趙奕磊

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100170)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展與日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，“綠色開(kāi)采”越來(lái)越受到重視。固體充填開(kāi)采因能適應(yīng)“三下開(kāi)采”和解決地表沉陷等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用廢舊物體，既節(jié)約成本，又減少對(duì)環(huán)境的污染與破壞，越發(fā)受到重視并取得長(zhǎng)足發(fā)展[1-3]。王家臣等[4]研究了固體充填開(kāi)采時(shí)支架與圍巖的關(guān)系以及相關(guān)礦壓規(guī)律；王明立[5]針對(duì)煤矸石顆粒級(jí)配進(jìn)行研究，為優(yōu)化矸石充填提供建議；黃艷麗等[6]研究了粉煤灰和矸石在綜采固體充填工作面的應(yīng)用情況；王磊等[7]提出了固體充填質(zhì)量控制體系，并介紹系統(tǒng)情況，構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；余偉健等[8]研究了覆巖和煤柱與充填體的協(xié)作支撐系統(tǒng)作用機(jī)理；趙海軍[9]研究了充填開(kāi)采引起地表變化情況的過(guò)程和機(jī)制，提出了相關(guān)對(duì)策。

以上研究豐富了充填開(kāi)采技術(shù)，并有效解決了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，但對(duì)深部大采高矸石充填技術(shù)的研究較少。因此，本文以邢東礦深部800 m首個(gè)大采高綜采矸石充填面為研究背景，分析工作面開(kāi)采難點(diǎn)及矸石充填開(kāi)采支架與圍巖關(guān)系，進(jìn)而確定了矸石充填開(kāi)采自夯式液壓支架的選型原則與性能要求，計(jì)算確定了液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力等參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和地表觀測(cè)，結(jié)果表明自夯式矸石充填液壓支架取得了成功應(yīng)用，有效控制了地表沉降，并為該礦后續(xù)厚煤層采用矸石充填開(kāi)采的方法提供借鑒。

1　工程概況

1.1　工作面概況

邢東礦矸石充填試驗(yàn)工作面為12212工作面，2#煤層為主采煤層，煤層標(biāo)高為-825～-752 m，煤層平均傾角10°，煤厚4.3～4.46 m，平均厚度4.38 m，工作面走向490 m，傾斜55 m。工作面水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，周圍無(wú)采動(dòng)，不受老空水影響。礦井為低瓦斯礦井，且煤層不易自燃。煤巖層柱狀圖見(jiàn)圖1。

圖1　煤巖層柱狀圖

1.2　煤層開(kāi)采難點(diǎn)

12212工作面埋深達(dá)800 m，原巖應(yīng)力超過(guò)20 MPa，深部復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力值更高、集中程度更大，選擇合適的開(kāi)采裝備難度大[10]，高地應(yīng)力等因素容易造成巷道變形嚴(yán)重，誘發(fā)多種問(wèn)題。12212工作面上部有村莊，若開(kāi)采則需要搬遷村莊；本工作面采高大，直接頂垮落后不能完全充填采空區(qū)，不能有效支撐基本頂，支架和煤壁將承受過(guò)高的載荷，壓架和片幫等現(xiàn)象頻發(fā)。

12212工作面相似條件下的高水材料充填效果并不明顯，只能進(jìn)行矸石充填，綜合化矸石充填關(guān)鍵設(shè)備的難以選擇制約了開(kāi)采，原有設(shè)備操作難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高，充填效果一般，應(yīng)用于深部且大采高則問(wèn)題更多。本文結(jié)合工程情況及矸石充填液壓支架與圍巖的關(guān)系,分析計(jì)算了矸石充填液壓支架承載能力及選型要求與基本參數(shù)，最終確定選型和進(jìn)行應(yīng)用，并對(duì)工作面礦壓與地表沉陷情況進(jìn)行觀測(cè)。

2　矸石充填液壓支架與圍巖的關(guān)系

2.1　矸石充填液壓支架與圍巖的關(guān)系

完全垮落法開(kāi)采時(shí)頂板直接垮落，關(guān)鍵巖層失穩(wěn)破斷，上覆巖層及地表發(fā)生破壞；充填開(kāi)采時(shí)頂板受煤體、支架和矸石協(xié)同支撐，頂板穩(wěn)定性和承載能力增強(qiáng)，避免了關(guān)鍵層的失穩(wěn)破斷，依然為承載主體，覆巖及地表不易下沉破壞。完全垮落法與矸石充填法采煤覆巖運(yùn)動(dòng)圖見(jiàn)圖2。

