高 朝

（陽煤集團(tuán)安監(jiān)局， 山西 陽泉 045000）

1 充填采煤技術(shù)概況

煤炭資源在消費(fèi)結(jié)構(gòu)及能源生產(chǎn)中占有重要地位，然而我國“三下”壓煤問題相對于發(fā)達(dá)國家的采煤實(shí)踐仍具有較多的問題，即在水體、鐵路以及建筑物條件下煤炭開采技術(shù)相對落后并嚴(yán)重制約了區(qū)域煤炭企業(yè)的發(fā)展，并且采煤過程中存在的環(huán)境污染問題與我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)明顯不符。隨著科技的進(jìn)步和社會的不斷發(fā)展，煤炭企業(yè)逐漸開始強(qiáng)調(diào)科學(xué)采煤和綠色開采的理念，因此綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)得到了充分的研究發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。近年來，該技術(shù)在松散含水層、大范圍水體條件、公路和鐵路交叉網(wǎng)以及密集建筑群下礦區(qū)開采的成功應(yīng)用，表現(xiàn)出了獨(dú)特的環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[1]。

1.1 主要技術(shù)難點(diǎn)

對冶金礦山充填應(yīng)用煤炭充填開采技術(shù)存在較大的問題和誤區(qū)。在冶金開采過程中水砂機(jī)膏體充填的基礎(chǔ)為礦房中完整的通道和空間，同時冶金開采對巖土的控制要求不同于煤炭資源開采，開采要求相對較低。煤炭資源大部分存在于沉積巖中，目前利用長臂垮落的煤炭開采方式往往不能保證充填時所需空間及巷道的完整性，并且采用該方法可出現(xiàn)較為突出的下踩空區(qū)覆巖垮落問題。因此，克服充填工作所需的通道、空間以及動力三大技術(shù)難題為煤礦充填開采工作的基礎(chǔ)和重要條件[2]。為了提供采空區(qū)矸石充填所需的空間應(yīng)首先保證采空區(qū)頂板的微下沉或不垮落。連續(xù)完整的輸送通道為固體充填材料運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)和重要保障，同時為了確保采空區(qū)的密室充填應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注填充材料的動力來源。為了快速高效地對采空區(qū)固體材料進(jìn)行連續(xù)運(yùn)輸，應(yīng)形成較為穩(wěn)定、安全的連續(xù)輸送通道。

1.2 填充采煤技術(shù)目標(biāo)

現(xiàn)代化礦區(qū)充填采煤技術(shù)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步逐漸發(fā)展成在滿足高效、安全采煤的同時實(shí)現(xiàn)快速、安全填充的雙重目標(biāo)。因此，通過不斷的探索和研究，開發(fā)與現(xiàn)代化綜合機(jī)械化采煤技術(shù)相匹配的充填一體化技術(shù)?，F(xiàn)代化充填采煤技術(shù)在此目標(biāo)基礎(chǔ)下應(yīng)具有以下幾方面要求：煤炭資源的高效、安全開采；針對不同的保護(hù)對象應(yīng)嚴(yán)格控制地表與巖層的移動；有較為明顯的綜合效益。

2 綜合機(jī)械化固體填充采煤一體化技術(shù)

2.1 系統(tǒng)布置

綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)其主要充填材料為建筑垃圾、粉煤灰以及地面矸石等固體廢棄物，利用固體廢棄物直接投放系統(tǒng)或連續(xù)輸送系統(tǒng)可將其直接投入井下，然后經(jīng)過輸送機(jī)的傳遞輸送作用可到達(dá)采煤工作面。對煤炭采空區(qū)的壓實(shí)作用可利用煤炭充填一體化液壓支架以及刮板式充填輸送機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)不僅克服了固體材料密室性充填問題[3]，而且有效解決了充填運(yùn)輸所需的連續(xù)通道和空間問題。綜合機(jī)械化固體充填采煤工作面大致與傳統(tǒng)的綜采工作面相同，并且固體充填物料輸送帶往往布置在采煤工作面的后部，在此條件下可實(shí)現(xiàn)在同一工作面系統(tǒng)中采煤與充填的并行作業(yè)。

