综合机械化固体充填采煤技术研究进展

前言

煤炭作为我国主体能源，其绿色高效开发对“双碳”目标实现至关重要。传统垮落法开采导致地表沉陷、资源浪费及生态破坏，“三下”压煤量超100亿吨，矛盾突出。综合机械化固体充填采煤技术通过固体废弃物充填采空区，实现“采充协同、以废治害”，是破解资源与环境约束的核心技术。

1 综合机械化固体充填采煤系统

1.1 地面预处理系统

功能：完成充填材料破碎、筛分、配比与储存，确保材料级配合理（粒径 0～300mm ）、含水率可控（ 8%～12% ）。

核心设备：颚式破碎机（处理能力 500～800t/h ）、振动筛（分级精度±5mm, ）；配比搅拌站（矸石:粉煤灰:胶结剂 |=6:3:1 ）、储料仓（容量 ≥1000m³ ）。

1.2 井下输送系统

功能：将地面预处理后的材料垂直 .+ 水平输送至工作面，实现长距离（ ≤3000m ）连续运输。

核心设备与技术：

投料井系统：大孔径（直径 :21.5m ）垂直投料管 + 缓冲仓，防堵设计（气力助吹 + 振动破拱）；

管带输送机：运量 300～8001/h ，适应井下复杂巷道（转弯半径 ≥30m. ）；转载机 .+ 充填刮板机：工作面布料，配合可伸缩溜槽实现均匀布料。

1.3 工作面采充系统

功能：同步完成采煤、支护与充填作业，形成“割煤-移架-充填-压实”闭环流程。

核心设备与技术：

充填液压支架：工作阻力 8000～15000kN ，尾部设可伸缩挡板（行程≥1.5m⋅ ），提供充填空间；

智能压实机构：多组液压千斤顶（压力 10~15MPa），分层压实（每层0.8～1.2m⋅ ），密实度 285% ；

1.4 智能监控与控制系统

功能：实时监测充填质量、设备状态与岩层移动，动态优化作业参数。

核心技术：

在线监测：激光雷达（充填体密度）、压力传感器（支架阻力）、位移计（地表沉降）；

协同控制： 5G+ 工业互联网平台，实现采煤机-支架-充填机联动（响应时间 <0.5s) ）；

数字孪生：构建工作面虚拟模型，预演充填效果，优化压实路径。

2 综合机械化固体充填采煤技术存在的问题

2.1 技术瓶颈

充填效率与采煤节奏不匹配：传统充填系统依赖人工或半自动化操作，单支架充填时间需3~5 分钟（手动方式），导致工作面推进速度仅为常规综采的 60%～70% 。例如，邢台某矿数据显示，自动化改造前充填效率仅为200～30001/h ，难以匹配采煤机 500t/h 以上的产能。

设备可靠性与维护难题：充填刮板输送机、压实机构等核心设备在高负荷、大粒径物料（ 300mm 以上）工况下，故障率较高。某矿区统计显示，输送系统堵管率达 5%～8% ，月均停机维护时间超48 小时。

2.2 经济成本压力

初期投资高：一套完整充填系统（含地面预处理、井下输送、工作面装备）初始投资约 2~3 亿元，是常规综采的 1.5~2 倍，中小型矿井难以承受。例如，某年产 90 万吨的矿井，充填系统折旧成本占吨煤成本的15%～20% 。

材料成本：胶结剂（水泥、粉煤灰）占充填材料总成本的 60% 以上，若采用高性能配比（如胶结剂添加量 10% ），吨煤充填成本可达80~120 元。

2.3 智能化与标准化不足

智能化水平待提升：充填体密实度、顶板压力等关键参数的在线监测精度不足（误差 >10% ），依赖人工取样检测，反馈滞后。例如，某矿因充填密度监测不准导致局部顶板下沉量超 300mm ，需二次注浆加固。

行业标准与规范缺失：充填材料级配、压实度验收、地表沉陷预警等关键指标缺乏统一标准，不同矿区采用差异化工艺，导致技术推广难度大。例如，部分矿区将充填体强度定为 ≥2MPa ，而敏感区域（如铁路下）需≥3MPa ，标准混乱增加设计难度。

3 对策

3.1 技术创新：突破效率与适应性瓶颈

智能化充填控制系统：开发基于 5G+ 工业互联网的“采充联动”平台，通过采煤机位置传感与充填机自适应调速（响应时间 <1s) ），实现割煤与充填节奏匹配。例如，邢台某矿应用该系统后，单支架充填时间从 3~5 分钟缩短至1.5~2 分钟，工作面日推进度提升 40% 。

并行作业工艺优化：采用“采一充二”循环模式（采煤1 刀、充填2 层），配合端头斜切进刀技术，减少空行程时间。神东矿区试点显示，该工艺可使充填与采煤并行率达 85% ，年增产量150 万吨。

柔性充填体设计：研发“矸石 + 高分子材料”复合充填体（添加 2%～5% 聚氨酯），抗压强度提升至 4～5MPa ，变形模量降低 30% ，适应断层与软岩区域的形变需求。某矿在落差 2m 断层区应用后，充填体稳定性达标率从65% 提升至 92% 。

3.2 成本优化：降低初期投资与运营费用

固废基胶结剂替代：利用矿渣、钢渣等工业副产品（替代 30%～50% 水泥），开发低成本胶结充填材料，吨煤充填成本从80~120 元降至40~60 元。枣庄某矿应用后，年节省材料费用超2000 万元。

多源固废协同充填：混合利用煤矿矸石（ 60% ）、城市建筑垃圾（ 20% ）、电厂粉煤灰（ 20% ），通过级配优化（粒径 0～300mm 连续级配），降低外购材料依赖度，某矿实现固废自给率 100% 。

租赁共享模式：联合设备厂商建立“充填设备租赁平台”，中小型矿井可减少初期投资 60%～70% ，按产量支付租赁费用（约5 元/吨）。

3.3 智能化升级：提升监测与控制精度

充填质量实时监测：部署激光雷达密度仪（精度 ÷2% ）与光纤传感网络，实时采集充填体密实度、应力分布数据，通过AI 算法预测压缩变形趋势，预警准确率达 90% 以上。

数字孪生工作面：构建“地质-设备-充填”三维虚拟模型，模拟不同工况下的岩层移动与地表沉陷（误差 <5% ），提前优化充填参数。陕煤曹家滩矿应用后，地表沉降控制精度提升至 _±30mm 。

自主导航压实机器人：配备视觉识别与路径规划算法，实现采空区自动分层压实（每层厚度误差 <50mm, ），替代人工操作，效率提升 50% 。

结束语

综合机械化固体充填采煤技术通过“采充一体化”设计、智能化装备与绿色材料应用，实现了煤炭资源开发与生态保护的协同，是“双碳”目标下煤矿绿色开采的核心技术之一。未来需进一步突破成本控制、复杂地质适应性等瓶颈，推动技术规模化应用，助力煤炭行业高质量发展。

参考文献：

［1］韩涛，高博，张旭.井下煤矸分离与综合机械化固体充填采煤技术［J］.内蒙古煤炭经济，2023（9）：21-23.

［2］张汝伟.综合机械化固体充填采煤技术的分析［J］.当代化工研究，2021（14）：55-56.