完全垮落法開(kāi)采時(shí)，支架的主要作用在于平衡頂板破斷產(chǎn)生的動(dòng)靜載荷，而矸石充填開(kāi)采中直接頂受煤壁、支架與矸石協(xié)同支撐并不會(huì)立即垮落，下沉變形受到控制，基本頂?shù)壬细矌r層的下沉等情況亦會(huì)受到控制，同時(shí)其自穩(wěn)能力較好，短時(shí)間內(nèi)下沉少，甚至不下沉，此時(shí)采場(chǎng)支架僅承擔(dān)直接頂?shù)闹亓?，主要控制直接頂?shù)南鲁磷冃蝃4]。

2.2　矸石充填液壓支架承載能力的計(jì)算

直接頂懸頂端受充填矸石支撐，并不會(huì)立即垮落，但在自重及上覆巖層壓力下將發(fā)生下沉，由原來(lái)的OM位置下沉變形至ON位置保持穩(wěn)定，沉降量為ΔhN，下沉回轉(zhuǎn)角度為α，直接頂下沉步距為L(zhǎng)，支架控頂距為L(zhǎng)1，直接頂懸頂距為L(zhǎng)2，直接頂對(duì)支架作用力為P1，支架對(duì)直接頂合力為P2，支架合力作用距煤壁距離L3。矸石充填采場(chǎng)頂板與支架力學(xué)模型見(jiàn)圖3。

圖2　完全垮落法與矸石充填法采煤覆巖運(yùn)動(dòng)圖

圖3　矸石充填采場(chǎng)頂板與支架力學(xué)模型

根據(jù)力矩平衡方程，P1與P2滿足式(1)。

P2×L3=P1×L×cosα/2

(1)

式中：P1=Σhγ·L,α=arctan(ΔhN/L),其中，Σh為直接頂厚度;γ為巖石的容重。

即有式(1)變形為式(2)。

P2=Σhγ·L2·cos(arctan(ΔhN/L))/2L3

(2)

單位長(zhǎng)度支架受力為P2i=P2/L1且L=L1+L2，而實(shí)際中為保持充足充填空間，起到最好充填效果，ΔhN?L，即α→0，cos(arctan(ΔhN/L))≈1。

所以有式(3)。

P2i=Σhγ·(L1+L2)2/2L3L1

(3)

12212工作面直接頂Σh=3.68 m，γ為2.5 t/m3，L1取8.5 m，L3取4.5 m，代入式(3)，計(jì)算得P2i=1.2(8.5+L2)2，即當(dāng)L2為3 m時(shí)，載荷為160 kN/m2，當(dāng)L2為7 m時(shí)，載荷為289 kN/m2，L2為10 m時(shí)，載荷為411 kN/m2。而矸石隨采隨充，當(dāng)懸頂距超過(guò)一定程度時(shí)，矸石逐漸被壓實(shí)，能夠有效發(fā)揮承載作用，矸石將承擔(dān)一部分載荷，液壓支架承載載荷將發(fā)生降低。

3　自夯式矸石充填液壓支架的應(yīng)用

矸石充填開(kāi)采需采用新型自夯式矸石充填液壓支架，其選型原則、性能、參數(shù)、工藝等情況必須滿足相應(yīng)要求，才能保護(hù)生產(chǎn)安全和充填采空區(qū)等作用。

3.1　自夯式矸石充填液壓支架選型原則

自夯式矸石充填液壓支架要滿足以下原則：①液壓支架的支護(hù)阻力、初撐力、高度、操作方法與性能等必須要和工作面頂?shù)装鍡l件、煤層情況及生產(chǎn)能力匹配；②液壓支架的移架速度、設(shè)備性能、使用壽命等要和刮板機(jī)、采煤機(jī)相互適應(yīng)；③需要有一定的穩(wěn)定性，以適應(yīng)不同工作狀況；④綜合各因素選擇良好的支架，實(shí)現(xiàn)良好的充填效果。

3.2　自夯式矸石充填液壓支架的性能及要求

自夯式矸石充填液壓支架除具有一般支架的性能，如足夠支護(hù)強(qiáng)度、有效工作特性外，還必須有如下要求。

1) 充填完成前頂板發(fā)生一定程度的下沉，同時(shí)后頂梁下部懸掛有輸送矸石的刮板輸送機(jī)，后頂梁必須有足夠的強(qiáng)度方可承受靜載荷與動(dòng)載荷的影響。

