楊炳瑞

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城048003）

0 引 言

隨著環(huán)保理念日益深入人心，綠色開采的概念也被提出，并被應(yīng)用于煤炭開采行業(yè)，傳統(tǒng)的綜采工作面常用垮落法或矸石充填法來處理采空區(qū)，矸石充填可不僅可將廢棄的矸石進行回填處理，同時可改善采空區(qū)覆巖應(yīng)力[1-3]。然而，矸石充填開采存在充填效率低、影響采煤機的進尺效率等缺點，基于以上原因，學(xué)者們開始提出充填協(xié)同垮落式綜采技術(shù)，以期達到充填和采煤協(xié)同作業(yè)，并提高作業(yè)效率，改善工作面上覆巖層受力狀態(tài)的目的[4-5]。

1 協(xié)同綜采技術(shù)原理與特征

1.1 協(xié)同綜采技術(shù)原理

充填協(xié)同跨落式綜采技術(shù)的本質(zhì)是將傳統(tǒng)跨落式的開采方法與矸石充填技術(shù)進行集成與優(yōu)化，協(xié)同綜采技術(shù)可使煤炭開采、矸石充填與環(huán)境優(yōu)化等協(xié)同進行，達到高效充填采空區(qū)和處理矸石的目的，其基本技術(shù)原理如圖1 所示。

協(xié)同開采工作面分為充填段和垮落段，充填段和垮落段的采煤設(shè)備是同一套，不同的是充填段需布置充填液壓支架和輸送機等充填機械設(shè)備，而垮落段只需布置液壓支架等綜采設(shè)備。井上地面堆積的矸石經(jīng)破碎處理后，可通過投料井運輸至井下充填段，進行采空區(qū)充填。協(xié)同開采工作面可延長垮落段長度、提高工作面產(chǎn)量，實現(xiàn)采煤與充填的協(xié)同作業(yè)。

圖1 協(xié)同綜采技術(shù)原理

1.2 協(xié)同綜采技術(shù)特征

基于對協(xié)同綜采工作面技術(shù)原理的分析，將協(xié)同綜采工作面的技術(shù)特征總結(jié)如下：

1）充填段與垮落段的有機組合。協(xié)同綜采工作面將采空區(qū)分為充填段和垮落段，充填段進行矸石充填，垮落段仍采用傳統(tǒng)的垮落法管理采空區(qū)，可實現(xiàn)采煤與矸石充填平行作業(yè)，充填能力與采煤能力需相匹配，以達到最優(yōu)的協(xié)同開采效果，因此，協(xié)同開采工作面的實質(zhì)是充填段與垮落段的有機組合與動態(tài)調(diào)整。

2）充填效率高。傳統(tǒng)的充填工作面，充填段的長度即為采煤工作面長度，由于充填效率較低，導(dǎo)致采煤工作面需“等待”后續(xù)充填的跟進，從而使整個工作面效率降低，協(xié)同開采工作面可有效解決以上問題，即可保證充填能力與充填效率，又不影響采煤效率，滿足了高產(chǎn)高效礦井的基本要求。

3）經(jīng)濟效益佳。協(xié)同開采工作面長度較長，可減少工作面搬家次數(shù)和工作面的布置數(shù)目，且矸石充填相比注漿充填具有工藝簡單、成本低廉等優(yōu)勢，同時，減小了地面矸石的處理和堆積費用，具有較好的經(jīng)濟效益。

2 協(xié)同綜采技術(shù)關(guān)鍵

2.1 協(xié)同綜采生產(chǎn)系統(tǒng)

協(xié)同綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)包含4 個子系統(tǒng)，即：垂直投料系統(tǒng)、矸石不升井系統(tǒng)、矸石破碎輸送系統(tǒng)及協(xié)同綜采面作業(yè)系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間相互配合，有序銜接，實現(xiàn)工作面的協(xié)同開采，協(xié)同綜采系統(tǒng)示意圖如2 所示。

圖2 協(xié)同綜采系統(tǒng)示意圖

1）垂直投料系統(tǒng)。首先，需要說明的是只有當(dāng)井下排矸量小于協(xié)同綜采面的矸石充填量或需要對地面矸石進行處理時才會用到垂直投料系統(tǒng)。垂直投料系統(tǒng)的主要目的是按需求將地面矸石運輸至井下，地面矸石經(jīng)破碎和篩選后，由皮帶機運輸至地面投料口進入井下矸石倉，之后，通過矸石下部的給料機和皮帶運輸機運輸至指定的充填地點。

2）矸石不升井系統(tǒng)。將井下矸石運輸?shù)降孛媸且豁棙O為耗時耗力的工作，同時又可造成地表空間的浪費和環(huán)境的污染，矸石不升井系統(tǒng)可有效解決這些問題。矸石不升井系統(tǒng)是在井下進行矸石的破碎、分選等工作，將洗選后的矸石直接運輸至需要充填的工作面，矸石不升井系統(tǒng)一方面可環(huán)節(jié)礦井運輸量大的問題，另一方面可避免矸石造成的環(huán)境污染。

