摇 第 35 卷第 9 期 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 Vol. 35摇 No. 9摇

摇 2010 年 9 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Sep. 摇 2010摇

摇 摇 文章编号:0253-9993(2010)09-1413-06

综合机械化充填采煤

刘建功,赵庆彪

(冀中能源集团有限责任公司,河北 邢台摇 054000)

摘摇 要:为了消除煤矿矸石山以及减轻对周边环境的影响,结合安全开采建筑物下大量压煤,进行

了 3 种类型充填采煤试验。 通过对不同充填介质材料实验研究,基本掌握了合理的充填材料配比,各种充填材料的压实度、流变性及风化性等力学特性;研发出采充一体液压支架充填与挤捣实装置

和采充隔离密封机构等具有自主知识产权的核心技术;解决了固体输送系统中的大垂深大投量防

堵、防冲击缓冲泄压等难题,研制了充填料配比、实时来料质量动态调整计算机智能控制系统;优化

了充填工艺与系统成套装备等充填技术参数。关键词:综合机械化;充填采煤;充填材料;采充液压支架;充填工艺;充填系统

中图分类号:TD823郾 7摇 摇 摇 文献标志码:A

收稿日期:2010-06-24摇 摇 责任编辑:柴海涛摇 摇 作者简介:刘建功(1956—),男,山东沾化人,教授级高级工程师,博士生导师,博士。 Tel:0319-2066999,E-mail:jiangong@ gbol郾 com郾 cn

Comprehensive mechanized filling coal miningLIU Jian鄄gong,ZHAO Qing鄄biao

(Jizhong Energy Group Co. ,Ltd. ,Xingtai摇 054000,China)

Abstract:In order to eliminate coal waste dump and reduce the impact on the surrounding environment,combined witha lot of pressure under the building safety coal mining,three types of filling coal mining test were carried out. Throughthe experimental studies of different filling dielectric material,basic mastered reasonable ratio of filling materials,themechanical behavior of various filling materials爷 compactness, rheological,weathering characteristic, and so on; re鄄searched and developed mining and filling integrated hydraulic support,filling and compaction equipment and the seal鄄ing mechanism of mining,filling isolation with the core technology and equipment of independent intellectual property;overcame the puzzle of prevent plugging and impact buffer blowdown with large vertical deep and input in the solidtransportation system,developed the ratio of filling materials,the system of quality intelligent automatic control;opti鄄mized the parameters of filling technology and system package of equipment.Key words:comprehensive mechanized;filling coal mining;filling material;mining and filling hydraulic support;fillingtechnology;filling system

摇 摇 冀中能源集团有限责任公司在河北省内有 38 对

生产矿井,37 座矸石山,堆积量 8 192郾 6 万 t,占地

217郾 2 hm2。 每年矸石产出量约 808郾 8 万 t,利用率只

有 57郾 3% ;电厂粉煤灰每年产出量约 140 万 t,利用

率 67郾 0% 。 由于大部分是投产近 30 a 及以上的矿

井,因此可采储量不足,“三下冶压煤约 11郾 1 亿 t。 为

减少矸石山占用土地以及减轻对周边环境的影响,结合安全开采建筑物下压煤,3 a 多来,冀中能源集团邢

台煤矿、小屯煤矿和陶一煤矿先后与中国矿业大学合

作,采用固体、膏体和超高水充填介质开展建筑物下

综合机械化充填采煤试验[1-5],取得了非常好的效

果。

1摇 充填介质(材料)研究

1郾 1摇 矸石与粉煤灰固体材料

将矸石(粒度<25 mm)与粉煤灰按一定比例混

合配成充填材料,其物理力学特性对物料输送及充填

工艺很重要,特别是充填材料的压实特性及流变特

性[6-8]。 洗选矸石主要成分是石英、高岭土和伊利石

等矿物;粉煤灰主要是非晶物质[2,5,9]。1郾 1郾 1摇 压实特性

压实度 k 是充填材料在压实过程中受外力作用

煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2010 年第 35 卷

而被压实的程度,它用压实后的体积 Vys与原松散状

态下的总体积 Vs 之比来表示,可简化为应变 着 的表

达式,即 k = Vys / Vs = 1 - 着。由试验知,当矸石与粉煤灰配比为 1 颐 0郾 31,压

实力由 1郾 5 MPa 提高到 7郾 5 MPa 时,压实度 k 变化差

值很小(其值 0郾 066)。 表明在此配比下,压实变形量

也非常小。 图 1 是充填材料压实特性曲线。

图 1摇 充填材料压实度随压实力的变化曲线

Fig郾 1摇 The variation curve of filling material compactnesswith compaction strength

