充填液压支架的应用及发展展望.pdf

第 1 9卷 第 3期 总第 1 1 8期 2 0 1 4年 6月 煤 矿 开 采 C0AL MI NI NG TECHN0L0GY V o 1 ． 1 9 N o ． 3 S e r i e s N o ． 1 1 8 J u n e 2 0 1 4 充填 液压支架的应用及发展展 望 程骏 天地科技股份有限公司 开采设计 事业 部 ，北 京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 充填开采是提高煤炭资源采 出率、改善矿 区环境、实现煤炭产业高效绿色开采的重 要途径。总结介绍了矸石充填、膏体充填、高水材料充填液压支架与相关装备的结构特点，以及应用 状况，并对 5 m以上大采高工作面和放顶煤工作面的充填成套装备提出思考和研究方向。 [ 关键词] 充填开采；柔模；液压支架 [ 中图分类号]T D 8 2 3 ． 7 ；T D 3 5 5 ． 4[ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 ． 6 2 2 5 2 0 1 4 0 3 0 0 0 1 0 3 Appl i c a t i o n a nd De v e l o pme n t Pr o s pe c t o f Po we r e d Su pp o r t f o r St o wi ng M i ni n g C HENG J u n C o a l Mi n i n g＆ D e s i g n i n g D e p a r t me n t ，T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c tSt o wi n g mi n i n g i s a n i mp o r t a nt a p p r o a c h f o r i n c r e a s i n g c o a l r e s o u r c e mi ne d r a t i o，i mpr o vi n g e n v i r o nme n t a n d r e a l i z i n g h i g h e ffic i e n c y a n d g r e e n mi n i n g o f c o a l i nd u s t r y ．Th i s pa p e r i n t r o d u ce d s t r uc t u r e c h a r a c t e ris t i c s a n d a p pl i c a t i o n s t a t us o f g a ng u e s t o wi n g， pa s t e s t o wi n g，hi g h wa t e r ma t e r i a l s t o wi n g a nd t h e i r r e l e v a nt e q ui pme n t s ．F o r 5m a nd o v e r 5m l a r g e mi n i ng h e i g h t mi ni n g f a c e a n d t o p c o a l c a v i n g f a c e，i t t h o u g h t o v e r s t o wi n g o u t fit a nd pu t f o r wa r d r e s e a r c h t e n d e nc y． Ke y wo r d s s t o wi n g mi n i n g ；fl e x i b l e mo d e l ；p o we r e d s u p p o rt 充填开采是 随着 回采工作面的推进 ，用矸石 、 膏体、高水等充填材料将采空区充满，通过充填体 支撑上覆岩层 ，达到减少地表采动影响，实现资源 开发与环境保护协 同发展。 近十年来 ，针对不同开采条件 ，部分煤矿企业 和科研 院所积极探索并实施 了固体矸石充填 、膏体 充填、高水材料充填等充填开采技术和装备，在山 东 、河北 、河南 、内蒙和陕西等地推广使用 ，取得 良好的社会和环境效益 ，具备了一定 的推广应用条 件 一 。 1 矸石充填液压支架 矸石充填液压支架主要是在顶梁后部悬挂带有 卸料孔 的刮板输送机 如 图 1 ，卸料孔下方均有 由千斤顶控制开关的插板 ，通过操作千斤顶每次打 开 2 3个卸料孑 L 进行矸石充填 ，当矸石充填到一 定高度后 开启 下一批卸料 孔 ，直至充 满整个采 空 区。充填前要顺直悬挂在支架后部的卸料刮板输送 机 ，充填 由工作面机尾向机头方 向进行。 矸石充填液压支架主要有 2种 带夯实机构的 矸石充填液压支架 如图 2 和不带夯实机构 的矸 图 1 卸料刮板输送机 中部槽 石充填液压支架 如图 3 。 主要特点 1 支架采用 四柱正四连杆的结构形式。 2 支架顶梁后部悬挂 带有卸料孔的刮板输 送 机 。 