薄煤层炮采工作面充填采煤方法及相关设备

技术领域

本发明薄煤层炮采工作面充填采煤方法及相关设备，属于薄煤层采煤及充填设备技术领 域，具体涉及一种薄煤层炮采工作面充填采煤的方法及相关设备。

背景技术

煤炭开采既为人类生存提供了能源，同时也对人类环境产生了严重负面影响。煤炭开采 不仅在井下形成采空区，造成地表面塌陷，使地面建筑及公路损坏，而且大量废弃物(矸石占 主要)从井下排出，一是需要占用大量的土地，二是矸石山自燃又严重污染环境。因此传统的 煤炭开采方法面临着挑战。钱鸣高院士等我国学者提出煤炭绿色开采的新概念，〔矿区绿色开 采技术，中国矿业大学出版社，2002年3月〕孙恒虎等提出高水材料充填技术〔当代胶结充 填技术，冶金工业出版社，2008年3月〕，缪协兴等提出固体废物充填技术〔综合机械化固 体废物充填采煤方法与技术，中国矿业大学出版社，2010年12月〕，冀中能源邢台矿等矿井 进行了废弃物充填开采的研究和工业型试验，并取得了成功。即：把废弃物(矸石)充填到煤 炭的采空区，使废弃物(矸石)不再需要升井。煤炭采空区被充填的废弃物(矸石)充满后，就 不会造成地表面的塌陷，从而解决了废弃物(矸石)升井形成废弃物(矸石占主要)山占地及污 染环境，地表面塌陷造成的地面建筑物及公路的损坏。

但上述研究和工业型试验只在2米以上煤层中进行，薄煤层(1.3米以下)由于开采存在： 煤层厚度变化大；操作空间小，工作环境差，效益低等原因。固体废物充填目前尚属空白， 特别是含硬质夹矸的不能使用采煤机的薄煤层炮采工作面。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种薄煤层炮采工作面充填采煤方法及相关设备， 适用于1.3m以下的薄煤层炮采工作面充填采煤。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：薄煤层炮采工作面充填采煤方法，包 括采煤和充填，在同一液压支架掩护下采煤与充填平行作业。

薄煤层炮采工作面充填采煤方法按下述步骤进行：

第一步，掘出原煤运输巷和固体充填材料运输巷；并切眼，形成通风系统；

第二步，在原煤运输巷内安装第一输送机，在开采工作面上至少安装一个液压支架，在 液压支架的前方安装第二输送机，第一输送机通过运煤转载机与第二输送机连接。

第三步，在固体充填材料运输巷安装第三输送机，在开采工作面上安装的液压支架后方 安装固体充填物料刮板输送机，第三输送机通过桥式转载机与固体充填物料刮板输送机连接。

第一输送机、第二输送机和第三输送机或为刮板输送机，或为胶带输送机。

第三输送机通过投料井与地面固体充填材料输送系统连接，地面固体充填材料输送系统， 包括：堆积场所、地面固体充填材料仓和投料井；采用装卸机械把固体充填材料从堆积场所 输送到装料漏斗，通过安装在装料漏斗下方的破碎机进行破碎，再通过第四输送机输送到地 面固体充填材料仓，再通过安装在地面固体充填材料仓下方的第五输送机输送到投料井，最 后通过投料井进入第三输送机。

第四输送机和第五输送机或为刮板输送机，或为胶带输送机。

充填工艺流程为：由固体充填物料刮板输送机将固体充填物料输送至液压支架后端进行 充填，充填顺序是由固体充填物料刮板输送机机尾向机头方向进行，当前一个挡料板落下卸料 到一定高度后升起，然后下一个挡料板落下，随即启动前一个挡料板所在的液压支架后部的 夯实机构，对已卸下的固体充填材料进行夯实，直到夯实为止。当整个开采工作面全部充满， 停止第一轮充填，将固体充填物料刮板输送机拉移一个步距，用夯实机构把固体充填物料刮 板输送机卸下的充填料全部推到液压支架后上部，使其接顶并压实，最后开启所有的挡料板， 对固体充填物料刮板输送机的机头进行充填，第一轮充填完成后将固体充填物料刮板输送机 推移一个步距至液压支架前部，开始第二轮充填。

