陳榮邦，谷志民，徐 濤

(1.河南理工大學(xué)高等職業(yè)學(xué)院，河南 焦作454000；2.河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003 )

焦作凱馬煤冶化有限責(zé)任公司小馬村礦為一改擴(kuò)建礦井，擬開采-5煤層?xùn)|區(qū)。小馬村礦西距焦作市8km，1954年建井，1956年移交生產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.3Mt/a，由于多年開采，二1煤層資源枯竭。2006年5月，開始進(jìn)行—5煤層?xùn)|區(qū)開采技術(shù)改造，—5煤層?xùn)|區(qū)為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，傾角4°～14°，面積約3.92km2，可采儲(chǔ)量206.4萬(wàn)t?！?煤層位于太原組中部，上距二1煤層底部71.54～94.67m，煤厚平均2.13 m，屬較穩(wěn)定煤層。采用長(zhǎng)壁式綜采，為保護(hù)地面建筑物不受損壞，采用固體充填采煤法，已進(jìn)入生產(chǎn)期，布置在5101工作面[1]。

1 固體充填采煤法概況

固體充填采煤法屬于綠色開采，是采礦發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用無(wú)尾礦充填采礦法，可以提高礦物回采率，減少對(duì)地面土地的貧化率，充分利用資源，有效控制地壓，房屋和地表塌陷和在“三下”開采等優(yōu)點(diǎn)，固體充填采煤法也在充填采礦法不斷改造與發(fā)展的過(guò)程中得到創(chuàng)新與發(fā)展。采用充填法可以有效控制頂板的垮落，保護(hù)地面建筑物[2]。

固體充填采煤法起源于金屬礦山，至今已有100多年的歷史。在第一階段，20世紀(jì)40年代以前，以廢石干式充填為代表，充填的目的是處理廢棄物；第二階段，20世紀(jì)40～50年代，以水砂充填為代表；第三階段，20世紀(jì)60～70年代，以低濃度尾砂膠結(jié)充填為代表；四階段，20世紀(jì)80～90年代，以高濃度、膏體充填為代表；第五階段，進(jìn)入21世紀(jì)，為了解放“三下一上”壓煤，保護(hù)地面建筑，發(fā)展了適合煤礦開采采空區(qū)固體充填法[4]。圖1為固體充填采煤法基本原理圖。

圖1 固體充填采煤法基本原理圖

2 5101工作面主要使用設(shè)備及充填設(shè)備應(yīng)用

2.1 充填支架設(shè)備

充填工作面采用ZC5600/16/32四柱支撐式固體充填支架，充填支架的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

①采用四柱式結(jié)構(gòu)，操作方便，立柱受力均勻，支護(hù)效率高；②前頂梁、后頂梁、上連桿采用三鉸結(jié)構(gòu)，上連桿布置兩根平衡千斤頂，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好；③后頂梁端部承載能力強(qiáng)；④頂梁長(zhǎng)度短，支護(hù)強(qiáng)度高；⑤采用兩個(gè)壓實(shí)機(jī)構(gòu)，壓實(shí)范圍增大，提高了充實(shí)率，縮短充填時(shí)間，提高效率；⑥上壓實(shí)采用雙伸縮機(jī)構(gòu)，為充填落料提供足夠空間，壓實(shí)范圍增大。

2.2 充填運(yùn)輸設(shè)備

充填工作面采用SGB630/150C邊雙鏈充填運(yùn)輸機(jī)，運(yùn)輸機(jī)掛接在液壓支架后部，漏料孔在運(yùn)輸機(jī)工作過(guò)程中可通過(guò)兩個(gè)液壓缸的伸縮打開和關(guān)閉，采空區(qū)充填結(jié)束后，可隨液壓支架整體前移一個(gè)采煤機(jī)截深。

2.3 充填設(shè)備應(yīng)用

依據(jù)固體充填采煤法開采工藝，決定采用走向長(zhǎng)壁、雙滾筒采煤機(jī)落煤、固體充填、后退式沿空留巷采煤法，采煤與充填平行開采。工作面采用MG80/240-BW型雙滾筒采煤機(jī)落煤、裝煤，刮板、皮帶輸送機(jī)運(yùn)煤，整體移槽，運(yùn)輸機(jī)采用SGZ764/400，充填運(yùn)輸機(jī)采用SGB630/150C，充填液壓支架為ZC5600/16/32[3]。