由图 1 可知:淤 充填材料的压实度 k 随着压实

力 滓 的增大而减小,特别在初始阶段,压实度 k 的变

化较快;于 在 0 ~ 2郾 5 MPa 范围内,压实度降幅最大;当应力超过 10 MPa 后,压实趋于稳定,压实度值变化

很小,最终维持在 0郾 87;盂 充填材料的密度随着压实

力增大是递增的,在自然松散状态下的密度 1郾 42 t /m3,最终加载至 20 MPa 时为 1郾 65 t / m3。1郾 1郾 2摇 流变特性

按规定选取若干份矸石与粉煤灰进行时间相关

性试验,压力保持在 7郾 5 MPa,得时间相关性特性曲

线,如图 2 所示。

图 2摇 现场充填材料时间相关特性曲线

Fig郾 2摇 Time correlation characteristic curveof field filling material

由图 2 可知,充填材料的变形量主要发生在加载

初期,此阶段的变形量为 8郾 7% ;压力稳定后的变形

量为 2郾 8% ,最终的总变形量为 11郾 5% ;现场采样测

得的充填材料平均含水率为 9郾 18% ,结合现场充填

材料的密度测试结果分析,每采 1 t 煤要充填 0郾 83 t充填材料。

1郾 2摇 矸石膏体材料

1郾 2郾 1摇 煤矸石级配优化

根据现场考察,破碎煤矸石粒径级配考虑了两种

规格,<5 mm 煤矸石和 5 ~ 25 mm 煤矸石。 通过对两

种规格的煤矸石进行实验室优化配比实验,得出:当<5 mm 破碎煤矸石含量在 38% 左右时,膏体充填

材料流动性能较好,且早期和后期强度都相对较高。1郾 2郾 2摇 胶结料对比实验

膏体胶结料亲泥性要好,能在掺量较少条件下固

结各种含泥量煤矸石废弃物[3,9-10]。 为掌握胶结料

的性能,对胶结料(主要原料为水淬渣)和 42郾 5 普通

硅酸盐水泥配制膏体进行了对比实验,实验结果如图

3 所示。

图 3摇 胶结料膏体与 42郾 5 级水泥膏体强度对比

Fig郾 3摇 Comparison of cementing material paste with42郾 5 level cement paste intensity

由图 3 可知,胶结料早期强度高的特性十分明

显,胶结料用量在 60 ~ 150 kg / m3范围内,1 d 龄期膏

体强度为同量水泥膏体的 5 ~ 8 倍,3 d 龄期强度为同

量水泥膏体的 2 ~ 3 倍,7 d 龄期强度为同量水泥膏体

的 1 倍以上。 经改性研究,膏体料浆可泵时间为

2郾 5 h 以上,上强度时间为 4 h,满足了充填工艺要

求。1郾 2郾 3摇 膏体配比选择

在统一坍落度为(250 ±10) mm,静置泌水率小

于 5% ,单轴抗压强度 8 ~ 10 h 不小于 0郾 1 MPa,28 d不小于 1郾 0 MPa 等技术要求下,初步配比实验的质量

浓度控制在 72% ~ 81% 时,配比要求:胶结料 100 ~150 kg / m3,粉煤灰 400 kg / m3,煤矸石 723 ~ 1 084 kg /m3,水 372 ~ 494 kg / m3。1郾 3摇 超高水材料

材料主要由 A、B 两种物料组成。 A 料主要以铝

土矿石膏等独立炼制并复合超缓凝分散剂构成,B 料

由石膏、石灰与复合速凝剂构成[4]。 二者以 1 颐 1 比

例混合使用,材料水体积可达到 97% 。1郾 3郾 1摇 力学特性

图 4 是超高水充填材料水体积为 91% 、92% 、93% 、94% 、95% 、96% 与 97% 等 7 个级别固结体抗

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第 9 期 刘建功等:综合机械化充填采煤

压强度随时间变化的关系曲线。可以看出,超高水充填材料固结体早期强度特征

明显,早期强度 R2h、R4h、R6h、R8h、R1d、R2d、R3d、R7d 分

别占最终强度的 1郾 96% ~ 21% 、4% ~ 26% 、8% ~30% 、15% ~ 35% 、22% ~ 43% 、29% ~ 52% 、36% ~61%和 66% ~ 90% 。 7 d 后强度增长缓慢,水体积

97% 最终强度可达 0郾 66 MPa。 材料的凝结时间在

90 min 内 可 调; 经 试 验, 其 体 积 应 变 范 围 在

0郾 000 75 ~ 0郾 003 00,可认为体积不可压缩,对充填十

分有利。

图 4摇 超高水充填材料固结体各龄期强度随时间的变化曲线

Fig郾 4摇 The variation curves of superhigh water filling materialcumulates in each age strength with time