2) 自夯式矸石充填液壓支架后頂梁下部懸掛有輸送矸石的刮板輸送機(jī)，同時(shí)下部有可以連續(xù)夯實(shí)矸石的夯實(shí)機(jī)，因此，支架后部需要足夠空間，既不影響充填工作，亦方便對(duì)設(shè)備的檢查維修等。

3) 矸石刮板輸送機(jī)寬度較窄，位置固定則不能充分充填，按采煤與充填工藝設(shè)計(jì)要求，需要增設(shè)刮板機(jī)滑道及牽引裝置，滑道長(zhǎng)度需符合充填要求。

4) 卸落矸石較松散，堆積密實(shí)性差，為滿足良好充填效果，需設(shè)置夯實(shí)機(jī)構(gòu)，增加矸石密實(shí)性，降低松散程度，同時(shí)需設(shè)置夯實(shí)機(jī)調(diào)節(jié)裝置，使夯實(shí)機(jī)上下反復(fù)夯實(shí)矸石，保證矸石密實(shí)又充分接頂。

5) 自夯式矸石充填液壓支架相對(duì)普通支架增設(shè)后頂梁、矸石刮板輸送機(jī)及夯實(shí)機(jī)構(gòu)等，支架前后重量有所差別，同時(shí)因工況不同會(huì)發(fā)生前仰后傾、移架不便等問(wèn)題，支架的穩(wěn)定性需要得到重視。

3.3　自夯式矸石充填液壓支架選型基本參數(shù)

1) 支架高度。工作面沿煤層頂板開(kāi)采，平均煤厚4.38 m，局部可能因煤層起伏不平而厚度發(fā)生變化，支架高度偏則低不利于開(kāi)采，過(guò)高則穩(wěn)定性不好。結(jié)合相似地質(zhì)情況，選擇采高為3～5 m，支架最大高度為5 m，最低高度為3 m。

2) 支架支護(hù)強(qiáng)度。依經(jīng)驗(yàn)，工作面支架支護(hù)強(qiáng)度需要支撐4～8倍采高的巖石容重[11]，支護(hù)強(qiáng)度P由式(4)確定。

P=(4～8)γh

(4)

式中：γ為巖石的容重，2.5 t/m3；h為采高，m。

矸石充填開(kāi)采時(shí)，頂板壓力由煤體、液壓支架和矸石一起承載，支架實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)完全垮落法會(huì)降低，計(jì)算煤層采高應(yīng)以“等價(jià)采高”計(jì)算。即計(jì)算所需采高為煤層實(shí)際厚度與充填材料被上覆巖層充分壓實(shí)之后的高度的差值[12]。

矸石充填綜采中等價(jià)采高計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。

Hz=Ha+Hb+k(H-Ha-Hb)

(5)

式中：Hz為等價(jià)采高，m；Ha為充填前頂板下沉量，m；Hb為充填后充填體與頂板距離，m；H為實(shí)際工作面采高，m；k為充填材料壓實(shí)率。

由地質(zhì)情況可知H=4.38 m；充填前頂板下沉量Ha一般為0.1～0.3 m，按可靠性原則選0.3 m；充填后充填材料與頂板接頂距離Hb一般為0，按要求達(dá)85%以上；充填材料壓實(shí)率k一般為6.6%～15%。

由式(5)計(jì)算，等價(jià)采高高度為1.47 m。

所以h=Hz=1.47 m。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得P為147～294 kN/m2，即液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于294 kN/m2。

3) 支架工作阻力。矸石充填開(kāi)采時(shí)，支架承受的頂板壓力相對(duì)完全垮落法開(kāi)采時(shí)被矸石分擔(dān)一部分而有所降低，由臨近工作面工作阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大致位于2 500 k～3 500 kN，同時(shí)工作面開(kāi)采時(shí)來(lái)壓不明顯，可知支架實(shí)際工作阻力整體不高，承載載荷較小。

支架工作阻力的計(jì)算需要考慮頂梁長(zhǎng)度、支護(hù)強(qiáng)度等參數(shù)，見(jiàn)式(6)。

Q=103×n×(La+Lb)×B×P/(y1+y2)

(6)

式中：Q為工作阻力，kN；n為安全系數(shù)，取1.50；La為控頂距，取0.34 m；Lb為頂梁長(zhǎng)度，取8 m；B為支架中心距，取1.50 m；P為支護(hù)強(qiáng)度，取0.30 MPa；y1為充填效率，取0.85；y2為安全閥波動(dòng)系數(shù)取0.90。

