宋 超

(同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038300)

目前，我國礦區(qū)對開采后的采空區(qū)基本上采用的是全區(qū)垮落的處理方法，這種傳統(tǒng)的處理方法會造成采空區(qū)上方巖層的劇烈移動，從而導(dǎo)致地表大面積的沉陷，進(jìn)而造成地面田地及房屋損壞、地下水流失、重金屬等污染物流入地下水中等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[1]。因此，要協(xié)調(diào)煤炭資源開采與保護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，促進(jìn)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)共同平衡可持續(xù)發(fā)展，必須改變對煤礦井下采空區(qū)傳統(tǒng)的處理方法。固體充填采煤技術(shù)采用對采空區(qū)進(jìn)行填埋處理的管理方法,利用煤矸石、粉煤灰等礦區(qū)固體廢棄物填充采空區(qū)，可有效地控制采空區(qū)上方區(qū)域巖層的大幅度移動，防止地表沉陷，既能解決煤礦固體廢棄物的排放難題,又能減少因開采造成的采區(qū)沉陷災(zāi)害，已成為實現(xiàn)煤礦綠色開采的重要途徑之一[2-3]。

1 固體充填采煤技術(shù)

固體充填采煤技術(shù)將采煤技術(shù)與填充技術(shù)相結(jié)合，以矸石、煤灰、黃土等礦區(qū)固體廢棄物為主要充填材料，在不影響采煤作業(yè)的前提下，采用特殊的工作面布置、前采后填的作業(yè)方式，將填充材料安全快速填入采空區(qū)，對采空區(qū)頂板進(jìn)行有效的支撐，防止頂部巖層大幅度下沉，甚至垮落。

1.1 固體充填采煤工作面布置及關(guān)鍵設(shè)備

固體充填采煤工作面的布置方式：固體充填物由地面間運(yùn)輸系統(tǒng)及物料提升系統(tǒng)運(yùn)送到井下，在回風(fēng)巷內(nèi)布置一臺膠帶運(yùn)輸機(jī)，之后布置一臺自移式轉(zhuǎn)載機(jī)，然后，再經(jīng)由多孔底卸式充填輸送機(jī)，多孔底卸式充填輸送機(jī)布置在充填采煤液壓支架后頂梁下方及采空區(qū)的上方，采煤液壓支架底座上的安裝有夯實機(jī)構(gòu)，采煤液壓支架一側(cè)為采煤工作面，另一側(cè)為充填工作面，分別位于前后面，充填工作面即布置在支架后面的采空區(qū)。具體見圖1。在這種工作面布置方式中，充填采煤液壓支架的前部頂梁機(jī)構(gòu)為采煤作業(yè)進(jìn)行支護(hù)，后部頂梁為充填作業(yè)進(jìn)行支護(hù)，使得充填與采煤作業(yè)可同時進(jìn)行，而不會互相造成影響。

圖1 充填采煤工作面布置方式

固體充填采煤工作面關(guān)鍵設(shè)備有：充填采煤液壓支架、多孔底卸式充填輸送機(jī)和自移式轉(zhuǎn)載輸送機(jī)。其中，充填采煤液壓支架為采煤及充填工作面起到支護(hù)作用，保證足夠的安全作業(yè)空間，同時，安裝在其上的夯實機(jī)構(gòu)能夠保證對采空區(qū)的填實；自移式轉(zhuǎn)載輸送機(jī)為中間運(yùn)輸環(huán)節(jié)，主要是將從膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送來的充填物料轉(zhuǎn)載到多孔底卸式充填輸送機(jī)，及時保證工作面的順利推進(jìn)；多孔底卸式充填輸送機(jī)主要用于將運(yùn)送來的固體充填物充填入采空區(qū)，完成填充作業(yè)。

1.2 固體充填采煤工藝

固體充填采煤技術(shù)工藝流程根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)行方向不同分為兩種不同的流程。

1) 采煤機(jī)從多孔底卸式充填輸送機(jī)機(jī)尾向機(jī)頭移動采煤。

具體流程為：自移式轉(zhuǎn)載輸送機(jī)將廢棄物填充物料運(yùn)送到位，將物料卸載到多孔底卸式充填輸送機(jī)，多孔底卸式充填輸送機(jī)向采空區(qū)充填作業(yè)面移動，直至液壓支架后頂梁后部，啟動充填輸送機(jī)開始填料，2個卸料孔為一組，當(dāng)?shù)谝粋€卸料孔卸料完成后，第二個卸料孔開始卸料，采空區(qū)填料達(dá)到一定高度后，停止卸料并關(guān)閉該組卸料孔，啟動支架后部夯實機(jī)千斤頂推動夯實板進(jìn)行夯實，夯實后繼續(xù)啟動充填輸送機(jī)，繼續(xù)進(jìn)行卸料。一般需要2個～3個卸料、夯實的循環(huán)過程，采空區(qū)就會被全部填滿。完成一輪充填后，將多孔底卸式充填輸送機(jī)后移，操作夯實機(jī)構(gòu)把采空區(qū)底板上的填充物向上推起，保證充填體填滿采空區(qū)并填實。最后，將充填輸送機(jī)向回移至充填作業(yè)面，啟動設(shè)備對后面的采空區(qū)繼續(xù)充填。

