时所需空间及巷道的完整性，并且采用该方法可出现较为突出的下踩空区覆岩垮落问题。因此，克服充填工作所需的通道、空间以及动力三大技术难题为煤矿充填开采工作的基础和重要条件[2]。为了提供采空区矸石充填所需的空间应首先保证采空区顶板的微下沉或不垮落。连续完整的输送通道为固体充填材料运输的基础和重要保障，同时为了确保采空区的密室充填应重点关注填充材料的动力来源。为了快速高效地对采空区固体材料进行连续运输，应形成较为稳定、安全的连续输送通道。

1.2 填充采煤技术目标

现代化矿区充填采煤技术随着经济的发展及科技的进步逐渐发展成在满足高效、安全采煤的同时实现快速、安全填充的双重目标。因此，通过不断的探索和研究，开发与现代化综合机械化采煤技术相匹配的充填一体化技术。现代化充填采煤技术在此目标基础下应具有以下几方面要求：煤炭资源的高效、安全开采；针对不同的保护对象应严格控制地表与岩层的移动；有较为明显的综合效益。

2 综合机械化固体填充采煤一体化技术

2.1 系统布置

综合机械化固体充填采煤一体化技术其主要充填材料为建筑垃圾、粉煤灰以及地面矸石等固体废弃物，利用固体废弃物直接投放系统或连续输送系统可将其直接投入井下，然后经过输送机的传递输送作用可到达采煤工作面。对煤炭采空区的压实作用可利用煤炭充填一体化液压支架以及刮板式充填输送机等设备实现，该技术不仅克服了固体材料密室性充填问题[3]，而且有效解决了充填运输所需的连续通道和空间问题。综合机械化固体充填采煤工作面大致与传统的综采工作面相同，并且固体充填物料输送带往往布置在采煤工作面的后部，在此条件下可实现在同一工作面系统中采煤与充填的并行作业。

2.2 液压支架

在系统分析采场矿压显示规律的基础上煤炭企业经过多年的努力和探索建立了采场矿压力学模型，然后通过详细分析传统采煤被动受压的破坏机理揭示了充填采煤支架主动支撑顶板的作用力传递过程和受压变化规律，设计发明了充填采煤一体化液压支架并可对固体废弃物密室充填以及掩护综合机械化采煤并行作业，该液压支架可有效确保各项充填采空区工艺的实施和煤炭的安全、高效生产。后顶梁和前顶梁为该一体化液压支架的主要组成部分，并且前梁支护能力低于后梁。前顶梁和后顶梁的功能作用分别用于采煤和掩护充填作业，液压支架的后部支撑能力因顶梁下部设置的2根独立柱而显著提高，并且在其掩护的空间范围内可直接引入固体废弃物。夯实机构与支架后部连为一体并可显著增强充填物的夯实力2 MPa以上[4]，且为保证采空区的充填率，该夯实结构可根据地表沉陷和岩层移动控制目标要求进行精准的自主调控。

3 实例应用

以山西某大型河堤下充填采煤为例对该技术的应用效果及未来发展趋势进行分析。

3.1 填充采煤一体化技术的应用

山西某煤矿地表为大型河堤和村庄，其“三下”压煤量占该区域可采储总量的60%以上，矸石充填区位于煤矿五采区煤层厚度为3.0 m，平均采深约560 m。村庄建筑面积约12.5万m2，占地面积约45.0万m2。为满足该区域建筑物保护等级标准，其充填密实度应为0.82，结合河堤保护相关要求和实际情况离河堤约近的工作面其充填密实度应越高，其最大值同样为0.82。煤炭采煤完成后地表最大沉降量实测值为350 mm，如不加以采取充填措施其预计最大沉降量可达2 610 mm。固体充填一体化采煤技术主要是以充填液压支架为载体实现对采空区的充填，其充填固体废弃物主要有矸石、建筑垃圾、废石、粉煤灰等，并且在该过程中还需要应用到充填投料系统以及输送机等相关设备，其具体方法是利用输送设备完成固体充填材料至采空区的输送并通过液压支架施加相应的作用力最终达到压实、充填的目的。

因此该煤矿引入充填一体化技术设备并且地表沉降量在实施充填后其减沉率高达85%以上。实践表明，该充填采煤一体化技术主要是将矸石等固体废弃物通过机械化的方式充填至采空区并控制地表沉降以及上覆岩层的下沉。通过实践和总结分析,在填充过程中应主要控制以下方面：固体废弃物的夯实及自动化充填，选择合理的充填材料，重点控制薄煤层及大采高充填技术等。

3.2 应用效果分析

在充填过程中对周围岩层情况的及时准确掌控是确保充填效果的重要基础,通过对岩层的适当调整可进一步提高其充填效果。在充填采煤操作过程中工作面液压支架的压力相对较少，因此其周期规律性较弱,并且工作面可承受的最大压力通常与充填密室信息相关。实践表明，该项技术的引用不仅可显著提高煤炭开采的效率，而且可实现复杂地质条件的煤炭开采和充填，确保上覆建筑结构的安全。

4 结语

以充填采煤岩层控制理论为基础并经过多年的探索、总结发展而成的综合机械化固体充填采煤一体化技术，已被成功应用于多个煤矿开采。相比传统的采煤技术，该项技术不仅可显著提升煤矿行业的发展空间，而且经过不断的完善和发展逐渐表现出更明显的优势，不仅可适用于多种地质类型，而且在改善环境污染、提升综合效益方面发挥着重要作用。