徐俊明，譚輔清，巨 峰，安百富

（1．中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2．西山煤電 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原030053；3．煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221008）

綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)，是隨著近些年 “三下”采煤而發(fā)展起來的［1－3］，即利用充填綜采設(shè)備把固體廢棄物 （矸石、粉煤灰、黃土、風(fēng)積沙及建筑垃圾等）密實充入采煤工作面采空區(qū)的一種技術(shù)［4］。其工作面關(guān)鍵設(shè)備，包括充填綜采液壓支架和固體充填物料輸送機(jī)。在這二者中，充填綜采液壓支架起著頂板管理、隔離圍巖維護(hù)作業(yè)空間的作用，其適應(yīng)性與可靠性是決定充填開采工作面能否安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一［5］。實踐表明，采煤技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，是與采煤機(jī)械化裝備密切聯(lián)系在一起的，每一次液壓支架的重大改革與進(jìn)步，都會帶來機(jī)械化采煤技術(shù)的重大進(jìn)步［6－7］。六柱支撐式固體充填采煤液壓支架的發(fā)展，也是固體充填采煤技術(shù)進(jìn)步的顯著標(biāo)志。

1 固體充填采煤支架結(jié)構(gòu)原理

1.1 支架功能與結(jié)構(gòu)組成

充填采煤液壓支架是綜合機(jī)械化充填采煤工作面主要裝備之一，與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、充填開采輸送機(jī)、夯實機(jī)配套使用，起著管理頂板、隔離圍巖維護(hù)作業(yè)空間的作用；與刮板輸送機(jī)配套能自行前移，推進(jìn)采煤工作面連續(xù)作業(yè)。同時，又具有對充入采空區(qū)的固體充填物料的壓實作用，使充填物料在推壓接頂?shù)幕A(chǔ)上達(dá)到一定的密實度。

六柱支撐式固體充填采煤液壓支架前端，掩護(hù)綜合機(jī)械化采煤作業(yè)，后部掩護(hù)充填作業(yè)。充填開采輸送機(jī)懸掛于支架后頂梁下，用于運輸充填料。壓實機(jī)安裝在支架底座上，對充填開采輸送機(jī)卸下的充填料進(jìn)行夯實。主要由前、后頂梁、立柱、四連桿機(jī)構(gòu)、支架底座、壓實機(jī)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 六柱式固體充填采煤液壓支架

1.2 支架結(jié)構(gòu)特點

充填開采工作面，支架、煤壁與矸石充填體（及破碎的直接頂）共同承載上覆巖層載荷，所需的支護(hù)強(qiáng)度減?。?］。然而，充填綜采要求工作面揭露頂板至充填，頂板下沉量最小，以預(yù)留最大的空間對采空區(qū)進(jìn)行充填。根據(jù)使用礦井實測，充填工作面采用與常規(guī)支架相同的支護(hù)阻力，監(jiān)測頂板初始最大下沉量達(dá)340mm，由于其不可恢復(fù)性，造成充填空間減小，大大影響了充填效果。

據(jù)此，六柱支撐式固體充填采煤液壓支架，在吸取了以往固體充填支架優(yōu)點的同時［9］，并根據(jù)實際運用效果對其進(jìn)行了改進(jìn)，其主要特點敘述如下：

①增設(shè)后立柱，提高后頂梁支護(hù)阻力。考慮到上述在實踐中遇到的問題，小的支護(hù)阻力無法很好地控制頂板初始下沉量，造成充填空間的減小，不利于達(dá)到理想的充填效果。六柱支撐式充填支架增設(shè)了后頂梁立柱，提高了后頂梁的支護(hù)強(qiáng)度，保證了充填空間的最大化。②增加下部壓實機(jī)構(gòu)，并提高壓實力。研究表明，提高充填體自身的密實度及充填率、接頂率等，可以極大地控制上覆巖層的下沉變形。六柱式支架增設(shè)下部壓實機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了對充入采空區(qū)的充填體的全斷面壓實，使之能充分接頂，并且在較高壓實力作用下，提高充填體的密實度，增大其自身抗壓性能。③整體提高支架的支護(hù)阻力。一方面實施充填工藝加大了支架的空范圍；另一方面為保證支架整體受力均衡，支架前后立柱支護(hù)阻力應(yīng)在一相當(dāng)?shù)姆秶?；再者，支架阻力加大，有利于限制上覆巖層整體下沉量，增大充填空間。

