综合机械化固体充填是什么
综合机械化固体充填采煤，是指在综合机械化采煤作业面上同时实现综合机械化固体充填作业。综合机械化固体充填采煤技术是在传统综采基础上发展起来的，与传统综采相比，综合机械化固体充填采煤可在充填支架掩护下实现采煤和充填并行作业，其工艺包括采煤工艺和充填工艺。综合机械化固体充填采煤系统的布置和采煤工艺与传统的综采完全相同，所不同的是固体充填工艺需要增加专门的投料、运输、转载系统和固体充填液压支架，以及与之相配套的充填工艺。
综合机械化固体充填简介
该技术采用机械设备将矿区矸石、粉煤灰、黄土、风积沙等固体废物密实充填入采空区内，达到控制岩层移动目标在合理范围内，从而开采出“三下”压煤、边角煤柱等传统采煤技术无法回收的煤炭资源，同时改善我国煤炭大规模开采带来的矿区资源浪费和生态环境破环问题。该技术的实施实现了多重目标，主要包括：
（1）煤炭资源的回收率得到显著提高；
（2）矿区固体废弃物得到充分利用；
（3）矿区建(构)筑物、土地、水体和生态环境得到保护；
（4）采空区瓦斯、火、水和冲击矿压等重大灾害的防治取得显著效果.。
该技术将综合机械化采煤和综采机械化固体充填有机组合，实现工作面采煤与充填并举，采用的固体充填材料包括矸石、粉煤灰、黄土、风积沙、建筑垃圾等固体废弃物， 其工作面布置方式与传统综采工作面布置方式基本相同，同时形成了前方机械化采煤和后方机械化充填的双工作面格局，综合机械化固体充填采煤工作面布置如图1所示。
充填采煤的技术难点与目标
充填采煤的3大技术难点
充填采煤技术经过近百年的发展，仍然没有取得重大突破性进展，事实上，煤矿充填开采采用冶金(矿脉)矿山充填原理和方法是其技术发展的误区，因为矿脉被采出后的矿房留下了较好的实施水砂充填或膏体充填的空间和通道，且岩体运动控制要求并不十分严格。而煤炭资源分布在沉积岩层中，长壁垮落式开采采空区覆岩随采随垮，难以维护充填所需的空间与通道，因此，煤矿充填开采必须建立相应的充填采煤岩层控制理论和克服实施充填所需的空间、通道和动力等3大技术难点。
（1）保证采煤过后采空区顶板不垮落，微下沉，为采空区矸石充填提供空间。
（2）形成充填固体材料的连续输送通道，安全高效地将矸石等固体充填材料运输至采空区进行充填。
（3）解决矸石等固体充填材料卸至采空区进行充填并夯实的动力来源，保证充填体在采空区压实并达到密实充填的效果。
充填采煤技术的目标与要求
现代化矿区的充填采煤技术目标是：在安全、高效采煤的同时，实现安全、高效快速充填，所以应开发与现代化综合机械化采煤技术相匹配的快速机械化充填一体化技术，并且要实现采煤与充填并行作业。在这样的目标前提下，提出了现代化充填采煤技术的具体要求：
（1）安全、高效采出煤炭资源；
（2）严格控制岩层与地表移动，能充分满足被保护对象的要求；
（3）显著的经济、社会和环境效益。
综合机械化固体充填采煤井上下输送系统
与一般综合机械化采煤生产系统的主要区别在于增加了一套能从地面把固体充填物直接大流量输送到井下充填工作面的专用系统。一般地下开采矿井提升系统用于向外输送煤(包括矸石)以及向下输送人员、机械及支护材料等，而实施综合机械化固体废弃物密实充填采煤的矿井，需要向井下输送大量固体废弃物，必须建立一个与现代化矿井系统相匹配的固体充填物料井上下输送系统。
双井筒的托盘式固体物料连续输送系统
双井筒的托盘式固体物料连续输送系统，具体有用于连续投放固体物料的承载托盘、用于旋转托盘式投料系统导向的滑道机构、在旋转托盘式垂直连续投放系统底部的浮动式防尘张紧装置，其中物料的输送流程为：
储料仓→井上胶带输送机→托盘→投料孔→井下胶带输送机→输送至工作面充填输送机上，进行充填作业，如图2所示。
单井筒的固体物料直接投放系统
单井筒的固体物料直接投放系统，具体有固体物料锥形缓冲器等投料装备、充填采煤的大垂深固体投料工艺、固体物料直接投放投料孔防堵仓排压方法，其中物料的输送流程为：