3）矸石破碎運輸系統(tǒng)。協(xié)同綜采工作面對充填的矸石粒徑有一定的要求，井下矸石破碎運輸系統(tǒng)主要有兩大任務(wù)，任務(wù)之一是將收集到的矸石破碎為符合充填粒徑的矸石顆粒；任務(wù)之二是將矸石定時、定量的運送至充填地點。

4）協(xié)同綜采作業(yè)系統(tǒng)。協(xié)同綜采作業(yè)系統(tǒng)是指系統(tǒng)綜采工作面的布置和作業(yè)方式，協(xié)同綜采工作面由垮落段和充填段兩部分組成，2 段共用1 套采煤設(shè)備，隨著采煤機的推進，后方一邊進行充填作業(yè)、一邊進行垮落作業(yè)。

2.2 協(xié)同綜采關(guān)鍵設(shè)備

協(xié)同綜采工作面是依靠機械設(shè)備來完成一系列的工序，因此，機械設(shè)備的選型和配套方案是否合理，直接決定了協(xié)同綜采工作面的作業(yè)效率。協(xié)同綜采工作面的機械設(shè)備由兩大部分組成，分別是采煤設(shè)備和充填設(shè)備，采煤設(shè)備與傳統(tǒng)綜采工作面所用的設(shè)備一致，主要包括采煤機、刮板輸送機、液壓支架等，但需要特別注意采煤設(shè)備與充填設(shè)備的匹配能力。充填設(shè)備包括充填液壓支架、過度液壓支架、轉(zhuǎn)載機和底卸式輸送機等。協(xié)同綜采工作面的機械設(shè)備需根據(jù)實際充填情況進行設(shè)計和選型，關(guān)鍵設(shè)備的布置圖如圖3所示。

協(xié)同綜采技術(shù)屬于較為新穎的前沿技術(shù)，目前還沒有較為成熟的設(shè)備選型與配套方案可以借鑒，但可依據(jù)工作面設(shè)備選型的基本原則進行選型設(shè)計，同時，需考慮采煤設(shè)備與充填設(shè)備之間的協(xié)同能力。

2.3 協(xié)同綜采工藝

協(xié)同綜采是一種綠色的充填開采方法，可同時實現(xiàn)矸石投放、矸石步升井充填等工藝，協(xié)同綜采的生產(chǎn)工藝流程如圖4 所示。

由圖4 可知，協(xié)同綜采工藝流程包括3 大部分，其中協(xié)同綜采面開采工藝是協(xié)同綜采工藝的核心。協(xié)同綜采面開采工藝由采煤工藝和充填工藝組成，綜采面為實現(xiàn)采煤與充填協(xié)同作業(yè)，需要安裝3 種類型的液壓支架，分別是充填采煤液壓支架、過渡液壓支架和傳統(tǒng)綜采液壓支架，在移架時，應(yīng)保證3 種液壓支架具有統(tǒng)一的步距。

3 協(xié)同綜采面覆巖移動特征

協(xié)同綜采面由于其獨特的布置方式，必然導(dǎo)致其覆巖移動規(guī)律也有所不同。傳統(tǒng)的垮落法開采，采空區(qū)上覆巖層隨工作面推進而發(fā)生周期性的破裂，覆巖在垂直方向上形成“三帶”結(jié)構(gòu)；而充填開采的上覆巖層荷載則主要有充填體承擔(dān)，改善了上覆巖層的應(yīng)力狀態(tài)，減小了其彎曲下沉量，但當(dāng)充填區(qū)域的密實度較低時，充填開采的上覆巖層也可形成“三帶”結(jié)構(gòu)，只是上覆巖層的破裂和下沉低于垮落法開采，當(dāng)充填區(qū)域的密實度較高時，則只有局部裂隙帶和彎曲下沉帶，形成“兩帶”的結(jié)構(gòu)?？迓浞ㄩ_采、充填開采與協(xié)同開采的上覆巖層移動對比見圖5。

協(xié)同開采的上覆巖層在充填區(qū)與垮落區(qū)之間存在一個“過渡區(qū)域”，其覆巖的移動規(guī)律受充填區(qū)和垮落區(qū)覆巖移動特性的影響，但并不是兩者之間的簡單疊加，而是相互影響，相互作用，過渡區(qū)域覆巖的移動規(guī)律、范圍受到地質(zhì)條件、協(xié)同綜采面技術(shù)參數(shù)、充填物料種類和密實度、充填技術(shù)水平等多種因素的影響。

圖5 協(xié)同綜采面覆巖移動特征圖

4 結(jié) 論

1）概述了協(xié)同綜采技術(shù)原理，總結(jié)了協(xié)同綜采的技術(shù)特征，包括：充填段與垮落段的有機組合、充填效率高和經(jīng)濟效益佳。

2）從協(xié)同綜采生產(chǎn)系統(tǒng)、協(xié)同綜采關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)綜采工藝等方面，闡述了協(xié)同綜采的關(guān)鍵技術(shù)，對比傳統(tǒng)的垮落法開采、充填開采的工作面覆巖移動規(guī)律，指出協(xié)同綜采面覆巖存在一個“過渡區(qū)域”。