1郾 3郾 2摇 风化性

超高水固结体由钙矾石、凝胶以及游离水构成,钙矾石是主要物质,当其置于空气中时,与二氧化碳

发生碳化反应,使其崩解,高温状态下( >400 益)钙

矾石也会逐渐分解;而且,水体积越高,质量减轻率越

大,反之越小。 图 5 为不同水体积下充填材料固结体

受风化后各时段强度随时间的变化曲线。

图 5摇 超高水充填材料固结体受风化影响各龄

期强度随时间的变化曲线

Fig郾 5摇 The variation curves of superhigh water filling materialcumulates weather effect to each age strength with time

从中看出,早期强度 R f-2h、R f-4h、R f-6h、R f-8h、R f-1d、R f-2d、R f-3d受风化影响程度较小,7 d 后强度明显下

降,28 d 时抗压强度均<0郾 2 MPa。 上述结果表明,超高水材料不适用于地面(或暴露)环境,只在封闭状

态下固结体是不可逆的。1郾 3郾 3摇 流变特性

研究结果表明,超高水材料单浆流体流变性基本

属无黏性料浆,可视为牛顿流体。 黏度随时间变化对

工程应用不会产生较大影响,这为实施长距离输送提

供了理论基础。A、B 两种浆液混合后,即开始发生反应,混浆体

的流变性随时间发生显著变化,属震凝性时变非牛顿

流体。 试验表明,材料临近凝结时存在拐点,即在极

短的时间内黏度值迅速攀升,混合浆体很快失去流动

性。 因此,输送混浆体时,若初凝时间短,则拐点黏度

值较低,易在临近凝结时发生管路堵塞。

2摇 采充一体化液压支架

超高水材料充填液压支架为普通综采液压支架,本文重点介绍固体和膏体充填液压支架[2,4,10-11]。2郾 1摇 固体充填液压支架

固体充填综采的采煤工序与普通综采基本相同,区别在架后充填与回采要并行作业。 为此,研发了具

有自主知识产权的矸石与粉煤灰直接充填综合机械

化关键设备,其中主要是推挤式采充一体化液压支架

等,实现了采煤与充填平行作业。充填工作主要靠悬挂式充填刮板输送机和液压

推挤装置共同完成。 通过充填刮板输送机卸料孔将

充填物料直接充填入顶板未冒落的采空区内,然后利

用液压推挤装置将充填物料推挤接顶夯实。 该机构

由两个水平油缸、一个调高油缸、一块顶推钢板和两

个立柱构成(图 6)。 调高油缸向上旋转角 23毅,顶推

钢板在水平油缸的推力下压强达到 1郾 8 MPa,推挤力

达 756 kN。

图 6摇 ZZC4800 / 16 / 32 充填液压支架结构

Fig郾 6摇 The structure of ZZC4800 / 16 / 32 filling hydraulic support

2郾 2摇 膏体充填液压支架

“全采全充冶综采[10-11]的工序为“采煤-充填-凝固 /检修冶。 研制膏体充填液压支架基本要求:

(1)工作面采煤作业空间和待充填空间顶板支

护;(2)充填支架前移的同时,还能够继续保持对未

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煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2010 年第 35 卷