一种根据本发明设计的液压支架，包括：顶梁、支柱和底座，顶梁包括前顶梁和后顶梁， 前顶梁与后顶梁铰接成一体，前探梁通过导向滑块机构安装在前顶梁的前端，前探梁呈上翘 结构；前顶梁下部安装有挡煤板，挡煤板包括上挡煤板和下挡煤板，上挡煤板铰接在前顶梁 的下部，上挡煤板与安装在前顶梁下部的推移装置连接，下挡煤板固定安装在第二输送机靠 近液压支架的底座的槽帮上，液压支架的底座后部安装有夯实机构，夯实机构下方安装有伸 缩装置，伸缩装置前端连接有固体充填物料刮板输送机。

一种根据本发明设计的固体充填物料刮板输送机，包括：电机、减速机、机头链轮、挡 料板和机尾链轮，电机通过减速机与机头链轮连接，机头链轮通过链条与机尾链轮连接，在 机头链轮与机尾链轮之间设置有固体物料输送槽，在固体物料输送槽上面设置有挡料板，挡 料板呈“凹”字结构，挡料板的下部铰接在固体物料输送槽上，挡料板的上部与液压油缸的 前端铰接，液压油缸的后端铰接固体物料输送槽。

一种本发明设计的桥式转载机，包括：机头部分、中间部分和机尾部分，机头部分设置 有支撑柱，支撑柱为液压油缸；机尾部分与第三输送机机尾部分重叠搭接，在第三输送机机 尾部分的H架下方前后设置有滑道，机尾部分、中间部分、机头部分均放置在滑道上面，在 第三输送机机尾部分的H架上安装有拉移装置，拉移装置通过拉移链与桥式转载机连接。

本发明同现有技术相比具有的有益效果是：

本发明通过设计薄煤层炮采工作面充填采煤方法及相关设备，可实现1.3米以下的薄煤 层充填采煤，本发明的固体充填物料运输系统，将地面固体充填材料安全高效输送至井下， 并运输至炮采工作面采空区的固体充填材料运输系统，并通过夯实机构夯实。实现薄煤层高 效连续充填采煤。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的设备布置示意图；

图2为本发明的地面固体充填物料运输系统图；

图3为本发明的充填采煤系统布置图；

图4为本发明液压支架的结构示意图；

图5为本发明固体充填物料刮板输送机的结构示意图；

图6为本发明的固体充填物料刮板输送机的挡料板结构示意图；

图7为本发明桥式转载机的结构示意图；

图8为本发明桥式转载机的A-A放大剖视图；

图9为本发明桥式转载机的B-B放大剖视图；

图10为本发明桥式转载机的C-C放大剖视图。

图中；1为液压支架、2为原煤运输巷、3为固体充填材料运输巷、4为第一输送机、5 为第二输送机、6为运煤转载机、7为第三输送机、8为固体充填物料刮板输送机、9为桥式 转载机、10为装卸机械、11为堆积场所、12为装料漏斗、13为破碎机、14为第四输送机、 15为地面固体充填材料仓、16为第五输送机、17为投料井、18为挡料板、19为夯实机构、 20为支柱、21为底座、22为前顶梁、23为后顶梁、24为前探梁、25为挡煤板、26为上挡 煤板、27为下挡煤板、28为推移装置、29为伸缩装置、30为电机、31为减速机、32为机头 链轮、33为固体物料输送槽、34为机尾链轮、35为液压油缸、36为机头部分、37为中间部 分、38为机尾部分、39为第三输送机机尾部分、40为H架、41为滑道、42为拉移装置、43 为拉移链、44为支撑柱。

具体实施方式

如图1所示，薄煤层充填采煤是采煤和机械化固体充填的有机合成。薄煤层炮采工作面 充填采煤方法，与传统炮采工作面相比，薄煤层固体充填采煤可实现在同一液压支架1掩护 下采煤与充填平行作业，薄煤层固体充填采煤的工作面布置方式与传统炮采工作面布置基本 相同，不同之处是在采煤工作面的后方，即在采空区侧，布置充填作业面，再在工作面回风 巷内布置一部固体充填材料输送机，或为胶带输送机或为刮板输送机，将固体充填材料输送 至固体充填物料刮板输送机8上。这种工作面布置方式，可实现充填与采煤在同一工作面中 平行作业。

