充填液壓支架的應(yīng)用及發(fā)展展望

程駿

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

充填開采是隨著回采工作面的推進，用矸石、膏體、高水等充填材料將采空區(qū)充滿，通過充填體支撐上覆巖層，達到減少地表采動影響，實現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展。

近十年來，針對不同開采條件，部分煤礦企業(yè)和科研院所積極探索并實施了固體矸石充填、膏體充填、高水材料充填等充填開采技術(shù)和裝備，在山東、河北、河南、內(nèi)蒙和陜西等地推廣使用，取得良好的社會和環(huán)境效益，具備了一定的推廣應(yīng)用條件［1－4］。

1 矸石充填液壓支架

矸石充填液壓支架主要是在頂梁后部懸掛帶有卸料孔的刮板輸送機 (如圖1)，卸料孔下方均有由千斤頂控制開關(guān)的插板，通過操作千斤頂每次打開2～3個卸料孔進行矸石充填，當(dāng)矸石充填到一定高度后開啟下一批卸料孔，直至充滿整個采空區(qū)。充填前要順直懸掛在支架后部的卸料刮板輸送機，充填由工作面機尾向機頭方向進行。

矸石充填液壓支架主要有2種:帶夯實機構(gòu)的矸石充填液壓支架 (如圖2)和不帶夯實機構(gòu)的矸石充填液壓支架(如圖3)。

圖1 卸料刮板輸送機中部槽

主要特點:

(1)支架采用四柱正四連桿的結(jié)構(gòu)形式。

(2)支架頂梁后部懸掛帶有卸料孔的刮板輸送機。

(3)帶夯實機構(gòu)的充填液壓支架充填工藝復(fù)雜，可以在一定程度上提高充填材料的密實度。

(4)不帶夯實機構(gòu)的矸石充填液壓支架通過懸掛在頂梁上的上擋墻和底座后部的下?lián)鯄ζ鸬礁綦x工作面和采空區(qū)的作用。這種矸石充填支架以消滅地表矸石山或矸石不升井為主要目的，對地表下沉的控制作用有限。

河北邢臺礦7606充填開采試驗工作面煤層平均厚度2.79m，平均傾角9°，煤層頂板、底板均為砂質(zhì)頁巖。該充填工作面采用帶夯實機構(gòu)的矸石充填液壓支架，采空區(qū)充填率90%以上，地表下沉最大值為231mm，工作面上方受護體產(chǎn)生最大傾斜變形值0.8mm/m，水平變形值0.9mm/m，能夠控制在Ⅰ級損害范圍內(nèi)［5－10］。

圖2 帶夯實機構(gòu)的矸石充填液壓支架

圖3 不帶夯實機構(gòu)的矸石充填液壓支架

2 膏體充填液壓支架

膏體充填就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣等固體廢物在地面加工成無臨界流速、不需脫水的膏狀漿體，利用充填泵或重力作用通過管道輸送到井下充填工作面，充填至液壓支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區(qū)中。

膏體充填液壓支架 (如圖4)在擺動梁、底座后部均需設(shè)置活動側(cè)護板，防止支架架間泄?jié){;支架頂梁和頂板、底座和底板之間利用柔性泡沫和塑料布進行簡單處理。實踐表明，支架間隙控制在5mm以內(nèi)，充填過程中局部有漏漿現(xiàn)象，不會對工作面產(chǎn)生嚴重影響，可保證充填接頂質(zhì)量。

圖4 膏體充填液壓支架

膏體充填液壓支架的主要特點:

(1)支架采用四柱正四連桿的結(jié)構(gòu)形式。

(2)擺動梁和底座下?lián)鯄柙O(shè)置活動側(cè)護板。

(3)通過千斤頂?shù)纳炜s，擺動梁既可支護頂板又可當(dāng)作上擋墻使用。

岱莊煤礦2351膏體充填工作面煤層埋深平均440.15m，煤層平均厚度為2.74m，煤層傾角平均6°。煤層頂板、底板均為粉砂巖。根據(jù)岱莊煤礦充填量統(tǒng)計，截止2010年12月底，2351充填工作面平均充填率高達95%，地表最大下沉量140mm，工作面上方受護體產(chǎn)生最大傾斜變形處于1.1～1.9mm/m之間，能夠控制在Ⅰ級損害范圍內(nèi)［7－10］。

