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单元式充填液压支架研究 程骏1，王瑜2 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013;2. 中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054 ［ 摘 要］单元式充填支护系统采用条带开采的减沉理念，使用新型充填液压支架，仅需将高 水充填材料注入采空区条带范围内，待充填材料凝固后即可控制顶板及上覆岩层活动。实践证明，上 述方法采煤效率高，充填成本低，能够有效控制地表变形。 ［ 关键词］单元式充填;液压支架;高水材料 ［ 中图分类号］ TD355. 41［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201205- 0043- 03 Research of Supporting System for Cell- stowing CHENG Jun，WANG Yu 1. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co． ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. China Coal Xian Design Engineering Co. ，Ltd. ，Xian 710054，China AbstractAdopting reducing subsidence concept，cell stowing support system applied new- style stowing powered support to transpor- ting high- water stowing material to strip- mining gob． When the stowing material consolidated，movement of roof and overlying strata was controlled． Practice proved that this could effectively control surface deation with high efficiency and low stowing cost． Keywordscell stowing;hydraulic support;high- water material ［ 收稿日期］ 2012－05－11 ［ 基金项目］ 天地科技股份有限公司技术创新基金 KJ－JJ－2011－KCSJ－04 ;中国煤炭科工集团科技创新基金 2011MS014 ［ 作者简介］ 程骏 1982－ ，男，山西晋城人，硕士，工程师，主要从事液压支架的研发。 充填开采是实现煤炭绿色开采的重要途径，可 有效控制顶板下沉，减少 “三下”采煤带来的压 煤问题。目前，国内主要有 3 种形式的充填开采方 法矸石充填、膏体充填和高水材料充填［1 ］。 与其他充填技术相比，高水材料充填技术具有 以下优点充填材料中水的体积约占 95，可利 用重力作用将充填材料通过封闭的充填管路从地面 输送至采空区，简化了其他充填技术所需的庞大充 填系统;高水材料能迅速接顶，提高采空区充填的 饱满度，使凝固后的固结体尽快控制顶板及上覆岩 层活动，从而达到有效减缓地面沉降的目的。 1单元式充填支护系统 单元式充填支护系统由若干个可以满足工作面 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充填开采工作面的支 护单元，若干个充填工作面支护单元组成一个工作 面支护系统，如图 1 所示。直线式充填液压支架的 间距根据工作面的具体条件及充填工艺来确定，一 般在 10m 左右。间距过大，充填袋重量大，不利 于工人井下搬运，袋破后的处理也比较麻烦;间距 过小，未充填区太多，对顶板的支护效果不好。 单元式充填支护系统借助条带开采的减沉理 念，随着工作面向前推进，在采空区构筑相间的充 填条带，即仅在采空区条带范围内布置充填袋，袋 内充入高水充填材料，凝固后对上覆岩层直接进行 支撑。只要保证非充填采空区的宽度小于覆岩主关 键层的初次破断垮距，且充填条带能保持长期稳 定，就可有效控制地表沉陷。 充填高水材料前，通过销轴与直线式充填液压 支架连接的反四连杆充填液压支架需要与同一单元 中相邻的反四连杆充填液压支架滞后一个步距，以 供工作人员进入将充填袋放入待充填的采空区中。 1. 1反四连杆充填液压支架 反四连杆充填液压支架是充填采煤工作面的主 要装备之一，与采煤机、刮板输送机配套使用，起 着支护顶板、提供安全作业空间和充当密封墙的作 用，如图 2 所示。该支架主要由顶梁、四连杆机 构、立柱、水平防护板、垂直密封防护板、底座等 部件组成。其结构特点如下 1采用四柱反四连杆稳定机构。 2底座后部设置密封防护墙，密封防护墙 的一侧设有一个连通充填区的门，方便进入采空 区，另一侧有活动侧护板。 3顶梁后部设有水平防护板和垂直密封防 护板。水平防护板为工作人员提供安全作业空间， 34 第 17 卷 第 5 期 总第 108 期 2012 年 10 月 煤矿开采 Coal mining Technology Vo1. 17No. 5 Series No. 108 October2012 1反四连杆充填液压支架;2直线式充填液压支架 图 1充填工作面支护系统 掩护充填接管作业;垂直密封防护板与底座后部的 密封防护墙搭接，隔挡充填区。 