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(guó)礦區(qū)對(duì)開(kāi)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(huì)造成采空區(qū)上方巖層的劇烈移動(dòng)，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(wèn)題[1]。因此，要協(xié)調(diào)煤炭資源開(kāi)采與保護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，促進(jìn)煤炭開(kāi)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(duì)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(duì)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(dòng)，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(kāi)采造成的采區(qū)沉陷災(zāi)害，已成為實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開(kāi)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(duì)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(tái)膠帶運(yùn)輸機(jī)，之后布置一臺(tái)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(shí)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(jiàn)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(shí)進(jìn)行，而不會(huì)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(shí)，安裝在其上的夯實(shí)機(jī)構(gòu)能夠保證對(duì)采空區(qū)的填實(shí)；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(lái)的充填物料轉(zhuǎn)載到多孔底卸式充填輸送機(jī)，及時(shí)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(lái)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(dòng)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(dòng)，直至液壓支架后頂梁后部，啟動(dòng)充填輸送機(jī)開(kāi)始填料，2個(gè)卸料孔為一組，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)卸料孔卸料完成后，第二個(gè)卸料孔開(kāi)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(dòng)支架后部夯實(shí)機(jī)千斤頂推動(dòng)夯實(shí)板進(jìn)行夯實(shí)，夯實(shí)后繼續(xù)啟動(dòng)充填輸送機(jī)，繼續(xù)進(jìn)行卸料。一般需要2個(gè)～3個(gè)卸料、夯實(shí)的循環(huán)過(guò)程，采空區(qū)就會(huì)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(shí)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(shí)。最后，將充填輸送機(jī)向回移至充填作業(yè)面，啟動(dòng)設(shè)備對(duì)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(shí)，先操作充填輸送機(jī)，打開(kāi)機(jī)頭2個(gè)卸料孔，將整個(gè)充填輸送機(jī)輸送帶上的填充口進(jìn)行分組，以4個(gè)為一組，按順序依次打開(kāi)第一組的各個(gè)卸料口進(jìn)行卸料，并在采空區(qū)填料達(dá)到一定高度時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)夯實(shí)機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行夯實(shí)，如此反復(fù)，直到第一組的4個(gè)卸料口卸料、夯實(shí)完成后，打開(kāi)第二組卸料口依次進(jìn)行卸料。按照該流程依次打開(kāi)卸料孔對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充夯實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)采空區(qū)的填實(shí)。

2 固體充填采煤巖層移動(dòng)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(dòng)規(guī)律。

2.1 充填采煤巖層移動(dòng)規(guī)律

在傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采過(guò)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(dòng)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(guò)程中，由于采空區(qū)被固體填充物填實(shí)，對(duì)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(dòng)規(guī)律，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 在煤礦開(kāi)采形成采空區(qū)的過(guò)程中，充填及時(shí)且填實(shí)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(guò)程中，利用固體廢棄物密實(shí)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(guò)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(shí)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(kāi)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(shí)技術(shù)之后，采空區(qū)被填實(shí)，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(dòng)計(jì)算的等價(jià)采高理論

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

圖2 固體充填等價(jià)采高模型

等價(jià)采高計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

HZ=hq+(v-v′)(h-ha)

(1)

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

由圖2及式(1)可知，由于充填無(wú)法接觸頂部、充填體無(wú)法完全壓實(shí)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(méi)壓實(shí)兩個(gè)方面的因素。一般情況下，在充填過(guò)程中頂板會(huì)隨時(shí)間不斷下沉，且在實(shí)際過(guò)程中充填體沒(méi)壓實(shí)的碎脹系數(shù)難以測(cè)定，通過(guò)公式(1)不能計(jì)算出最終的等價(jià)采高數(shù)值。在充填過(guò)程中，上覆巖層的彎曲下沉是一個(gè)緩慢而不間斷變形的過(guò)程，等價(jià)采高可以等效于頂板的最終下沉量。因此，對(duì)公式(1)進(jìn)行修正，見(jiàn)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(chǎng)能夠測(cè)定出來(lái)，而充填體的壓縮量hk一般通過(guò)公式計(jì)算出來(lái)，可表示為式(3)。

hk=η(h-ht-hq)

(3)

式中，η為充填體壓實(shí)率。

將式(2)代入式(3)最終得出等價(jià)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(jià)采高主要受頂板提前下沉量ht、欠接頂量hq、充填體的壓實(shí)率η這3個(gè)參量的控制，通過(guò)獲取這3個(gè)參量數(shù)值就可計(jì)算出等價(jià)采高。

3 結(jié)語(yǔ)

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(shí)際采煤過(guò)程中可通過(guò)控制下沉量ht、欠接頂量hq及壓實(shí)率η，有效地降低了采空區(qū)的等價(jià)采高，從而減小了巖層的移動(dòng)量，并防止了地表塌陷的發(fā)生。