用于充填采煤的设备的安装按以下步骤进行：

第一步，掘出原煤运输巷2和固体充填材料运输巷3；并切眼，形成通风系统；

第二步，在原煤运输巷2安装第一输送机4，在开采工作面上至少安装一个液压支架1， 在液压支架1的前方安装第二输送机5，第一输送机4通过运煤转载机6与第二输送机5连 接。

第三步，在固体充填材料运输巷3安装第三输送机7，在开采工作面上安装的液压支架1 后方安装固体充填物料刮板输送机8，第三输送机7通过桥式转载机9与固体充填物料刮板 输送机8的连接。

第一输送机4、第二输送机5和第三输送机7或为刮板输送机，或为胶带输送机。

薄煤层炮采工作面充填采煤技术的基本思想是将地面或井下的废弃物如矸石、粉煤灰、 建筑垃圾、黄土、风积沙等用做充填材料，井下掘进废弃物矸石等通过破碎等处理后可以直 接运输至工作面进行充填。

如图2所示，一般固体充填材料(矿区固体废弃物)需从地面运至充填工作面，因此需 要布置一套从地面固体充填物料运输系统。该运输系统通过投料井17与第三输送机7连接， 通过若干转载系统，最后将固体充填材料送入固体充填物料刮板输送机8，再由固体充填物 料刮板输送机8的挡料板18卸入采空区，最后经液压支架1后部的夯实机构19进行夯实。

地面固体充填材料输送系统，包括：堆积场所11、地面固体充填材料仓15和投料井17； 采用装卸机械10把固体充填材料从堆积场所11输送到装料漏斗12，通过安装在装料漏斗12 下方的破碎机13进行破碎，再通过第四输送机14输送到地面固体充填材料仓15，再通过安 装在地面固体充填材料仓15下方的第五输送机16输送到投料井17，最后通过投料井17进 入第三输送机7。

以矸石山矸石运输至投料井17为例介绍地面固体充填材料输送系统。矸石在地面运输过 程中可能会出现以下问题：①矸石在地面堆积时间较长。受空气湿度、降雨、风吹日晒等自然 因素的影响严重，粒度微小的矸石颗粒经过长期侵蚀，可能会黏结在胶带输送机上；同时， 湿度较大也会影响矸石的力学性能，进而影响充填效果。②矸石山矸石粒度不均匀，粒径较 大的矸石如直接投放入投料井17，容易造成投料井17堵塞。③地面运输系统管理不当，会 造成地面投料量与井下使用量不均衡，影响井下生产。

针对以上问题，采取以下方式进行解决：①搭建地面运输走廊，保护地面运输系统，以避 免矸石等固体充填材料受到降雨等自然因素的影响；②在地面运输系统中增加破碎环节，对粒 径较大的矸石进行破碎；③设置地面投料控制室，对地面输送系统进行控制，协调地面投料量 与井下使用量之间的关系。

一般地面固体充填材料输送系统分为3个环节：①将固体充填材料装载至装料漏斗12。 此环节主要采用装卸机械10，把固体充填材料转载装料漏斗12。②对固体充填材料进行破碎。 固体充填材料通过输送机运输至破碎机13或者可以通过在装料漏斗12下直接安装破碎机13， 通过破碎机13进行破碎。③运输至投料井17。破碎后的固体充填材料可以直接通过运输机 输送至投料井17，此时要有控制系统对固体充填材料的运输速度进行控制，在必要的情况下 需要设置地面固体充填材料仓15，再通过若干个运输系统进入投料井。