3 带夯实机构 的充填 液压支架充填工艺复 杂，可以在一定程度上提高充填材料的密实度。 4 不带夯实机构 的矸 石充填液压支架通过 悬挂在顶梁上的上挡墙和底座后部的下挡墙起到隔 离工作面和采空区的作用。这种矸石充填支架以消 灭地表矸石 山或矸石不升井为主要 目的 ，对地表下 沉 的控制作用有 限。 河北邢 台矿 7 6 0 6充填开采试验工作面煤层平 [ 收稿日期]2 0 1 3 1 1 0 5 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l l 一 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 0 1 [ 基金项 目] 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 1计划 深部 围岩 自适应支护原理及 系统创成理论 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 2 ；中国煤炭科工集 团科 技创新基金资助项 目 2 0 1 1 MS 0 1 4 [ 作者简介]程骏 1 9 8 2 一 ，男，山西晋城人，硕士，工程师，主要从事液压支架的研发。 [ 引用格 式] 程骏 ．充填液压 支架的应用及发展展 望 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 4 ，1 9 3 l 一 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 1 8期 煤矿 开采 2 o 1 4年第 3期 图2 带夯实机构的矸石充填液压支架 图3 不带夯实机构的矸石充填液压支架 均厚度 2 ． 7 9 m，平均倾 角 9 。 ，煤层顶板 、底板 均 为砂质页岩。该充填工作面采用带夯实机构的矸石 充填液压支架 ，采空区充填率 9 0 ％ 以上，地表下 沉最大值为 2 3 1 m m，工作 面上方受 护体产 生最大 倾斜变形值 0 ． 8 m m ／ m，水平变形值 0 ． 9 m m ／ m，能 够控制在 I 级损害范围内 。 2 膏体充填液压支架 膏体充填就是把煤矿 附近的煤矸石 、粉煤灰 、 炉渣等固体废物在地面加工成无临界流速、不需脱 水 的膏状浆体 ，利用充填泵或重力作用通过管道输 送到井下充填工作面 ，充填至液压支架和辅助隔离 措施形成的封闭采空区中。 膏体充填液压支架 如图4 在摆动梁 、底座 后部均需设置活动侧护板，防止支架架间泄浆 ；支 架顶梁和顶板、底座和底板之间利用柔性泡沫和塑 料布进行简单处理。实践表 明，支架 间隙控制在 5 m m以内，充填过程 中局部有漏浆 现象 ，不会对 工作面产生严重影响 ，可保证充填接顶质量。 图4膏体充 填液压支 架 膏体充填液压支架的主要特点 1 支架采用 四柱正四连杆 的结构形式。 2 摆动梁 和底座下挡墙均需设置活动侧护 3 通过千斤顶 的伸缩 ，摆动梁 既可支 护顶 板又可当作上挡墙使用。 岱庄煤矿 2 3 5 1膏体充填工作 面煤层埋深平均 4 4 0 ． 1 5 m，煤层平均厚度为 2 ． 7 4 m，煤层倾角平均 6 。 。煤层顶板、底板均为粉砂岩。根据岱庄煤矿充 填量统计 ，截止 2 0 1 0年 1 2月底 ，2 3 5 1充填工作 面平均充填率高达 9 5 ％，地表最大下沉量 1 4 0 mm， 工作面上方受护体 产生最大倾斜 变形处 于 1 ． 1～ 1 ． 9 m m／ m之间，能够控制在 I 级损害范围内 。 3 高水充填液压支架 高水充填材料 中水 的体积可 占 9 0 ％ 以上 ，流 动性好 ，对支架架间、支架顶梁与顶板 、支架底座 与底板间的密封要求较高。目前主要有高水柔模充 填与单元式挂袋充填 2种方式 。 3 ． 1 高水柔模充填液压支架 高水柔模充填液压支架 如图 5 主要通过上 挡墙挤压顶梁来密封顶模和底模 ，其中顶模和底模 分别沿采空区顶板和底板铺设 ，通过手动缝纫机和 胶棒沿工作面接长 和密封 。充填 时利用重力作 用将高水充填材料沿封闭管道将充填材料从地面输 送至采空 区的密闭柔模空 间内，8 h后 充填材料膨 胀凝 固，起到支撑顶板和上覆岩层 的作用。 1 ， 3 4 1 一 充填支架 ；2 一上挡墙 ；3 -- 顶模 ；4 一 充填墙 ； 5 一底模 ；6 --下挡墙 ；7 一充填管 图5 高水柔模充填液压支架 高水柔模充填液压支架主要特点 1 支架架 型为 四柱支撑式 ，稳定 机构采用 套筒伸缩杆机构。 2 顶梁后部 、上挡墙顶部装有橡胶板 ，通 过上挡墙挤压顶梁后部可夹紧柔模 ，防止高水充填 材料泄漏 。 3 通过上挡墙上 的椭 圆孔可将充填材料注 入密闭柔模空间内。 榆阳煤矿 2 3 0 7充填工作面长度 1 6 0 ． 8 m，煤层 埋深平均 1 9 0 m，煤层平均厚度约 3 ． 6 m，煤层倾角 平均 0 ． 