2) 采煤機(jī)從多孔底卸式充填輸送機(jī)機(jī)頭到機(jī)尾方向割煤。

具體工藝流程為：在采煤機(jī)割完煤時，先操作充填輸送機(jī)，打開機(jī)頭2個卸料孔，將整個充填輸送機(jī)輸送帶上的填充口進(jìn)行分組，以4個為一組，按順序依次打開第一組的各個卸料口進(jìn)行卸料，并在采空區(qū)填料達(dá)到一定高度時，同時啟動夯實機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行夯實，如此反復(fù)，直到第一組的4個卸料口卸料、夯實完成后，打開第二組卸料口依次進(jìn)行卸料。按照該流程依次打開卸料孔對采空區(qū)進(jìn)行填充夯實，從而實現(xiàn)對整個采空區(qū)的填實。

2 固體充填采煤巖層移動控制

在固體充填采煤技術(shù)中，充填體成為了采空區(qū)上部巖層的主要承載體，改變了巖層的移動規(guī)律。

2.1 充填采煤巖層移動規(guī)律

在傳統(tǒng)煤炭開采過程中，通常采用全部垮落的頂板控制方法，位于采空區(qū)上方的巖層隨著采煤向前推進(jìn)不斷跨落下沉，在某一固定區(qū)域采空區(qū)上部巖層運(yùn)動變化特征主要體現(xiàn)為垮落帶的形成、裂隙帶的形成及整體彎曲下沉帶的形成；而在充填采煤過程中，由于采空區(qū)被固體填充物填實，對采空區(qū)的上覆巖層起到了支撐作用，避免了上覆巖層的斷裂跨落，因此也就改變了上覆巖層的移動規(guī)律，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 在煤礦開采形成采空區(qū)的過程中，充填及時且填實的情況下，能夠避免形成垮落帶，從而改變了采空區(qū)上部巖層的變化特征。

2) 充填采煤改變了煤采區(qū)域巖層的承壓狀態(tài)。在充填采煤過程中，利用固體廢棄物密實填充采空區(qū)以支撐采空區(qū)上覆巖層，使邊緣巖層受壓變?yōu)槌涮铙w和邊緣巖層共同受壓，上覆巖層所受壓力通過采空區(qū)填充體大部分轉(zhuǎn)移至底板，使其所受壓力得到有效地釋放，控制了頂板的大幅度下沉，同時抑制了采空區(qū)底板向上隆起變形。

3) 采空區(qū)充填可以有效地控制地表的沉陷。按傳統(tǒng)采區(qū)沉陷規(guī)律可知，煤層開采之后采區(qū)巖層遷移變化、破壞程度特征與采高有直接關(guān)系，采高越高變形及破壞程度越大，反之越小。采用固體填實技術(shù)之后，采空區(qū)被填實，相當(dāng)于降低了采區(qū)采高，因而在一定程度上控制住了地表的沉陷。

2.2 充填采煤巖層移動計算的等價采高理論

等價采高理論即，等價采高為采空區(qū)充填前實際高度和采空區(qū)充填后實際高度的差之余。等價采高模型如圖2所示。

圖2 固體充填等價采高模型

等價采高計算公式見式(1)。

HZ=hq+(v-v′)(h-ha)

(1)

式中，HZ為等價采高，m；hq為欠接頂量，m；h為實際采高，m；v為松散系數(shù)；v′為壓實系數(shù)。

由圖2及式(1)可知，由于充填無法接觸頂部、充填體無法完全壓實等因素，最終出煤的厚度即是采高。

但在公式(1)中，僅考慮了充填不接頂和充填體沒壓實兩個方面的因素。一般情況下，在充填過程中頂板會隨時間不斷下沉，且在實際過程中充填體沒壓實的碎脹系數(shù)難以測定，通過公式(1)不能計算出最終的等價采高數(shù)值。在充填過程中，上覆巖層的彎曲下沉是一個緩慢而不間斷變形的過程，等價采高可以等效于頂板的最終下沉量。因此，對公式(1)進(jìn)行修正，見式(2)。

HZ=hd=ht+hq+hk

(2)

式中，hd為最終下沉量，m；ht為頂板提前下沉量，m；hq為欠接頂量，m；hk為充填體的壓縮量，m。

其中，hk、hq在現(xiàn)場能夠測定出來，而充填體的壓縮量hk一般通過公式計算出來，可表示為式(3)。

hk=η(h-ht-hq)

(3)

式中，η為充填體壓實率。

將式(2)代入式(3)最終得出等價采高的表達(dá)式，即式(4)。

Hz=hd=ht+hq+η(h-ht-hq)

(4)

因此，從式(4)可以得出，等價采高主要受頂板提前下沉量ht、欠接頂量hq、充填體的壓實率η這3個參量的控制，通過獲取這3個參量數(shù)值就可計算出等價采高。

3 結(jié)語

固體充填采煤技術(shù)改變了傳統(tǒng)采煤采空區(qū)的處理方法，在實際采煤過程中可通過控制下沉量ht、欠接頂量hq及壓實率η，有效地降低了采空區(qū)的等價采高，從而減小了巖層的移動量，并防止了地表塌陷的發(fā)生。