回采工藝流程：采煤機(jī)從工作面槽尾切口處進(jìn)刀→開始上行割煤、裝煤→移槽→采煤機(jī)割煤至工作面槽頭切口處→采煤機(jī)反刀→推移工作面槽頭→采煤機(jī)返回割三角煤→采煤機(jī)反刀→開始下行割煤、裝煤→移槽→采煤機(jī)割煤至槽尾切口處→采煤機(jī)反刀→推移槽尾→采煤機(jī)返回割三角煤→采煤機(jī)反刀→開始上行割煤。即采煤機(jī)往返-次進(jìn)兩刀。

回采工作面采用采煤與充填平行作業(yè)，及采煤機(jī)在割煤時(shí)，充填輸送機(jī)同時(shí)工作，充填采空區(qū)，當(dāng)采煤機(jī)滾筒割煤時(shí)，由于充填輸送機(jī)掛接在液壓支架后部，隨液壓支架移動(dòng)，通過(guò)漏料孔的打開與閉合，將地面送至采空區(qū)的碎矸石均勻落入采空區(qū)，通過(guò)液壓支架壓實(shí)機(jī)構(gòu)把碎矸石壓實(shí)，保證固體充填效果。圖2為固體充填三維仿真系統(tǒng)圖。

3 設(shè)備應(yīng)用效果分析

1)采用固體充填采煤設(shè)備處理采空區(qū)能夠提高煤炭采出率，采區(qū)回采率由我國(guó)目前條帶開采法的30%～60%左右提高到90%以上。延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，解放不具備用普通采煤方法開采的煤炭，采用固體充填法使54采區(qū)工作面由非可采變?yōu)榭刹?，其服?wù)年限為9個(gè)月，其中工作面搬家1個(gè)月，回采煤量為9萬(wàn)t，以500元每噸煤計(jì)算，扣除噸煤生產(chǎn)成本300元，包括工人工資、材料消耗后利潤(rùn)2600萬(wàn)元[5]。

2)采煤后可實(shí)現(xiàn)土地不塌陷、村莊不搬遷，減少了對(duì)礦區(qū)環(huán)境的破壞，保護(hù)了寶貴的土地資源和地下水資源，減少了礦井的排水費(fèi)用。采用固體充填法，使得原有的煤矸石、粉煤灰等工業(yè)垃圾得到充分利用，改善了礦區(qū)環(huán)境，對(duì)于實(shí)現(xiàn)綠色開采提供了一個(gè)良好范例，使得礦區(qū)環(huán)境大為好轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)綠色礦山提供了一個(gè)方式。

圖2 固體充填三維仿真系統(tǒng)圖

3)采用固體充填采煤法可以使衰老礦井延長(zhǎng)服務(wù)年限，相比于膏體充填采煤法工藝較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)簡(jiǎn)化，不會(huì)發(fā)生膏體下井時(shí)的堵管現(xiàn)象，且采煤與充填平行，產(chǎn)量不會(huì)受到較大影響，具有較大的技術(shù)推廣價(jià)值。

4 應(yīng)用后的幾點(diǎn)建議

1)加強(qiáng)對(duì)工藝的研究以及井下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)采集和詳細(xì)分析，并對(duì)地表變形沉陷規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)。

2)加強(qiáng)工作面支護(hù)， 保證充填質(zhì)量，作到充填前頂板下沉量和欠接頂量控制在330～450mm以內(nèi)，能夠保證開采安全。

3)制定并落實(shí)各項(xiàng)安全技術(shù)措施與預(yù)案。

[1] 李永元，周華強(qiáng). 矸石膏體充填采煤面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].能源技術(shù)管理，2009(3)：64-66.

[2] 劉春明. 矸石井下處置綠色開采技術(shù)[J]. 煤礦開采，2008，13(6)：31-33.

[3] 張廣海. 高檔普采矸石充填工作面設(shè)備及工藝研究[J]. 煤炭技術(shù)，2008，27(12)：58-60.

[4] 謝忠強(qiáng). 淺析煤炭綠色開采技術(shù)[J].中州煤炭，2009(5)：45-46.

[5] 閻少紅. 我國(guó)目前煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 煤炭技術(shù)，2008，27(6)：1-3.