综合机械化固体充填采煤矿压控制原理

李 超

(山西煤炭进出口集团有限公司，山西太原037000)

0 引言

在煤矿生产过程中，充填采煤技术已经得到一定的应用，在水砂充填、风力充填、膏体充填、废石充填等方面均取得了一定的成绩。但是针对煤矿生产的现有水平而言，任何一种有价值的采煤技术都要具有低成本、高效益、安全性高等特点，这样才可以促进煤矿事业的可持续发展。目前，综合机械化固体充填采煤技术就是一种非常适用的方法，值得深入分析与研究。

1 综合机械化固体充填采煤技术概述

1．1 采煤技术原理与方法

综合机械化固体充填采煤就是在综合机械化采煤作业面上同时进行综合机械化固体充填作业。充填采煤技术的重点就是有效解决充填空间、动力、通道等问题。针对水砂充填而言，其动力就是水，通过相关的管道，将沙运输到采空区;针对风力充填而言，其动力就是风，主要就是将矸石碾碎，之后通过相关的管道，将粉碎的矸石吹进采空区;针对膏体充填而言，主要就是对细小固体颗粒进行加工，将其制作成膏体，通过相应的管道，利用高压泵，将其送进采空区。这些充填采煤技术对材料来源、成本等方面的要求都比较高，并且因为其技术本身很难和现有综合机械化采煤技术相符合，应用受到了一定的限制。在利用综合机械化固体充填采煤技术时，一定要加强对采煤技术难点的解决，结合实际情况，提出以下三种方法:①拆除传统综合采煤液压支架掩护斜梁，之后用水平短梁代替，在水平短梁掩护空间中充填相应的固体，而不是将固体充填在采空区内。②在运输充填固体时，可以利用带式输送机进行输送，将其运输到掩护短梁下刮板式充填机处，实现充填固体的连续输送。③通常情况下，充填固体均是利用自重，由刮板式充填机上落进掩护短梁掩护空间中，之后进行充填固体的压实，此过程需要在采空区中进行，达到固体的充填密实。

1．2 岩层控制理论

随着地下采煤活动的不断扩展，人们开始对煤炭采煤岩层运动和地表沉陷进行研究，目前，基本形成了岩层运动控制理论与地表沉陷预计理论。理想岩层运动控制主要就是开采出的煤炭可以完全利用固体进行充填，保证岩层不会出现运动的条件，地表也不会出现沉降量，现阶段，还无法利用人工方法予以实现。所以，可以利用等价采高方法计算固体充填，实现岩层运动控制与地表沉陷量分析的效果。

2 综合机械化固体充填采煤矿压控制原理

2．1 综合机械化采煤矿压控制原则

矿压控制就是采场矿压控制。针对矿压控制原则分析，可以从综合机械化采煤液压支架结构特点方面予以阐述，综合机械化采煤液压支架结构示意图如图1所示。

图1 综合机械化采煤液压支架结构示意图

1)确保作业面工作人员的人身安全。在液压支架结构中，支架顶梁可以挡住顶板岩石坠落，并且支架掩护斜梁可以挡住矸石的涌入，在一定程度上，保证了人行通道的安全，进而确保了工作人员的人身安全。

2)对采煤作业面机械运行予以掩护。在液压支架结构中，支架可以保证采煤机械的运行，并且保证整个煤壁以内空间的稳定，实现了采煤作业的高效性与安全性。除此之外，保证了作业面最小通风断面的稳定性，同时也可以保证通风的顺畅性，避免出现粉尘污染、火灾等问题。

3)避免作业面周期来压冲击。综合机械化采煤一般比较适合应用在长壁坠落式顶板管理中，作业面矿压控制核心主要就是用来抵御周期来压冲击。所以，支架承载作业阻力主要包括两个方面:初撑力、额定作业阻力，支架承载的超过初撑力以上的阻力均由顶板活动产生。

2．2 固体充填采煤矿压控制原则

分析固体充填采煤矿压控制原则时，可以根据固体充填采煤液压支架结构阐述，固体充填采煤液压支架结构示意图如图2所示。

1)确保作业面工作人员的人身安全。在固体充填采煤液压支架结构中，支架前后顶梁挡住;额顶板岩石的坠落和综合机械化采煤的区别就是，采空区已经被充填物支撑，不会再出现垮塌的情况，所以，可以不用设置相应掩护斜梁。

图2 固体充填采煤液压支架结构示意图

2)强化采煤作业面的机械化与作业面通风。尽管支架需要保证采煤作业面的稳定，但是因为没有相应的周期来压等情况，致使相应的顶板与护壁非常稳定，促进了煤矿生产的可持续发展。同综合机械化采煤作业面相比，因为后顶梁为水平支撑，作业面通风断面已经得到了很大的扩展，除此之外，采空区已经被充填密实，不需要对作业面漏风等情况进行考虑，提高了煤矿生产效率。

3)强化充填作业面的机械化。在煤矿生产过程中，对充填作业面有着一定的要求，一定要予以重视:其一，充填空间一定要具备相应的高度，尽可能保证后顶梁的水平;其二，保证充填输送机的有效运行，同时保证其作业的平直状态，也就是保证架与架之间后顶梁均在同一倾角之内。

由上述内容可以看出，固体充填采煤矿压控制原则和传统综合机械化采煤矿压控制原则，在保证作业面工作人员人身安全与机械化操作稳定性方面，具有着一定的差异，最为明显的差异就是两种支架承载的荷载不同，传统综合机械化采煤的荷载主要就是周期来压引起的被动压力，而固体充填采煤的荷载主要就是自主支撑顶板，尽量减小下沉移动量。

2．3 固体充填采煤等价采高矿压模型

为了可以对长壁采煤矿压理论成果进行直接的利用，在相关规范标准中，提出了计算固体充填采煤矿山压力与岩层移动的等价采高矿压模型。等价采高指的就是实际采高减去充填固体压实之后高度，其等价采高数学表达式为Me=M－Mc+(kc－k0)Mc，式中Me表示等价采高;M表示实际采高;Mc表示充填高度;kc表示充填固体初始压实孔隙率;k0表示最终压实残余孔隙率。

以某矿7606充填采煤作业面为例，其实际采高是2．80 m，实际充填高度是2．65 m，充填固体初始压实孔隙率是5%，最终压实残余孔隙率是1%，那么其等价采高大概是0．25 m。所以，针对此作业面的开采，可以利用等价采高为0．25 m的极薄煤层进行开采，并且对两巷地表沉陷量与采动压力进行计算。当然，也可以利用等价采高对支架被动压力进行计算，但是缺乏一定的实用价值。

3 结语

综合机械化固体充填采煤技术在作业面中可以实现采煤和充填这两项操作，并且可以实现作业面机械化的全面展开。在煤矿生产过程中，加强综合机械化固体充填采煤矿压控制原理的应用，可以保证煤矿生产的安全、可靠，并且在一定程度上促进了采煤技术的发展与进步。所以，一定要加强对综合机械化固体充填采煤矿压控制原理的分析与研究，进一步促进煤矿采煤与充填技术的全面发展，提高煤矿生产效率。

［1］张吉雄，周跃进，黄艳利．综合机械化固体充填采煤一体化技术［J］．煤炭科学技术，2012(11)．

［2］缪协兴．综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析［J］．中国矿业大学学报，2010(6)．

［3］张吉雄，姜海强，缪协兴，等．密实充填采煤沿空留巷巷旁支护体合理宽度研究［J］．采矿与安全工程学报，2013(2)．

［4］缪协兴，张吉雄，郭广礼．综合机械化固体充填采煤方法与技术研究［J］．煤炭学报，2010(1)．