2.2 液壓支架

在系統(tǒng)分析采場礦壓顯示規(guī)律的基礎(chǔ)上煤炭企業(yè)經(jīng)過多年的努力和探索建立了采場礦壓力學(xué)模型，然后通過詳細(xì)分析傳統(tǒng)采煤被動受壓的破壞機(jī)理揭示了充填采煤支架主動支撐頂板的作用力傳遞過程和受壓變化規(guī)律，設(shè)計(jì)發(fā)明了充填采煤一體化液壓支架并可對固體廢棄物密室充填以及掩護(hù)綜合機(jī)械化采煤并行作業(yè)，該液壓支架可有效確保各項(xiàng)充填采空區(qū)工藝的實(shí)施和煤炭的安全、高效生產(chǎn)。后頂梁和前頂梁為該一體化液壓支架的主要組成部分，并且前梁支護(hù)能力低于后梁。前頂梁和后頂梁的功能作用分別用于采煤和掩護(hù)充填作業(yè)，液壓支架的后部支撐能力因頂梁下部設(shè)置的2根獨(dú)立柱而顯著提高，并且在其掩護(hù)的空間范圍內(nèi)可直接引入固體廢棄物。夯實(shí)機(jī)構(gòu)與支架后部連為一體并可顯著增強(qiáng)充填物的夯實(shí)力2 MPa以上[4]，且為保證采空區(qū)的充填率，該夯實(shí)結(jié)構(gòu)可根據(jù)地表沉陷和巖層移動控制目標(biāo)要求進(jìn)行精準(zhǔn)的自主調(diào)控。

3 實(shí)例應(yīng)用

以山西某大型河堤下充填采煤為例對該技術(shù)的應(yīng)用效果及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

3.1 填充采煤一體化技術(shù)的應(yīng)用

山西某煤礦地表為大型河堤和村莊，其“三下”壓煤量占該區(qū)域可采儲總量的60%以上，矸石充填區(qū)位于煤礦五采區(qū)煤層厚度為3.0 m，平均采深約560 m。村莊建筑面積約12.5萬m2，占地面積約45.0萬m2。為滿足該區(qū)域建筑物保護(hù)等級標(biāo)準(zhǔn)，其充填密實(shí)度應(yīng)為0.82，結(jié)合河堤保護(hù)相關(guān)要求和實(shí)際情況離河堤約近的工作面其充填密實(shí)度應(yīng)越高，其最大值同樣為0.82。煤炭采煤完成后地表最大沉降量實(shí)測值為350 mm，如不加以采取充填措施其預(yù)計(jì)最大沉降量可達(dá)2 610 mm。固體充填一體化采煤技術(shù)主要是以充填液壓支架為載體實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)的充填，其充填固體廢棄物主要有矸石、建筑垃圾、廢石、粉煤灰等，并且在該過程中還需要應(yīng)用到充填投料系統(tǒng)以及輸送機(jī)等相關(guān)設(shè)備，其具體方法是利用輸送設(shè)備完成固體充填材料至采空區(qū)的輸送并通過液壓支架施加相應(yīng)的作用力最終達(dá)到壓實(shí)、充填的目的。

因此該煤礦引入充填一體化技術(shù)設(shè)備并且地表沉降量在實(shí)施充填后其減沉率高達(dá)85%以上。實(shí)踐表明，該充填采煤一體化技術(shù)主要是將矸石等固體廢棄物通過機(jī)械化的方式充填至采空區(qū)并控制地表沉降以及上覆巖層的下沉。通過實(shí)踐和總結(jié)分析,在填充過程中應(yīng)主要控制以下方面：固體廢棄物的夯實(shí)及自動化充填，選擇合理的充填材料，重點(diǎn)控制薄煤層及大采高充填技術(shù)等。

3.2 應(yīng)用效果分析

在充填過程中對周圍巖層情況的及時準(zhǔn)確掌控是確保充填效果的重要基礎(chǔ),通過對巖層的適當(dāng)調(diào)整可進(jìn)一步提高其充填效果。在充填采煤操作過程中工作面液壓支架的壓力相對較少，因此其周期規(guī)律性較弱,并且工作面可承受的最大壓力通常與充填密室信息相關(guān)。實(shí)踐表明，該項(xiàng)技術(shù)的引用不僅可顯著提高煤炭開采的效率，而且可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件的煤炭開采和充填，確保上覆建筑結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié)語

以充填采煤巖層控制理論為基礎(chǔ)并經(jīng)過多年的探索、總結(jié)發(fā)展而成的綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)，已被成功應(yīng)用于多個煤礦開采。相比傳統(tǒng)的采煤技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)不僅可顯著提升煤礦行業(yè)的發(fā)展空間，而且經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展逐漸表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢，不僅可適用于多種地質(zhì)類型，而且在改善環(huán)境污染、提升綜合效益方面發(fā)揮著重要作用。