代入?yún)?shù)，計(jì)算得支架工作阻力Q不小于3 217 kN。

但根據(jù)工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，應(yīng)取相對(duì)較大的參數(shù)，以確保工作面的安全開(kāi)采。

4) 支架型式。由于充填開(kāi)采工作面充填開(kāi)采液壓支架后部需安設(shè)矸石充填設(shè)備，控頂范圍較大，支架最大高度定為5 m，選用兩柱或四柱掩護(hù)式支架；同時(shí)支架后部必須留有充足的人工操作空間。因此，選用四柱支撐掩護(hù)式支架，采用四連桿機(jī)構(gòu)。

3.4　自夯式矸石充填液壓支架選型確定

根據(jù)地質(zhì)條件、承載能力、性能要求及參數(shù)計(jì)算等，最終確定選用ZC5160/30/50型四柱支撐掩護(hù)式支架，四連桿機(jī)構(gòu)。性能見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖4。

表1　液壓支架性能表

圖4　自夯式矸石充填液壓支架

自夯式充填液壓支架主要由頂梁、立柱、四連桿、底座、尾梁千斤頂、矸石刮板輸送機(jī)、夯實(shí)千斤頂、調(diào)節(jié)千斤頂和夯實(shí)板等構(gòu)成。矸石刮板輸送機(jī)懸掛在尾梁之下，輸送機(jī)槽板上有可以控制閉合的卸料孔，卸放充填料；兩臺(tái)尾梁千斤頂，一臺(tái)鉸接尾梁，一臺(tái)鉸接頂梁下方鉸接耳板，增加支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性；夯實(shí)千斤頂推動(dòng)夯實(shí)板壓緊密實(shí)充填料；調(diào)節(jié)千斤頂鉸接在底座上，調(diào)節(jié)夯實(shí)千斤頂和夯實(shí)板的角度，上下旋轉(zhuǎn)，循環(huán)均勻壓實(shí)材料，使充填料充分接頂，不留空隙。

3.5　自夯式矸石充填液壓支架充填工作原理

采空區(qū)充填工作依靠矸石輸送機(jī)和夯實(shí)機(jī)協(xié)作完成，矸石經(jīng)巷道輸送機(jī)運(yùn)至工作面上端頭，然后經(jīng)矸石刮板輸送機(jī)運(yùn)至待充填區(qū)域，從機(jī)尾向機(jī)頭方向進(jìn)行充填。依次打開(kāi)每臺(tái)矸石刮板輸送機(jī)的卸料孔卸放矸石到采空區(qū)，矸石堆積一定高度后由夯實(shí)機(jī)進(jìn)行多次夯實(shí)，平均循環(huán)2～3次。按照工藝流程，每臺(tái)支架依次夯實(shí)完畢，最后充填機(jī)頭位置，然后再拉移矸石刮板機(jī)向前一個(gè)步距，進(jìn)行第二輪充填，按照順序依次充填，最后完成整個(gè)工作面的充填。

3.6　自夯式矸石充填液壓支架充填工藝流程

工作面每采一刀煤停止采煤開(kāi)始充填，充填順序由充填開(kāi)采輸送機(jī)機(jī)尾向機(jī)頭方向進(jìn)行，按照矸石密實(shí)度高并且充分接頂?shù)脑瓌t，每個(gè)支架下充填矸石多次卸矸并且充分夯實(shí)2～3次，具體工藝流程如下所示。

1) 停止采煤，推移前刮板輸送機(jī)，移直支架。充填前斷面圖如圖5所示。

2) 移直、啟動(dòng)矸石刮板輸送機(jī)，打開(kāi)機(jī)尾1號(hào)、2號(hào)卸料孔，卸放矸石，將1號(hào)卸料孔下部區(qū)域矸石充填至一定高度。充填一定高度斷面圖見(jiàn)圖6。

圖5　充填前斷面圖

圖6　充填一定高度斷面圖

3) 關(guān)閉1號(hào)卸料孔，啟動(dòng)1號(hào)夯實(shí)機(jī)夯實(shí)矸石，同時(shí)打開(kāi)3號(hào)卸料孔，2號(hào)、3號(hào)卸料孔卸料。

4) 待2號(hào)卸料孔下部矸石充填至一定高度，關(guān)閉2號(hào)卸料孔，打開(kāi)1號(hào)卸料孔，對(duì)1號(hào)支架下部夯實(shí)空間充填矸石，同時(shí)打開(kāi)2號(hào)支架夯實(shí)機(jī)夯實(shí)矸石。