1顶梁;2反四连杆机构;3立柱;4水平防护板; 5垂直密封防护板;6底座;7门 图 2反四连杆充填液压支架结构 反四连杆充填液压支架主要技术参数为高度 2000 ～ 3500mm;中心距 1500mm;宽度 1420 ～ 1590mm;初撑力 4060kN P 31. 5MPa ;工作阻 力 4800kN P 38. 2MPa ;支 护 强 度 0. 57 ～ 0. 64MPa;前端比压 0. 27 ～ 1. 05MPa;泵站压力 31. 5MPa;操作方式为本架控制;重量 16300kg。 1. 2直线式充填液压支架 直线式充填液压支架主要由顶梁、立柱、直线 式伸缩机构、楔形密封挡板、底座等部件组成，具 有支护顶板和隔挡充填区的双重功能，如图 3 所 示，其结构特点如下 1采用四柱伸缩杆式稳定结构。 2直线式充填液压支架底座前端与反四连 杆充填液压支架通过销轴连接，能够随着工作面的 推进不断充当模板作用。 3底座两侧设置楔形布置的密封挡板，顶 梁两侧垂挂呈同样角度的楔形密封挡板，此楔形便 于支护系统与充填体剥离。 4顶梁长度大于 3 个推移步距，可以满足 工作面推进 3 个步距只充填一次的要求。 1顶梁;2立柱;3直线式伸缩机构; 4楔形密封挡板;5底座;6连接销轴 图 3直线式充填液压支架与反四连杆充填液压支架布置 直线式充填液压支架主要技术参数为高度 2000 ～ 3500mm;中心距 1500mm;宽度 1380mm; 初撑力 4060kN P31. 5MPa ;工作阻力 4800kN P 38. 2MPa ;支护强度 1. 33MPa;前端比压 1. 7MPa;泵站压力 31. 5MPa;操作方式为本架控 制;重量 12500kg。 1. 3充填袋 充填袋 见图 4的作用是将高水充填材料保 持在采空区，充填袋的质量优劣以及设计合理与否 直接关系到采空区充填效果。通常，充填袋采用优 质风筒布制作，依据采空区条件及直线式充填支架 的间距来确定长 L宽 W高 H 。此外， 充填袋顶部边缘需要设置出气口和进料口，一般情 况下，设置 1 个出气口即可，而进料口可根据需要 设置 1 ～2 个 ［2 ］。 1. 4充填工艺 充填高水材料前，首先将组成高水材料的各配 料制成浆液，经封闭的运输管路分别输送至充填工 作面附近的混合器中，混合后的高水材料进入预先 在采空区挂好的充填袋里，利用反四连杆充填液压 44 总第 108 期煤矿开采2012 年第 5 期 图 4充填袋 支架后部的密封防护板、直线式充填液压支架两侧 的楔形密封挡板以及已充填采空区三者形成的模 板，凝固约 8h，高水材料即可达到一定支护强度。 2应用情况 采空区充填开采试验工作面长 150m，走向长 1500m，煤层倾角约 12，煤层平均厚 2. 97m，伪 顶为灰色砂质泥岩，直接顶为灰色粗粒砂岩，基本 顶为灰色细砂岩;直接底为泥质粉砂岩。 试验面 2009 年初投入生产至今，平均年产量 0. 45Mt。地 面 观 测 表 明，最 大 倾 斜 变 形 值 为 2. 0mm/m，最大水平变形值为 1mm/m，远小于Ⅰ 级变形临界值，达到了预期效果。矿压观测表明， 周期来压不明显。 3结论 单元式充填支护系统采用条带开采的减沉理 念，通过研发新型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，仅需将高水充填材 料注入设置在采空区条带范围内的充填袋内，利用 充填液压支架的模板作用，待充填材料凝固后即可 控制顶板及上覆岩层活动。 单元式充填支护系统具有充填工程量小，充填 材料少，充填成本低，充填效率高等优点，其充填 效果已得到实践检验，可以大面积推广应用。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 闫少宏，张华兴 . 我国目前煤矿充填开采技术现状 ［J］ . 煤 矿开采，2008，13 3 1－3，10. ［ 2］ 冯光明，王成真，等 . 超高水材料袋式充填开采研究 ［J］ . 采矿与安全工程学报，2011 12 ．［责任编辑徐亚军］ 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 上接 10 页 程度 ［J］ . 油气井测试，1989 2 44－47 . ［ 7］ 缪明才，汪伟英，张公社 . 非自喷油井产能预测方法及应用 ［J］ . 石油与天然气地质，2002，23 2 194－195. ［ 8］ 朱法银，郑国芹 . 油气井表皮系数及其确定 ［J］ . 胜利油田 职工大学学报，2001，15 2 1－3. ［ 9］ 孙培德． 变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究 ［J］ ． 岩石力学与工程学报，2001，20 S 1801－1804． ［ 10］ 许江，鲜学福，杜云贵，等 . 含瓦斯煤的力学特性的实验 分析 ［ J］ ． 重庆大学学报，1993，16 5 42－47． ［ 11］ 陈金刚，秦勇，傅雪海． 高煤级煤储层渗透率在煤层气排 采中的动态变化数值模拟 ［J］ . 中国矿业大学学报，2006， 35 1 49－53. ［ 12］ Clarkson C R，Jordan C L，Gierhart R R，et al. 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