充填協(xié)同垮落式綜采技術(shù)及覆巖移動(dòng)規(guī)律研究

楊炳瑞

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽(yáng)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(lái)處理采空區(qū)，矸石充填可不僅可將廢棄的矸石進(jìn)行回填處理，同時(shí)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(jī)的進(jìn)尺效率等缺點(diǎn)，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(dá)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(jìn)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(jìn)行，達(dá)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(jī)等充填機(jī)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(guò)投料井運(yùn)輸至井下充填段，進(jìn)行采空區(qū)充填。協(xié)同開采工作面可延長(zhǎng)垮落段長(zhǎng)度、提高工作面產(chǎn)量，實(shí)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(duì)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(jī)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(jìn)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(shí)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(dá)到最優(yōu)的協(xié)同開采效果，因此，協(xié)同開采工作面的實(shí)質(zhì)是充填段與垮落段的有機(jī)組合與動(dòng)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(zhǎng)度即為采煤工作面長(zhǎng)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(jìn)，從而使整個(gè)工作面效率降低，協(xié)同開采工作面可有效解決以上問(wèn)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(jì)效益佳。協(xié)同開采工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)，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(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，減小了地面矸石的處理和堆積費(fèi)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)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(gè)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(shí)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(shuō)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(duì)地面矸石進(jìn)行處理時(shí)才會(huì)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(yùn)輸至井下，地面矸石經(jīng)破碎和篩選后，由皮帶機(jī)運(yùn)輸至地面投料口進(jìn)入井下矸石倉(cāng)，之后，通過(guò)矸石下部的給料機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸至指定的充填地點(diǎn)。

2）矸石不升井系統(tǒng)。將井下矸石運(yùn)輸?shù)降孛媸且豁?xiàng)極為耗時(shí)耗力的工作，同時(shí)又可造成地表空間的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，矸石不升井系統(tǒng)可有效解決這些問(wèn)題。矸石不升井系統(tǒng)是在井下進(jìn)行矸石的破碎、分選等工作，將洗選后的矸石直接運(yùn)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(yùn)輸量大的問(wèn)題，另一方面可避免矸石造成的環(huán)境污染。

3）矸石破碎運(yùn)輸系統(tǒng)。協(xié)同綜采工作面對(duì)充填的矸石粒徑有一定的要求，井下矸石破碎運(yùn)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(shí)、定量的運(yùn)送至充填地點(diǎn)。

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(jī)的推進(jìn)，后方一邊進(jìn)行充填作業(yè)、一邊進(jìn)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(jī)械設(shè)備來(lái)完成一系列的工序，因此，機(jī)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(jī)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(jī)、刮板輸送機(jī)、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(guò)度液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)和底卸式輸送機(jī)等。協(xié)同綜采工作面的機(jī)械設(shè)備需根據(jù)實(shí)際充填情況進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)行選型設(shè)計(jì)，同時(shí)，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(shí)實(shí)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(shí)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(guò)渡液壓支架和傳統(tǒng)綜采液壓支架，在移架時(shí)，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(dòng)特征

協(xié)同綜采面由于其獨(dú)特的布置方式，必然導(dǎo)致其覆巖移動(dòng)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(jìn)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(shí)度較低時(shí)，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(shí)度較高時(shí)，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(dòng)對(duì)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(gè)“過(guò)渡區(qū)域”，其覆巖的移動(dòng)規(guī)律受充填區(qū)和垮落區(qū)覆巖移動(dòng)特性的影響，但并不是兩者之間的簡(jiǎn)單疊加，而是相互影響，相互作用，過(guò)渡區(qū)域覆巖的移動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jī)組合、充填效率高和經(jīng)濟(jì)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(duì)比傳統(tǒng)的垮落法開采、充填開采的工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律，指出協(xié)同綜采面覆巖存在一個(gè)“過(guò)渡區(qū)域”。