如图3所示，薄煤层固体充填采煤系统布置，其中运煤、运料、通风、运矸路线如下：

运煤路线：充填采煤工作面→运输平巷→运输上山→运输大巷→运输石门→井底 煤仓→主井→地面。

运料路线：副井→井底车场→辅助运输石门→辅助运输大巷→采区下部车场→轨 道上山→采区上部车场→回风平巷→充填采煤工作面。

新风路线：副井→井底车场→辅助运输石门→辅助运输大巷→轨道上山回风 平巷→充填采煤工作面。

乏风路线：充填采煤工作面→回风平巷→回风石门→风井。

运矸石路线：地面→固体物料垂直输送系统→井底车场→辅助运输石门→辅助运 输大巷→轨道上山→回风平巷→充填采煤工作面。

薄煤层炮采工作面充填采煤方法工艺包括采煤工艺与充填工艺。采煤工艺和普通炮采工 作面相同，其充填工艺流程为：在炮采工作面将固体充填物料刮板输送机8移至液压支架1 后顶梁23后部进行充填。充填顺序由固体充填物料刮板输送机8机尾向机头方向进行，在未 充填时，固体充填物料刮板输送机8的挡料板18均为开启状态或升起状态，当前一个挡料板 18关闭卸料到一定高度后升起，关闭下一个挡料板18卸料，随即启动前一个挡料板18所在 支架后部的夯实机构19推动夯实板，对已卸下的固体充填材料进行夯实。如此几个循环，直 到夯实为止。当整个工作面全部充满，停止第一轮充填，将固体充填物料刮板输送机8拉移 一个步距，移至支架后顶梁23后部，用夯实机构19把固体充填物料刮板输送机8卸下的充 填料全部推到液压支架1前上部，使其接顶并压实，最后开启所有挡料板18，对固体充填物 料刮板输送机8的机头进行充填。第一轮充填完成后将固体充填物料刮板输送机8推移一个 步距至支架后顶梁23后部，开始第二轮充填；

薄煤层炮采工作面充填采煤方法实现在同一工作面中充填与采煤并举的核心装备是液 压支架1。众所周之，实现固体充填采煤的3大要点是：空间、通道和动力，而在薄煤层炮 采工作面充填采煤方法的工作面布置方式中：(1)液压支架1与传统液压支架相比，拆除了 传统液压支架的掩护后顶梁，代以水平后顶梁23，可将固体充填材料直接冲入水平后顶梁23 掩护空间内，而不是采空区；(2)由桥式转载机9将固体充填材料运至铺设在水平后顶梁23 下面的固体充填物料刮板输送机8，形成固体充填材料的连续输送通道；(3)固体充填材料 由挡料板18从固体充填物料刮板输送机8上卸入后顶梁23的掩护空间内，再由夯实机构19 将固体充填材料向采空区夯实，实现固体充填材料密实充填。同时为使爆破抛出的煤落入底 座21前安装的输送机上，在液压支架1的前顶梁22下设挡煤板25。

如图4所示，满足实现固体充填采煤的3大要点设计的液压支架1包括：顶梁、支柱20 和底座21，其主要结构是：顶梁包括前顶梁22和后顶梁23，前顶梁22与后顶梁23铰接成 一体，前顶梁22前端套装有前探梁24，前探梁24通过导向滑块机构安装在前顶梁22的前 端，前探梁24呈上翘结构；未伸出时略低于前顶梁22平面，伸出过程中逐渐上抬，以便具 有良好的接顶性能，前顶梁22下部安装有挡煤板25，挡煤板25包括上挡煤板26和下挡煤 板27，上挡煤板26铰接在前顶梁22的下部，上挡煤板26与安装在前顶梁22下部的推移装 置28连接，下挡煤板27固定安装在第二输送机5靠近液压支架1的底座21的槽帮上，上 挡煤板26可以在不放炮时，通过推移装置28可向上翻起至水平位置，以便形成人行通道， 放炮时，上挡煤板26通过推移装置28恢复和前顶梁22垂直位置，并和下挡煤板27重合， 形成封闭墙，使爆破抛出的煤落在运输机上，挡煤板25上设置有等距等直径的泄气孔，以释 放爆破产生的气体。液压支架1的底座21后部安装有夯实机构19，夯实机构19下方安装有 伸缩装置29，伸缩装置29前端与固体充填物料刮板输送机8连接。

