充填协同垮落式综采技术及覆岩移动规律研究

杨炳瑞

（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司，山西 晋城048003）

0 引 言

随着环保理念日益深入人心，绿色开采的概念也被提出，并被应用于煤炭开采行业，传统的综采工作面常用垮落法或矸石充填法来处理采空区，矸石充填可不仅可将废弃的矸石进行回填处理，同时可改善采空区覆岩应力[1-3]。然而，矸石充填开采存在充填效率低、影响采煤机的进尺效率等缺点，基于以上原因，学者们开始提出充填协同垮落式综采技术，以期达到充填和采煤协同作业，并提高作业效率，改善工作面上覆岩层受力状态的目的[4-5]。

1 协同综采技术原理与特征

1.1 协同综采技术原理

充填协同跨落式综采技术的本质是将传统跨落式的开采方法与矸石充填技术进行集成与优化，协同综采技术可使煤炭开采、矸石充填与环境优化等协同进行，达到高效充填采空区和处理矸石的目的，其基本技术原理如图1 所示。

协同开采工作面分为充填段和垮落段，充填段和垮落段的采煤设备是同一套，不同的是充填段需布置充填液压支架和输送机等充填机械设备，而垮落段只需布置液压支架等综采设备。井上地面堆积的矸石经破碎处理后，可通过投料井运输至井下充填段，进行采空区充填。协同开采工作面可延长垮落段长度、提高工作面产量，实现采煤与充填的协同作业。

图1 协同综采技术原理

1.2 协同综采技术特征

基于对协同综采工作面技术原理的分析，将协同综采工作面的技术特征总结如下：

1）充填段与垮落段的有机组合。协同综采工作面将采空区分为充填段和垮落段，充填段进行矸石充填，垮落段仍采用传统的垮落法管理采空区，可实现采煤与矸石充填平行作业，充填能力与采煤能力需相匹配，以达到最优的协同开采效果，因此，协同开采工作面的实质是充填段与垮落段的有机组合与动态调整。

2）充填效率高。传统的充填工作面，充填段的长度即为采煤工作面长度，由于充填效率较低，导致采煤工作面需“等待”后续充填的跟进，从而使整个工作面效率降低，协同开采工作面可有效解决以上问题，即可保证充填能力与充填效率，又不影响采煤效率，满足了高产高效矿井的基本要求。

3）经济效益佳。协同开采工作面长度较长，可减少工作面搬家次数和工作面的布置数目，且矸石充填相比注浆充填具有工艺简单、成本低廉等优势，同时，减小了地面矸石的处理和堆积费用，具有较好的经济效益。

2 协同综采技术关键

2.1 协同综采生产系统

协同综采工作面生产系统包含4 个子系统，即：垂直投料系统、矸石不升井系统、矸石破碎输送系统及协同综采面作业系统，各系统之间相互配合，有序衔接，实现工作面的协同开采，协同综采系统示意图如2 所示。

图2 协同综采系统示意图

1）垂直投料系统。首先，需要说明的是只有当井下排矸量小于协同综采面的矸石充填量或需要对地面矸石进行处理时才会用到垂直投料系统。垂直投料系统的主要目的是按需求将地面矸石运输至井下，地面矸石经破碎和筛选后，由皮带机运输至地面投料口进入井下矸石仓，之后，通过矸石下部的给料机和皮带运输机运输至指定的充填地点。

2）矸石不升井系统。将井下矸石运输到地面是一项极为耗时耗力的工作，同时又可造成地表空间的浪费和环境的污染，矸石不升井系统可有效解决这些问题。矸石不升井系统是在井下进行矸石的破碎、分选等工作，将洗选后的矸石直接运输至需要充填的工作面，矸石不升井系统一方面可环节矿井运输量大的问题，另一方面可避免矸石造成的环境污染。

3）矸石破碎运输系统。协同综采工作面对充填的矸石粒径有一定的要求，井下矸石破碎运输系统主要有两大任务，任务之一是将收集到的矸石破碎为符合充填粒径的矸石颗粒；任务之二是将矸石定时、定量的运送至充填地点。

4）协同综采作业系统。协同综采作业系统是指系统综采工作面的布置和作业方式，协同综采工作面由垮落段和充填段两部分组成，2 段共用1 套采煤设备，随着采煤机的推进，后方一边进行充填作业、一边进行垮落作业。

2.2 协同综采关键设备

协同综采工作面是依靠机械设备来完成一系列的工序，因此，机械设备的选型和配套方案是否合理，直接决定了协同综采工作面的作业效率。协同综采工作面的机械设备由两大部分组成，分别是采煤设备和充填设备，采煤设备与传统综采工作面所用的设备一致，主要包括采煤机、刮板输送机、液压支架等，但需要特别注意采煤设备与充填设备的匹配能力。充填设备包括充填液压支架、过度液压支架、转载机和底卸式输送机等。协同综采工作面的机械设备需根据实际充填情况进行设计和选型，关键设备的布置图如图3所示。

协同综采技术属于较为新颖的前沿技术，目前还没有较为成熟的设备选型与配套方案可以借鉴，但可依据工作面设备选型的基本原则进行选型设计，同时，需考虑采煤设备与充填设备之间的协同能力。

2.3 协同综采工艺

协同综采是一种绿色的充填开采方法，可同时实现矸石投放、矸石步升井充填等工艺，协同综采的生产工艺流程如图4 所示。

由图4 可知，协同综采工艺流程包括3 大部分，其中协同综采面开采工艺是协同综采工艺的核心。协同综采面开采工艺由采煤工艺和充填工艺组成，综采面为实现采煤与充填协同作业，需要安装3 种类型的液压支架，分别是充填采煤液压支架、过渡液压支架和传统综采液压支架，在移架时，应保证3 种液压支架具有统一的步距。

3 协同综采面覆岩移动特征

协同综采面由于其独特的布置方式，必然导致其覆岩移动规律也有所不同。传统的垮落法开采，采空区上覆岩层随工作面推进而发生周期性的破裂，覆岩在垂直方向上形成“三带”结构；而充填开采的上覆岩层荷载则主要有充填体承担，改善了上覆岩层的应力状态，减小了其弯曲下沉量，但当充填区域的密实度较低时，充填开采的上覆岩层也可形成“三带”结构，只是上覆岩层的破裂和下沉低于垮落法开采，当充填区域的密实度较高时，则只有局部裂隙带和弯曲下沉带，形成“两带”的结构。垮落法开采、充填开采与协同开采的上覆岩层移动对比见图5。

协同开采的上覆岩层在充填区与垮落区之间存在一个“过渡区域”，其覆岩的移动规律受充填区和垮落区覆岩移动特性的影响，但并不是两者之间的简单叠加，而是相互影响，相互作用，过渡区域覆岩的移动规律、范围受到地质条件、协同综采面技术参数、充填物料种类和密实度、充填技术水平等多种因素的影响。

图5 协同综采面覆岩移动特征图

4 结 论

1）概述了协同综采技术原理，总结了协同综采的技术特征，包括：充填段与垮落段的有机组合、充填效率高和经济效益佳。

2）从协同综采生产系统、协同综采关键设备和系统综采工艺等方面，阐述了协同综采的关键技术，对比传统的垮落法开采、充填开采的工作面覆岩移动规律，指出协同综采面覆岩存在一个“过渡区域”。