凝结固化新充填体的支护作用;(3)充填过程中,要起到隔离充填区的作用,采

煤与充填相互影响小。根据上述要求,研制了采充一体化液压支架,如

图 7 所示。

图 7摇 ZC3800 / 15郾 5 / 28郾 5 型充填液压支架结构

Fig郾 7摇 The structure of ZC3800 / 15郾 5 / 28郾 5filling hydraulic support

充填支架为四柱支撑式,顶梁设有伸缩前梁、护帮板和后伸缩尾梁,采取特殊的四连杆掩护板结构设

计,配合辅助防漏措施,即能起到隔离墙功能,实现了

采煤与充填作业空间顶板一体支护且有效隔离。

3摇 充填系统及工艺研究

3郾 1摇 固体投料系统及工艺

固体充填系统中关键环节是投料系统(图 8)。充填材料采用大垂深(350 m)投料钻孔输送至井下

储料仓,然后通过胶带运输系统运到工作面。 地面由

洗煤厂胶带运输到矸石仓,电厂粉煤灰用罐车运到储

料仓;并设置自动化配比控制系统,投料过程中两种

材料自然混合。

图 8摇 固体充填投料系统

Fig郾 8摇 The system of solid filling put into material

(1) 投料孔及储料仓。 投料孔深 350 m,采用壁

厚 12 mm 的钢管护孔;投料管采用 准510 mm伊12 mm的耐磨钢管;投送能力不小于 450 t / h。 井下储料仓

容积为 520 m3,直径为 3郾 5 m,深度 50郾 0 m。 为防止

堵仓,下部安设了快速起闭装置。(2) 投料系统缓冲和满仓保护装置。 在储料仓

上部设“伞形冶缓冲装置以减小充填材料下投的冲击

力。 缓冲器由铸钢伞架、缓冲弹簧组和底座组成。 为

避免满仓后继续投料造成堵仓,研制了仓位保护及压

力监测等装置,组成了满仓报警系统。工作面充填工艺与采煤并行作业,以充填为主。

充填顺序由充填刮板输送机机尾向机头方向进行,充填和捣实平行作业。 如此反复,直到挤实为止。3郾 2摇 矸石膏体充填系统及工艺

3郾 2郾 1摇 地面充填系统自动化控制

膏体充填系统由矸石破碎子系统、配比搅拌子系

统、管道泵送子系统和井下充填工作面子系统等组

成,工艺要求各子系统协同一致,准确控制,才能够保

证整个系统运转正常和充填质量。 为此,充填站矸石

破碎、配比搅拌和管道泵送等子系统必须实行自动化

控制;监测控制项目有料位、水分、称重、流量和压力

等;自动给料、称量和投料,并显示各种配料称量状

态,称量误差自动修正。3郾 2郾 2摇 膏体加工及充填工序

膏体充填工艺是一个将煤矸石、粉煤灰、胶结料

和水等按照一定比例混合、搅匀,用充填泵输送到井

下充填采空区的过程,充填工艺流程如图 9 所示。

图 9摇 膏体充填系统工艺流程

Fig郾 9摇 The technology flow of paste filling system

管道泵送充填干管选用外层为 Q345 号钢材的

准 219 mm ´10 mm 规格耐磨无缝钢管,耐磨层厚度为

8 mm;充填泵选择德国普茨迈斯特公司 KOS 25100HP 工业泵,功率 2 ´250 kW,最大输送量 150 m3 / h,最高泵送压力 10 MPa 。 在地面充填站附近设立沉淀

池,充填管每隔一段距离设置带盲板的三通,以免发

生故障时充填管道及钻孔堵塞。工作面斜长 120 ~ 150 m,推进长度 630 m,采高

2郾 7 m,可采储量(顶)29郾 5 万 t,采深 410 m。 工作面

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第 9 期 刘建功等:综合机械化充填采煤

充填工艺是每推进 2郾 0 m 充填一次, 充填能力

135 m3,每个循环需充填 645 m3。 待工作面构筑准备

好充填空间后,就进入正式充填阶段。 充填工序:检查准备、灰浆推水、矸石浆推灰浆、正常充填、灰浆推

矸石浆、水推灰浆和压风推水等。3郾 3摇 超高水充填系统及工艺

试验工作面为回收边角煤工作面,长 50 m,煤层

厚度平均 3郾 97 m;煤层倾角 10 ~ 13毅,为倾斜长壁仰

斜开采。3郾 3郾 1摇 充填方法选择

超高水充填方法分为开放式和封闭阻隔式。 为

不影响回采,采用充填能力较大、系统简单、自动化程

度高的开放式充填方法。 在煤层顶板上覆 “三带冶形成“延滞冶期内对采空区进行充填,使已经冒落下来

的松散矸石间隙及其与覆岩间相互导通的部分裂隙

得到充填与胶结,使冒落带未达到“充分冒落冶状态;形成的整体充填结构体,控制上位岩层弯曲下沉带处

于“极不充分冶状态。3郾 3郾 2摇 制浆及充填工艺

制浆设备型号为 NJ72-4D1200,井下制浆系统生

产工艺流程如图 10 所示。

图 10摇 制浆系统与充填工艺流程

Fig郾 10摇 Manufacture slime system and filling technology flow

(1)制浆工艺系统由 A、B 两套系统组成,都由 4套搅拌机、2 套配料装置、2 套卸料装置、添加剂配制

装置和控制系统等组成。 有粉料仓、配料及称量系

统、搅拌系统、卸料系统和储浆系统等 5 个单元构成,采用自动控制技术。

(2)料浆输送系统输送能力按日产 1 000 t,充填

系数 0郾 9,充填时间 5 h 计算,充填系统输送能力设计

为 120 m3 / h;输送设备选择输送能力 70 m3 / h,型号

为 TBW-1200 / 7B 的充填泵;料浆输送管路系统输送

能力要求不低于 2伊60 m3 / h,选择外径 114 mm、壁厚

5 mm 的无缝钢管为浆体输送管。(3)混合系统选用大截面混合管(槽)混合装置。

4摇 试验效果

通过不断优化充填工艺,固体充填采工作面月产

达到 5郾 0 万 t 以上;膏体充填月产达到了 4郾 5 万 t;超高水充填月产 2郾 2 万 t;充填费用控制在 35郾 00 ~103郾 00 元 / t。4郾 1摇 效果分析