1.3 壓實機(jī)構(gòu)原理及特點

固體充填采煤技術(shù)直接采用固體物料充填采空區(qū)，由于固體物料自身成松散狀，通過充填輸送機(jī)卸落成自由堆放狀態(tài)，具有較大的壓縮量，且無法充分接頂，不能對頂板起到很好的支撐作用。因此，需研制與固體充填采煤技術(shù)相適應(yīng)的設(shè)備來保證充填效果。

壓實機(jī)構(gòu)在固體物料充填入采空區(qū)后，對物料進(jìn)行壓實，使其達(dá)到一定的密實度，具有較小的壓縮量，控制頂板下沉量，從而將地面變形控制在要求范圍內(nèi)。為實現(xiàn)全斷面壓實，壓實機(jī)設(shè)計分為上、下兩部壓實機(jī)。上部壓實機(jī)對上部充填物料進(jìn)行壓實，下部壓實機(jī)對下部充填物料進(jìn)行壓實，同時阻止充填物料進(jìn)入支架工作空間。壓實機(jī)構(gòu)如圖1所示。

上部壓實機(jī)由兩個水平壓實油缸、一個調(diào)高油缸、一塊壓實板、兩個立柱組成。下部壓實機(jī)由水平油缸、內(nèi)箱體及外箱體三部分組成。

2 固體充填采煤支架與圍巖相互作用及力學(xué)分析

2.1 支架與圍巖作用關(guān)系

固體充填綜采在充填支架的掩護(hù)下，前端割煤、運煤，后端進(jìn)行采空區(qū)充填，使得整個工作面一直以開切眼的形式往前推進(jìn)。實測表明，充填開采后，老頂基本處于彎曲下沉狀態(tài)，周期破斷步距增大，后部充填體在上覆巖層載荷作用下，逐漸被壓實，支撐頂板及上覆巖層的下沉移動，如圖2所示。

圖2 支架與圍巖作用模型

在此種開采方式下，整個采面上覆巖層中形成的結(jié)構(gòu)，是 “煤壁－支架－充填體”支撐體系，充填體占據(jù)了上覆巖層下沉空間，有效控制了老頂?shù)钠茢嗉盎剞D(zhuǎn)，極大地減弱了老頂破斷回轉(zhuǎn)對支架造成的沖擊載荷。與傳統(tǒng)垮落法開采不同，充填支架除需要平衡上覆巖層壓力外，還要最大可能地控制直接頂?shù)南鲁磷冃?，以保證充填空間的最大化，有利于向采空區(qū)盡可能多的充入充填物料，達(dá)到控制上覆巖層的下沉變形。

2.2 支架與直接頂力學(xué)模型分析

充填開采形成了煤壁－支架－充填體，共同支撐上覆巖層載荷。支架的作用是支撐直接頂不發(fā)生離層，給頂板一個主動支撐作用。充填體在直接頂下沉過程中逐漸被壓實，其對頂板的支撐力是一個逐漸增加的過程。根據(jù)支撐式液壓支架的支撐力特點［10］，及六柱式支架結(jié)構(gòu)特征，建立如圖3所示直接頂受力力學(xué)模型。

圖3 支架及充填體與直接頂作用力學(xué)模型

圖3中a、b分別為支架中間立柱到前、后頂梁端的距離；q為支架作用直接頂最大集度；q0’為支架后方直接頂作用給充填體的載荷；q’為充填體作用直接頂最大集度。

支架后方直接頂上覆載荷等效作用，在C點一個集中力F和彎矩M0，以C點分別建立各分力的彎矩方程，并根據(jù)邊界條件，即按最理想充填效果，C點繞度yc為零，利用莫爾積分計算其繞度：

計算支架對直接頂分布載荷最大集度：

在支架與直接頂相互作用的體系中，支架與直接頂相互是作用力與反作用力的關(guān)系。建立的支架頂梁力學(xué)模型，如圖4所示。

圖4 六柱式支架頂梁力學(xué)模型

圖4中A、B、D分別為立柱對頂梁的約束，立柱支撐力的垂直分力，即為以上三處的支座反力FA、FB、FD；l1、l2、l3、l4、l5為頂梁與立柱以及各立柱之間的間距。該模型為多跨靜定梁，從C點起計算：

再以B點分析計算：

根據(jù)上式，可以分別計算支架各立柱的垂直分力以及支架整體支護(hù)阻力。

3 固體充填采煤支架移架過程及特征分析

3.1 支架在回采中的移動形態(tài)