夯实机构19采用两级伸缩结构，以增加其伸缩比，减小液压支架1整体尺寸；夯实机构 19的设计能满足固体充填刮板输送机拉回状态时，后部空间能被推满，夯实机构19前端能 够达到工作面采高，并保证与固体充填物料刮板输送机8无干涉。

液压支架1采用支撑式跺式液压支架结构，顶梁采用整体结构，顶梁两侧不设活动侧护 板，以简化支架结构、减轻支架重量。前顶梁22与后顶梁23为弹簧板结构，以便减小顶梁 厚度，更好地适应薄煤层炮采工作面开采需要。

液压支架1的整体移动，采用千斤顶兼作导向机构。推移步距为1200mm，推移千斤顶 的行程为1 300mm。千斤顶为现有技术，可以直接应用。

为了尽可能增加人行通道的高度，减轻薄煤层炮采工作面充填采煤液压支架1的重量， 支柱20和底座21设计成弹簧钢板的柔性结构。

液压支架1采用了双伸缩箱稳定机构，底座21中后部分别设置无盖箱体，伸缩箱与其配 合并在其中滑动，伸缩箱孔端与顶梁腹部耳铰接，保证了支架的稳定性。该稳定机构具有结 构紧凑、重量轻的优点。

如图5、图6所示，薄煤层由于空间小，后部充填刮板输送机不能悬挂在液压支架1的 后顶梁23下，因此，必须设计适应薄煤层固体充填物料刮板输送机8。其包括：电机30、减 速机31、机头链轮32、挡料板18、固体物料输送槽33和机尾链轮34，电机30通过减速机 31与机头链轮32连接，机头链轮32通过链条与机尾链轮34连接，在机头链轮32与机尾链 轮34之间设置有固体物料输送槽33，在固体物料输送槽33上面设置有挡料板18，挡料板 18呈“凹”字结构，挡料板18的下部铰接在固体物料输送槽33上，挡料板18的上部与液 压油缸35的前端铰接，液压油缸35的后端铰接固体物料输送槽33。

固体充填材料由固体物料输送槽33进入，在输送机的带动下，由机尾向机头运动，根据 充填工艺流程，挡料板18将物料挡下，由安设在液压支架1的底座21后部的夯实机构19将 固体充填物推入采空区并夯实，以实现采煤和充填平行作业。

如图7至10所示，在薄煤层炮采工作面充填采煤方法中，把固体充填材料转移到采空区 是关键技术，桥式转载机9是把固体充填材料由运输机转入充填物料刮板输送机10的设备， 目前中厚煤层充填多采用覆带式行走式输送机，覆带式行走输送机的结构为在覆带式行走车 上部加装呈上坡状的胶带输送机，但因为需要用覆带式行走车来实现移动，所以覆带式行走 输送机不仅价格高，而且要求巷道高度高，导致搬运困难，造成开采成本提高。因此，必须设 计适应薄煤层充填的桥式转载机9，其包括：机头部分36、中间部分37和机尾部分38，机 尾部分38与第三输送机机尾部分39重叠搭接，有效搭接尺寸为能满足工作面回采生产班正 规循环所需的尺寸，在第三输送机机尾部分39的H架40下方前后设置有滑道41，机尾部分 38、中间部分37、机头部分36均放置在滑道上面，在第三输送机机尾部分39的H架40上 安装有拉移装置42，拉移装置42通过拉移链43与桥式转载机9连接，拉移装置42程大于1 个采煤循环进尺。

桥式转载机9为分段整体钢架结构，各分段整体通过连接螺栓联接成一个整体，随着工 作面推进，沿着铺设在第三输送机机尾部分39的H架40下方前后的滑道41及铺机头部分 36、中间部分37、机尾部分38下面的滑道41，根据工作面循环进尺通过拉移装置42而不断 后移，满足工作面连续采煤与连续充填的要求，不但结构简单，而且不使用履带式行走车， 价格低，对巷道高度要求低。

机头部分36的支撑柱44为液压油缸，能适应巷道高度和给料高度变化的要求。

第三输送机机尾部分39为分段整体钢架结构，各分段整体通过连接螺栓联接成一个整 体，以便铺设滑道41，供桥式转载机9后退。