5) 待1號(hào)支架下部充填完畢，打開(kāi)2號(hào)卸料孔充填夯實(shí)空間，同時(shí)啟動(dòng)1號(hào)夯實(shí)機(jī)夯實(shí)上部矸石，完成1號(hào)充填。夯實(shí)上部矸石充填斷面圖見(jiàn)圖7。

6) 關(guān)閉1號(hào)卸料孔，啟動(dòng)2號(hào)夯實(shí)機(jī)夯實(shí)上部空間，此時(shí)若3號(hào)卸料孔已完成卸料則進(jìn)行4號(hào)卸料孔卸料，不然繼續(xù)卸料，夯實(shí)完成后關(guān)閉2號(hào)卸料孔，啟動(dòng)3號(hào)夯實(shí)機(jī)夯實(shí)，同時(shí)打開(kāi)4號(hào)卸料孔或5號(hào)卸料孔卸料，依次類推，至整個(gè)工作面充填完畢，完成第一輪充填。

7) 拉移矸石刮板輸送機(jī)一個(gè)步距，進(jìn)行第二輪充填。拉移矸石刮板輸送機(jī)一個(gè)步距充填斷面圖見(jiàn)圖8。

圖7　夯實(shí)上部矸石充填斷面圖

圖8　拉移矸石刮板輸送機(jī)一個(gè)步距后充填斷面圖

4　試驗(yàn)效果及分析

后期對(duì)回采過(guò)程中支架工作阻力進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果得出，支架后柱的工作阻力明顯大于前柱，均保持穩(wěn)定，平均在2 600 kN～3 400 kN，均小于額定工作阻力，均沒(méi)有激增現(xiàn)象發(fā)生，變化不明顯，工作面亦沒(méi)有發(fā)生來(lái)壓。分析可知充填體和支架對(duì)頂板壓力起到較好支撐作用，保護(hù)頂板沒(méi)有破斷，頂板承載了大部分覆巖載荷，支架載荷變小，表明了充填矸石和支架的支撐性能良好，自夯式充填液壓支架有效發(fā)揮了充填作用，保證了工作面的高產(chǎn)高效安全開(kāi)采。

同時(shí)，在工作面上部地表沿工作面方向和垂直工作面方向設(shè)置AN測(cè)線、BW測(cè)線，采用GPS導(dǎo)線控制測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)試的方法對(duì)測(cè)線位置的最大下沉量、下沉速度、傾斜變形、曲率變形、水平移動(dòng)、水平變形進(jìn)行觀測(cè)測(cè)量。觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2觀測(cè)結(jié)果可知，最大下沉量?jī)H有301.9 mm，同時(shí)其他測(cè)量指標(biāo)數(shù)據(jù)都很小，觀測(cè)結(jié)果表明地表變形破壞數(shù)值小，程度輕，屬于1級(jí)破壞程度，地表基本無(wú)破壞變形，表明邢東礦矸石充填技術(shù)應(yīng)用成功，對(duì)地表變形破壞起到很好控制作用，同時(shí)解放村莊下壓煤，增加產(chǎn)能，提高礦井效益。大量矸石的利用亦減少了矸石排放對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，社會(huì)效益顯著。

表2　觀測(cè)結(jié)果表

5　結(jié)　論

1) 矸石充填開(kāi)采時(shí)，頂板受煤體、支架和充填體協(xié)同支撐，關(guān)鍵層及上覆巖層得到有效保護(hù)，采場(chǎng)內(nèi)液壓支架僅承擔(dān)直接頂?shù)闹亓?，主要控制直接頂?shù)南鲁磷冃?，結(jié)合邢東礦地質(zhì)條件計(jì)算得出直接頂不同垮落步距時(shí)支架載荷情況。

2) 根據(jù)等價(jià)采高理論計(jì)算得出4.38 m的采高等價(jià)于開(kāi)采1.47 m的煤層，進(jìn)而根據(jù)公式確定工作面所需支架支護(hù)阻力與支護(hù)強(qiáng)度等參數(shù)，確定支架型號(hào)為ZC5160/30/50支撐掩護(hù)式液壓支架。

3) 開(kāi)采期間液壓支架平均工作阻力較小且保持穩(wěn)定，均未達(dá)到額定工作阻力，工作面頂板來(lái)壓不明顯，同時(shí)分析地表沉降觀測(cè)結(jié)果知其破壞等級(jí)屬于1級(jí)破壞，對(duì)地面破壞程度較小，地表沉降得到控制，表明了自夯式矸石充填液壓支架的成功應(yīng)用。