4郾 1郾 1摇 矿压观测分析

(1)固体充填矿压观测结果。 淤 工作面液压支

架压力整体偏低,其平均工作阻力仅为 2 657 ~3 252 kN,没有较明显的初次来压和周期来压现象。由此可见,充填开采减弱了工作面的矿压显现;于 工

作面每推进 30 ~ 40 m 时,支架工作阻力会出现整体

明显增高现象,其原因一方面是由于顶板岩层矿山压

力作用下逐步压实了充填体;另一方面是由于在30 ~40 m 时为基本顶的极限跨距,其部分荷载由支架承

担;盂 沿工作面倾斜方向整体压力均值及峰值均表

现为中间低、两端高的现象,因为工作面巷道充填密

实度相对较弱、中部充填较密实,中部压力部分由充

填体承载。充填体压力实测:淤 充填体压力监测仪在工作

面后方 13 ~ 15 m 的范围内方有压力显示,主要是直

接顶板岩层离层下沉速度加快,充填体开始被压实。于 充 填 体 压 力 仪 距 切 眼 40 m 时 最 大 压 力 为

5郾 5 MPa,主要原因是处于较充分采动区域。(2)矸石膏体受力分析。 位于工作面中央处的

充填体受力较小,变化值在 5郾 1 MPa 以下,位于工作

面上下两端部充填体受力相对较大,但最大值不超过

10 MPa,与传统垮落法相比,应力集中现象不明显;顶板动态在线观测结果分析,支架工作阻力总体在

20 MPa 以下波动,顶板比较稳定;从两巷顶底板移近

量观测数据看,超前支承压力不大。(3)超高水充填。 工作面支架工作阻力变化规

律是工作阻力逐渐降低,上覆岩层活动比较平缓,没出现周期来压现象。4郾 1郾 2摇 地表移动变形分析

经计算,固体、膏体和超高水材料充填率分别达

到 93郾 0% 、90郾 5% 、82郾 0% ,超高水充填率低一些是

因为采煤工作面搬家后的采空区未充填,约占比例

11% ,其余 7 %为上覆岩层中未导通裂隙未被充填所

致。 充填采煤试验基本没有对地表的建筑和设施产

生损坏,地表最大下沉量在 16郾 0 ~ 109郾 4 mm。

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煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2010 年第 35 卷

4郾 2摇 安全与环境效益

(1)邢台煤矿 2 号煤自燃发火隐患因为采用固

体充填采煤得到了彻底消除,取代了原来长期充填灰

渣方法,每年节省约 455 万元;(2)陶一煤矿开采 2 号煤时因为上部 1 号煤瓦

斯大量逸出造成工作面瓦斯涌出量大的隐患得到很

好解决,浓度由 0郾 96%降到 0郾 20% ,消除了隅角瓦斯

积聚;(3)充填采煤矿压显现很小,大大改善了巷道支

护及维护条件,小屯煤矿降低维护费用约 106 元 / m;(4)为实施沿空留巷创造了非常有利的条件,为

实行回采工作面“Y冶形通风创造了有利条件;(5)矸石与粉煤灰得到妥善处理,减少占地面积

15郾 6 hm2,不污染环境;(6)基本不破坏煤层上位含水层,实现了保水开

采。

5摇 展摇 摇 望

继续优化采、充工艺,完善充填采煤技术,以提高

回采单产。(1)在固体充填工艺方面要进行悬挂刮板输送

机关键部位抗磨损技术研究,减少故障率;液压推挤

装置推移力和支架后立柱支撑能力应加大。(2)在膏体充填工艺方面继续深入研究充填膏

体材料,以保证材料力学指标稳定可调;支架后尾梁

易弯曲,支护强度应加大,减少顶板下沉量。(3)在充填采煤方面应研究在不同围岩地质条

件下上覆岩层活动存在的共性机理,以完善充填工艺

和相关理论[1,12-13];充填采煤技术可应用在承压水上

开采,以减少对底板扰动深度,也可应用在深井高应

力和有冲击地压倾向矿井,防治冲击地压威胁。

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