黄越田　吕由

摘  要：现如今，我国经济高速发展，煤矿企业为我国发展做出了很大贡献。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、膏体充填材料组成、以及应用状况，并对5m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：膏体充填;液压支架;设计;应用

引言

膏体充填开采技术是解决“三下一上”压煤等问题的有效开采方法之一。膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，适时充填采空区。膏体充填液压支架是膏体充填开采系统的关键设备之一，合理地选择液压支架工作阻力，可提高开采的经济效益。

1矸石膏体充填工艺

矸石膏体充填原材料包括破碎煤矸石、粉煤灰（两种）、专用胶结料和水等五种物料。充填的过程是一个先将矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封閉采空区空间的过程。充填工艺的流程可以划分为矸石破碎、配比搅拌、管道泵送、充填体构筑等四个基本环节。

（1）矸石破碎。第一步：煤矸石用颚式破碎机进行粗破，出料粒度可以控制在75-100mm;第二步：对经过粗破处理的煤矸石采用振动筛进行筛分，小于25mm部分通过输送机送入成品矸石仓，大于25mm部分送入二级破碎机处理;第三步：采用反击破碎机对筛上，即大于25mm矸石进行细破，使其处理以后粒度全部小于25mm。

（2）配比搅拌。该部分包括称料、投料、搅拌、放浆四个步骤。

（3）管道泵送。在充填系统中，搅拌机搅拌好的料浆先放入浆体缓冲斗，浆体缓冲斗靠浆体自重给充填泵供料，经过充填泵加压后的充填料浆通过管道，由充填站附近的充填钻孔下井，再沿巷道管道输送到充填工作面。

（4）充填体构筑。充填料浆达到自稳需要一定时间，通过铺设搌布辅助充填。

2膏体充填材料组成

膏体充填材料由胶结料、骨料、化学添加剂等材料所组成。

膏体材料中胶结料由水泥、石膏和多种外加剂等配制而成，胶结材料遇水能够快速发生反应产生大量高结晶水化物，可以起到快速凝固并具有一定初期强度的作用;中、后期会生成硅酸钙凝胶等物质，该种物质可保证充填材料后期强度。

骨料分粗骨料和细骨料两种类型。煤矸石通常作为粗骨料，可以提高充填体的和易性，避免发生离析现象;细骨料包括黄土、细沙等材料，能够提高充填膏体的强度、和易性并提高流动性，同时还能减少胶结料的使用量。

3膏体充填液压支架设计与应用

3.1充填方案设计

煤矿膏体充填工作面与普通综合工作面布置基本相似，工作面沿倾斜方向上方为材料巷，可起到通风、运料、行人的作用;运输巷则布置在工作面沿倾向下方，运输巷实现沿空留巷，以作为下工作面材料巷使用。充填管路通过地面钻孔或井筒下井后沿运输巷布置，工作采用充填专用液压支架进行防护，两巷用单体液体支柱进行防护。充填前要用清水充分润湿输浆管，直至清水到达充填工作面为止;安排专业技术人员巡视充填管路，排除跑漏液现象，保持管路畅通。地面制浆站开始下放充填膏体。完成割煤后从工作面按照自下而上的顺序撤回支柱，撤换完毕后在充填巷道两端砌筑厚度约0.6m的挡浆墙，墙四周掏槽深度至少在0.3m以上，如果煤壁松软，则要注意加大掏槽深度;挡墙位于下出口的位置则要良好密闭，以免发生漏水、跑浆。墙外支设一排单体液压支柱，注意支柱与挡浆墙之间必须保持0.2m的间隙，中间再用木板加实，以免发生墙体倾倒或跑浆漏浆的现象;充填上出口砌筑挡浆墙时，要注意预埋注浆管及出气管。最后再对管路进行彻底检查，包括管路、阀门等，以保证不漏浆;充填前后要对管路、阀门等进行清管，工作面上、下两巷均设置沉淀池。

3.2膏体充填材料力学性质

通过对膏体试块单轴压缩，对得到的应力-应变曲线进行分析，试件基本性质与煤岩等材料性质基本类似。

对充填体进行三轴压缩试验，侧向围压对试件承载能力有很大影响，当围压小于充填体试件强度时，充填体表现为应变强化特征，继续加载当应变超过一定值后试件出现塑性软化现象。当围压与充填体强度大致相同时，在试验观察的范围之内没有出现应变软化现象。

根据对泥岩、砂岩、大理岩以及白云岩脆性-延性转化临界围压试验结果，一般侧向压力要大于30MPa，而充填体在较小侧压作用下就转变为应变强化。因此在设计充填参数时，应该保证充填带有足够的宽度，这样在顶底板压力作用下，虽然充填带两侧会出现塑性破坏，但会对中部形成侧向约束，中部构成三向受力条件，可以提高其承载能力，可以减小充填成本。

3.3充填液压支架应用

充填防漏功能的液压支架，采用高强度钢板制作，液压系统采用手动大流量操纵系统，前、后立柱采用前置正四连杆形式，前后排立柱间距合理调整，为充填管道的布置及整体前移和人员行走提供了空间。底座采用半开底式箱型结构，前过桥采用厚度100mm的高强度钢板，配备抬底机构和底调机构，底座的后部整体高起，形成下隔离板，下隔离板的一侧设置有活动侧护板。顶梁采用整体结构，后部铰接有尾梁，顶梁和尾梁的同一侧设置有活动侧护板。尾梁的下部和顶梁的下部连接有液压缸，尾梁可在液压缸的作用下伸出与顶梁在同一水平面形成支护顶板，微量收回时与顶梁成直角状态形成上隔离板，尾梁的中部开设有料管连接孔，需要布置充填管的，将充填管与料管连接孔相连接，不需要布置充填管的可将料管连接孔堵住。

该支架采用钢板直接接触密封结构，顶梁和尾梁采用伸缩板式线接触密封结构尾梁收回时上部与顶梁、下部与底座上部搭接共同实现接触密封，密封结构能适应最大俯采10°要求，相邻液压支架的顶梁、尾梁和底座活动侧护板相互挤压贴合实现密封。

4充填液压支架发展展望

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1m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630mm或730mm。

（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3m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。

5 结语

总之，煤矿开采会带来诸多的环境问题，其中煤矿开采沉陷区即为重要表现之一，因此煤矿开采沉陷区的回填处理是保护生态环境、维持生态平衡的重要途径。充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，也是解决建筑物下大量压煤开采的重要途径。其中膏体充填技术与绿色开采理论相符，可有效防止采空区的塌陷，提高开采安全，能够有效控制开采过程中顶板的稳定性，防止溃砂溃水和顶板事故，防止矿井重特大事故的发生。并能延长矿井服務年限，不仅可提高煤矿企业的经济效益，还具有良好的社会效益。

参考文献

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