張學(xué)東， 王傳齊， 許偉

（卡特彼勒（鄭州）有限公司，鄭州450103）

0 引言

由于“三下”壓煤等原因，我國(guó)的煤炭資源采出率較低，東部礦區(qū)“三下”壓煤量已普遍超出可采儲(chǔ)量的50%，尤其是存在著大量的稀缺煤種資源無法采出。每年因開采煤炭而排放礦井水超過80億t，新增破壞耕地約7萬ha，排出煤矸石超過9億t；現(xiàn)有矸石山1600余座，堆積量超過55億t，占地超過15000ha；矸石山嚴(yán)重污染空氣和地下水，還有爆炸危險(xiǎn)。

傳統(tǒng)的條帶開采方式均不能進(jìn)行“三下”壓煤的開采，迫切需要采用新的技術(shù)手段進(jìn)行煤礦資源的開采與利用。充填采礦方法是我國(guó)21世紀(jì)綠色開采的一個(gè)重要方向，給煤礦工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展提供了契機(jī)。

1 固體充填工作面的工作原理

綜合機(jī)械化固體廢物充填采煤技術(shù)是將地面的矸石、粉煤灰、建筑垃圾、黃土、風(fēng)積沙等固體廢棄物通過垂直連續(xù)輸送系統(tǒng)運(yùn)輸至井下，再由膠帶輸送機(jī)等相關(guān)運(yùn)輸設(shè)備將其運(yùn)輸至充填工作面，借助充填采煤液壓支架、固體充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)及固體充填物料刮板式充填輸送機(jī)等充填采煤關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填。井下掘進(jìn)矸石通過破碎等程序后，可以直接運(yùn)輸至工作面進(jìn)行充填（固體充填采煤系統(tǒng)布置如圖1所示）。

1）煤炭運(yùn)輸路線：充填采煤工作面→運(yùn)輸平巷→運(yùn)輸上山→運(yùn)輸大巷→運(yùn)輸石門→井底煤倉(cāng)→主井→地面。

圖1 固體充填采煤系統(tǒng)布置示意圖

2）充填料運(yùn)輸路線：地面→固體物料垂直輸送系統(tǒng)→井底車場(chǎng)→輔助運(yùn)輸石門→輔助運(yùn)輸大巷→軌道上山→回風(fēng)平巷→充填采煤工作面。

固體充填工作面設(shè)備布置如圖2、圖3所示。

2 壓實(shí)機(jī)構(gòu)的作用及工作原理

在固體充填工作面中，采空區(qū)的充料量和充填料的密實(shí)程度直接影響著充填工作對(duì)采空區(qū)頂板的支護(hù)。充填越密實(shí)、充料量越大則對(duì)頂板的支護(hù)就越好，越能有效控制頂板下沉，減小采煤對(duì)地下水體、地表設(shè)施和耕地的破壞。

圖2 固體充填工作面設(shè)備布置示意圖

圖3 采空區(qū)固體充填示意圖

壓實(shí)機(jī)構(gòu)對(duì)充料量和充填料的壓實(shí)起著決定作用。一方面可以將靠自重落下的充填體壓實(shí)，使充填物料達(dá)到一定的致密度，具有一定的抗壓能力，能夠承受頂板下沉的壓應(yīng)力。另一方面移架后可以將充填料推向原支架頂梁和落料刮板機(jī)所在的空間，在推壓接頂?shù)幕A(chǔ)上加大充料量、提高充填體的接頂效果，控制頂板下沉量，不致頂板下沉斷裂，從而將地面建筑物的破壞程度控制在允許的范圍內(nèi)。

3 壓實(shí)機(jī)構(gòu)的演變

3.1 單級(jí)單頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)（如圖4）

圖4 單極單頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)渭?jí)伸縮壓實(shí)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，工作效率高，壓實(shí)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)千斤頂布置在下方，有效保護(hù)了千斤頂及其液壓系統(tǒng)；下部配合可伸縮式擋板，將壓實(shí)機(jī)構(gòu)下端空間封閉，有利于保護(hù)壓實(shí)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)千斤頂，必要時(shí)可輔助支撐壓實(shí)機(jī)構(gòu)。

缺點(diǎn)：?jiǎn)渭?jí)壓實(shí)，伸縮比小，后頂梁的長(zhǎng)度太長(zhǎng)，對(duì)后端采空區(qū)頂板的控制不利；壓實(shí)梁下部封閉、上部為可拆卸封板，雖有利于壓實(shí)千斤頂?shù)木S護(hù)，但一旦封閉箱內(nèi)堆積矸石，將會(huì)越積越多，最終影響整個(gè)壓實(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，擺動(dòng)千斤頂不易維護(hù)；下端可伸縮式擋板易被埋入充填固體內(nèi)，損壞伸縮箱體和千斤頂，且不易維護(hù)。