6 。 。煤层顶板 以中粒 、细粒砂 岩为主 ，底 板 以泥岩、粉砂岩为主。根据榆 阳煤矿充填量统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 程俊充填液压支架的应用及发展展望 2 0 1 4年第3期 计 ， 截至 2 0 1 3年 1 1 月底 ，2 3 0 7充填工作面平均充 填率高达 9 8 ％ ，地表最大下沉量 5 3 ram，工作面上 方受护体产生最大水平变形值为 0 ． 1 9 m m ／ m，最大 倾斜变形值为0 ． 5 8 m m ／ m，能够控制在 I 级损害范 围内。 3 ． 2 单元式挂袋充填液压支架 单元式挂袋充填液压支架 如 图6 由可以满 足工作面综采功能要求的反四连杆充填液压支架和 作为充填墙 的直线式 充填液压支架 组成 ] 。借 助 条带开采的减沉理念 ，将充填材料充填至预先布置 在采空区的充填袋内，待高水充填体凝固后即可起 到支撑顶板的作用 。 1 一反 四连杆充填液压支架 ； 2 一 连接销 轴 ； 3 一直线式充填液压 支架 图 6 直线式充填液压支架 与反 四连杆充填 液压支架布置 单元式挂袋充填液压支架的主要结构特点 1 反四连杆充填 液压支架采用 四柱反 四连 杆结构 ，顶梁后部可单独安装水平防护板和垂直密 封防护板 。 2 直线式充填液压 支架 采用套筒伸缩杆 式 稳定结构 ；通过底座前端的销轴与反 四连杆充填液 压支架连接 ，可以充当模板作用 。 山西柳林大庄煤矿煤层倾角 3～5 。 ，直接顶砂 质页岩 ，直接底为砂岩 ，煤层平均厚 2 m。矿压 观 测表 明，工作 面顶 板 下沉量 最 大为 8 0 m m，平 均 2 4 ． 8 mm，上覆岩层处于稳定状态 ，采空 区充填 体 对控制顶板下沉起到非常明显 的作用 。 4 充填液压支架发展展望 4 ． 1 5 m 以上大采高充填液压支架 目前 ，随着采煤装备的不断发展 ，在神华集 团 和陕煤集 团已出现多个 7 m大采高综采工作面。为 了提高采出率 ，保护地表环境 ，实现煤炭产业的绿 色开采 ，对开采装备的发展提 出如下展望 高水充填和膏体充填的充填率较高 ，但对支架 的密封性要求高 ，且随着采高的增大 ，顶梁与顶板 的接触处不容易人工处理 ，底座与底板之间受充填 体 的压力较大 ，使 回采区与充填区的密封隔离不容 易实现 矸石充填 由于充填工艺简单 ，在大采高充填工 作面有一定的应用基础 ，可以实现矸石不升井和消 灭地表矸石山的目的。 目前大采高充填成套设备还存在以下问题亟待 解决 1 充填与开采之 间的效率 匹配 大采高工 作面刮板输送机中部槽宽度多在 1 m以上 ，而悬挂 在支架 后 部 的充 填刮 板输 送 机 中部 槽 宽度 多 为 6 3 0 m m或 7 3 0 ram。 2 输送矸石的胶带机与悬挂在顶梁上的输 送机机头的搭接问题输送矸石的胶带机沿工作面 巷道铺设 ，充填刮板输送机悬挂在大采高液压支架 顶梁后部 ，两者间的高度差通常都在 3 m以上 。 3 充填刮板 输送机 的检修 问题 由于充填 刮板输送机悬挂在大采高液压支架顶梁后部 ，在采 空区一侧 ，距离底板较高 ，不容易检修。 4 ． 2 放顶煤充填液压支架 国内充填液压 支架多布置在一次采全高工作 面 ，在放顶煤工作面还未有尝试 ，亟待解决放顶煤 与充填之间的相互影响。 [ 参考文献] [ 1 ]王国法． 煤炭 安全 高 效绿 色 开采 技术 与 装备 的 创新 和 发展 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 3，1 8 5 1 5 ． [ 2]钱 鸣高 ，许 家林 ，缪协兴 ．煤矿 绿色开采技 术 [ J ]．中国矿 业 大学学 报 ，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 - 3 4 8 ． [ 3 ]缪协 兴 ，钱 鸣 高 ．中国煤 炭 资源 绿 色开 采研 究 现状 与展 望 [ J ]．采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 9 ，2 6 1 1 1 4 ． [ 4 ]张吉雄 ，缪协兴 ，茅献彪 ，等 ．建 筑物下 条带开 采煤柱 矸石 置换 开采 的研 究 [ J ]．岩 石 力学 与 工程 学 报，2 0 0 7 2 6 2 6 8 7 -2 6 9 3 ． [ 5 ]张吉雄 ，缪协兴 ，郭广礼 ．矸 石 固体 废物 直 接充填 采煤 技术 发展 现状 [ J ]．采矿与安全工程学报 ，2 0 0 9，2 6 4． [ 6 ]张文海 ，张吉雄 ，赵计生 ，等 ．矸石 充填 采煤工 艺及配 套设 备研究 [ J ]．采矿与安全工程学报 ，2 0 0 7 ，2 4 1 7 9 8 3 ． [ 7 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