3 高水充填液壓支架

高水充填材料中水的體積可占90%以上，流動性好，對支架架間、支架頂梁與頂板、支架底座與底板間的密封要求較高。目前主要有高水柔模充填與單元式掛袋充填2種方式。

3.1 高水柔模充填液壓支架

高水柔模充填液壓支架 (如圖5)主要通過上擋墻擠壓頂梁來密封頂模和底模，其中頂模和底模分別沿采空區(qū)頂板和底板鋪設(shè)，通過手動縫紉機和膠棒沿工作面接長和密封［11］。充填時利用重力作用將高水充填材料沿封閉管道將充填材料從地面輸送至采空區(qū)的密閉柔模空間內(nèi)，8h后充填材料膨脹凝固，起到支撐頂板和上覆巖層的作用。

圖5 高水柔模充填液壓支架

高水柔模充填液壓支架主要特點:

(1)支架架型為四柱支撐式，穩(wěn)定機構(gòu)采用套筒伸縮桿機構(gòu)。

(2)頂梁后部、上擋墻頂部裝有橡膠板，通過上擋墻擠壓頂梁后部可夾緊柔模，防止高水充填材料泄漏。

(3)通過上擋墻上的橢圓孔可將充填材料注入密閉柔?？臻g內(nèi)。

榆陽煤礦2307充填工作面長度160.8m，煤層埋深平均190m，煤層平均厚度約3.6m，煤層傾角平均0.6°。煤層頂板以中粒、細粒砂巖為主，底板以泥巖、粉砂巖為主。根據(jù)榆陽煤礦充填量統(tǒng)計，截至2013年11月底，2307充填工作面平均充填率高達98%，地表最大下沉量53mm，工作面上方受護體產(chǎn)生最大水平變形值為0.19mm/m，最大傾斜變形值為0.58mm/m，能夠控制在Ⅰ級損害范圍內(nèi)。

3.2 單元式掛袋充填液壓支架

單元式掛袋充填液壓支架 (如圖6)由可以滿足工作面綜采功能要求的反四連桿充填液壓支架和作為充填墻的直線式充填液壓支架組成［3］。借助條帶開采的減沉理念，將充填材料充填至預(yù)先布置在采空區(qū)的充填袋內(nèi)，待高水充填體凝固后即可起到支撐頂板的作用。

圖6 直線式充填液壓支架與反四連桿充填液壓支架布置

單元式掛袋充填液壓支架的主要結(jié)構(gòu)特點:

(1)反四連桿充填液壓支架采用四柱反四連桿結(jié)構(gòu)，頂梁后部可單獨安裝水平防護板和垂直密封防護板。

(2)直線式充填液壓支架采用套筒伸縮桿式穩(wěn)定結(jié)構(gòu);通過底座前端的銷軸與反四連桿充填液壓支架連接，可以充當(dāng)模板作用。

山西柳林大莊煤礦煤層傾角3～5°，直接頂砂質(zhì)頁巖，直接底為砂巖，煤層平均厚2m。礦壓觀測表明，工作面頂板下沉量最大為80mm，平均24.8mm，上覆巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)充填體對控制頂板下沉起到非常明顯的作用［12］。

4 充填液壓支架發(fā)展展望

4.1 5m以上大采高充填液壓支架

目前，隨著采煤裝備的不斷發(fā)展，在神華集團和陜煤集團已出現(xiàn)多個7m大采高綜采工作面。為了提高采出率，保護地表環(huán)境，實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)的綠色開采，對開采裝備的發(fā)展提出如下展望:

高水充填和膏體充填的充填率較高，但對支架的密封性要求高，且隨著采高的增大，頂梁與頂板的接觸處不容易人工處理，底座與底板之間受充填體的壓力較大，使回采區(qū)與充填區(qū)的密封隔離不容易實現(xiàn)。

矸石充填由于充填工藝簡單，在大采高充填工作面有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)矸石不升井和消滅地表矸石山的目的。

目前大采高充填成套設(shè)備還存在以下問題亟待解決:

(1)充填與開采之間的效率匹配 大采高工作面刮板輸送機中部槽寬度多在1m以上，而懸掛在支架后部的充填刮板輸送機中部槽寬度多為630mm或730mm。

(2)輸送矸石的膠帶機與懸掛在頂梁上的輸送機機頭的搭接問題 輸送矸石的膠帶機沿工作面巷道鋪設(shè)，充填刮板輸送機懸掛在大采高液壓支架頂梁后部，兩者間的高度差通常都在3m以上。

(3)充填刮板輸送機的檢修問題 由于充填刮板輸送機懸掛在大采高液壓支架頂梁后部，在采空區(qū)一側(cè)，距離底板較高，不容易檢修。

4.2 放頂煤充填液壓支架

國內(nèi)充填液壓支架多布置在一次采全高工作面，在放頂煤工作面還未有嘗試，亟待解決放頂煤與充填之間的相互影響。

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