3.2 單級(jí)雙頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)（如圖5）

圖5 單級(jí)雙頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)渭?jí)雙頭壓實(shí)機(jī)構(gòu)，壓實(shí)范圍大，有利于采空區(qū)充填物的壓實(shí)，增加充料量、提高充填物的密實(shí)度，對(duì)控制采空區(qū)頂板比單級(jí)單頭要好。

缺點(diǎn)：仍然存在單級(jí)單頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)；另外雙頭壓實(shí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且要求配合工作，速度慢，效率低，易塞矸；下壓實(shí)機(jī)構(gòu)的維護(hù)非常不方便。

3.3 雙級(jí)單頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)（兩種）

3.3.1 伸縮式（圖6所示）

圖6 伸縮式雙級(jí)單頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：二級(jí)壓實(shí)機(jī)構(gòu)伸縮比大，后頂梁短，后部承載能力強(qiáng)，可有效控制頂板下沉，以維護(hù)后部填充空間，方便固體充填料的填充及壓實(shí)。

缺點(diǎn)：雙級(jí)壓實(shí)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度較慢，雖布置有防矸蓋板，但各級(jí)伸縮結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中易塞矸；擺動(dòng)千斤頂力臂短，一旦壓實(shí)機(jī)構(gòu)上堆矸嚴(yán)重，可能擺動(dòng)不上去，必須人工清矸。

圖7 手套式雙級(jí)單頭下調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)

伸縮式的倒置形式，工作原理與伸縮式相同；雖大大降低了壓實(shí)機(jī)構(gòu)塞矸的可能性，但是仍沒有完全解決上述伸縮式壓實(shí)機(jī)構(gòu)存在的主要缺點(diǎn)。

圖8 單級(jí)單頭上調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)

3.4 單級(jí)單頭上調(diào)整壓實(shí)機(jī)構(gòu)（圖8所示）

優(yōu)點(diǎn)：壓實(shí)機(jī)構(gòu)采用單級(jí)單頭結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單、實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)采煤、充填同時(shí)作業(yè)，加快推進(jìn)速度，提高工作面的效率；采用箱式框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)向，上部封閉下部開口，變堵為疏，克服了以上幾種壓實(shí)機(jī)構(gòu)易積矸的缺點(diǎn)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)能更有效地運(yùn)轉(zhuǎn)；另外擺動(dòng)千斤頂布置在壓實(shí)機(jī)構(gòu)上方，可更好地操縱壓實(shí)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，同時(shí)維護(hù)更為方便。

缺點(diǎn)：由于壓實(shí)機(jī)構(gòu)開口在下方，壓實(shí)千斤頂?shù)木S護(hù)仍然困難。

4 結(jié)語

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占比高達(dá)70%以上，是我國(guó)今后長(zhǎng)期使用的主要能源。可以預(yù)見：“十二五”期間的煤炭產(chǎn)量仍將會(huì)穩(wěn)步增加；環(huán)境保護(hù)和生態(tài)治理同樣是“十二五”期間國(guó)家的重要任務(wù)。為解決這一矛盾，成本較低、效益明顯的充填開采技術(shù)將發(fā)揮不可替代的重要作用。充填開采技術(shù)代表著未來綠色開采的趨勢(shì)，也將具有廣闊的應(yīng)用前景。

充填開采技術(shù)及裝備的開發(fā)和應(yīng)用不僅解決了“三下”壓煤開采的問題，提高煤炭資源利用率，更重要的是可實(shí)現(xiàn)綠色開采、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展。實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化固體廢棄物充填采煤技術(shù)的重大突破。從根本上改變了煤炭行業(yè)傳統(tǒng)開采模式，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保開采的要求，為我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展探索出一條新路。

由上述壓實(shí)機(jī)構(gòu)的演變過程可以看出：符合實(shí)際生產(chǎn)需要，故障率低、易維護(hù)的結(jié)構(gòu)才是設(shè)備研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新的方向；只有研發(fā)出實(shí)用、高效的設(shè)備才能更好地為煤炭開采服務(wù)，提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)減少勞動(dòng)強(qiáng)度，使煤炭開采更安全和高效。

［1］ 徐俊明，譚輔清，巨峰，等.六柱支撐式固體充填采煤液壓支架結(jié)構(gòu)及工作原理研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2011，20（4）：101-104.

［2］ 繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體充填采煤方法與技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（1）：1-6.

［3］ 繆協(xié)興，張吉雄，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(bào)，2009，26（4）：395-401.