工作面支架對頂板的支護(hù)，分為升架護(hù)頂、降架、移架過程。六柱支撐式充填液壓支架由六根立柱支撐，升架過程如圖5所示，分為前頂梁端部與頂板接觸 （位態(tài)Ⅰ）、前頂梁與頂板接觸 （位態(tài)Ⅱ）、后頂梁與頂板接觸的過程 （位態(tài)Ⅲ）。升架過程中，前立柱和后立柱分別由兩組液壓閥控制，前頂梁的梁端先與頂板接觸，隨著繼續(xù)送液，前頂梁逐漸與頂板接觸，直至達(dá)到其初撐力；后立柱是隨著前立柱的升起而升起，必須與前立柱配合送液，最后達(dá)到整架初撐力。

圖5 升架過程示意圖

在降立柱移架的過程中，由于與常規(guī)的雙立柱或四立柱相比，支架控頂范圍大，不僅增加了立柱的數(shù)量，而且在結(jié)構(gòu)方面增設(shè)了后頂梁，因此，移架操作方式具有多樣性。研究表明，不卸載或部分卸載移架時有利于控制頂板，六柱式支架移架時盡量采用此方法。①前頂梁帶壓移架。在移架的過程中，后頂梁立柱完全卸載，前頂梁降低其工作阻力，擦頂前移。②后頂梁帶壓移架。支架前移時，前頂梁四立柱卸載降架，后頂梁立柱降低工作阻力，保持與頂板接觸，帶壓前移。③完全卸壓移架。支架立柱完全卸載，在遷移千斤頂?shù)睦ψ饔孟?，前后頂梁不接觸頂板整體前移。

3.2 支架移動中結(jié)構(gòu)受力特征

不同圍巖條件，選擇合理的移架方式，一方面保證了作業(yè)空間安全，再者減小了移架阻力，加快了移架速度。上述三種移架方式，第一種方式，由于承受頂板載荷大，使得支架與巖層間摩擦力增大，且在頂板不平時，可能發(fā)生支架插頂現(xiàn)象，造成移架緩慢。支架受力分析如圖6所示：F＝（G＋2qL1）λ，其中：F千斤頂拉力；q為頂板載荷；P為支架支撐力；f1、f2為摩擦力；λ為摩擦系數(shù)；G為支架重量；L1支架頂梁長度。

圖6 前頂梁帶壓移架受力

第二種方式，前頂梁完全卸載后，頂板巖層載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，老頂回轉(zhuǎn)角加大，加劇了充填體和支架后頂梁的受力。在移架過程中，支架將會形成繞中立柱A點轉(zhuǎn)動的扭矩，從而造成前立柱受拉拔力，因而在實踐中盡量減少此種移架方式。其受力分析如圖7所示：N＝q L1λ（m＋L2tanα）／L3，其中：m為采高；α為支架前頂梁與頂板夾角；L2、L3支架立柱間距；N前立柱所受拉拔力；其余與上相同。

第三種移架方式，是在頂板條件很穩(wěn)定的情況下采用，其前后頂梁完全卸載，基本不承受上覆頂板巖層載荷，移架速度快。

4 結(jié)論

（1）六柱式充填支架設(shè)置的壓實機(jī)構(gòu)，可以對充填物料施加側(cè)向壓實力，保證了充填體的密實度和接頂效果；加設(shè)的后頂梁立柱，有效地控制了直接頂?shù)某跏枷鲁亮浚M可能大地增加了充填空間；支架整體工作阻力的增大，減緩了上覆巖層的下沉，有利于控制地表沉陷變形。

圖7 后頂梁帶壓移架受力

（2）固體充填采煤形成了 “煤壁－支架－充填體”共同支護(hù)上覆巖層的支撐體系，并根據(jù)支撐式液壓支架支撐力特征，初步建立了支架與圍巖相互作用力學(xué)模型，簡要分析了達(dá)到理想充填效果時支架最大集度載荷和各立柱受力情況。

（3）六柱式充填支架升架采用從前至后的順序升立柱至頂梁接頂，移架方式分為前頂梁帶壓移架、后頂梁帶壓移架和完全卸載移架三種方式。其中，后頂梁帶壓移架方式會使前立柱產(chǎn)生拉拔力，可能造成立柱的損壞；完全卸載移架方式不利于頂板管理，只適合在頂板條件較好的情況下采用。

［1］ 張吉雄，繆協(xié)興，郭廣禮．矸石 （固體廢物）直接充填采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2009，26（4）：395－401．

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［8］ 王家臣，楊勝利．固體充填開采支架與圍巖關(guān)系研究 ［J］．煤炭學(xué)報，2010，35 （11）：1821－1826．

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［10］ 錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制 ［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．