储料仓→井上胶带输送机→投料孔→锥型缓冲器→井下储料仓→井下胶带输送机→输送至工作面充填输送机上，进行充填作业，如图3所示。
综合机械化充填液压支架
充填采煤一体化液压支架如图4所示，充填采煤一体化支架的后顶梁支护能力大于前顶梁的支护能力，前顶梁掩护采煤作业，后顶梁掩护充填作业，后顶梁下设的两根立柱显著提高支架的后部支撑能力；与支架后部联为一体的夯实机构能将固体充填物高效密实夯入采空区(能根据岩层移动控制目标要求保障采空区充实率)，单位面积上的夯实力超过2MPa。在支架前顶梁掩护下的采煤作业面上，配备与正常综采一致的采煤机和刮板式运煤机，并经转载等运输系统将煤输送至井上。在支架后顶梁掩护下的固体充填作业面上，上部配备悬挂式刮板充填物料输送机，其输送能力要与采煤能力相匹配，目前已制造出了720t/h输送能力的充填机。下部配备的夯实系统，其系统要与工作面充填高度和充填密实度相匹配。充填采煤液压支架共用一套操作控制系统，包括移架、前后顶梁的升降、充填物料输送机充填孔的开闭以及夯实系统。另外，将固体充填物转载至充填机上时，还要配备相应的转载系统。总的原则是充填与采煤的能力要匹配。该支架有如下特点：
（1）充填采煤液压支架改传统综采支架的掩护后顶梁为水平后顶梁，充填作业在后顶梁掩护下完成；
（2）在充填采煤液压支架后顶梁下吊挂多孔底卸式输送机，完成充填材料在充填空间的连续输送；
（3）在充填采煤液压支架后底座安装夯实机构，将充填材料向采空区推压夯实，达到充填密实度要求。
综合机械化充填采煤工艺
在综合机械化固体充填采煤一体化工作面上，综合机械化采煤与固体充填实现并行作业。综合机械化采煤与传统综采工艺相一致。综合机械化固体充填一般采用“采一充一”的工序，具体采充循环作业如图5所示。在充填作业中，由机尾向机头方向依次打开和关闭充填卸料孔，一般保持有3～4个孔同时打开。夯实机可以在充填高度内任意调节角度，由充填密实度决定夯实工艺要求，并由采空区充填密实度监测系统和岩层移动观测系统监控夯实效果。目前，一般采用“以充定采”和“采充并举”的工艺设计原则。
综合机械化固体充填采煤方法
巷道充填方法
巷道充填具有投资小、建设周期短的特点，它可将井下掘进矸石不升井，直接充填在永久煤柱中置换煤炭，提高了资源采出率，减少副井提升压力，从源头上避免了矸石造成的环境污染。
（1）巷道变形控制。巷道掘成后受矿山压力影响会在一定时间内产生变形，巷道充填工作应在巷道变形之前完成，充填体限制围岩的变形，又可充填物压实，对巷道顶板形成稳定支撑，巷道岩层应力趋于新的平衡，不对地面产生影响。
（2）平行群巷布置。巷道充填时会近距离布置多条平行的巷道进行矸石充填作业。而近距离巷道平行布置时会产生侧向应力，影响成巷效果，在工程设计中，采取区域分段巷道布置方式，掘充两巷距离大于巷道切向应力影响范围2倍，巷道顺序分段排列。掘进中分组进行，第1条巷道后隔2条巷道距离为第2组、第3组巷道，3条巷道充填完毕后，返回第1组，依次进行。
（3）巷道充填工艺。开拓巷道的矸石运至矸石仓，经给煤机输送到充填巷带式输送机上，由带式输送机卸载到充填带式抛矸机上，充填带式抛矸机向巷道充填端头抛填矸石，可通过摆动千斤顶实现左右、高低调节，使抛矸机在巷道全断面工作，实现最佳充填效果。
工作面充填方法
（1）充填工艺。
固体充填材料由带式输送机、矸石转载机将矸石等材料运输、转载至工作面充填支架后部底卸式刮板输送机上，操作刮板输送机卸料孔控制手柄，将矸石落下，利用推压装置将矸石材料推实、。通过充填液压支架成组移架、充填刮板输送机交替落料、推实机构同步推实的工序配合，固体充填工艺可实现采充平行作业，即采煤与充填在时间上平行、空间上分开，形成完整的生产体系。
（2）充填效果控制。
充填开采的效果可由充填密实度直接反映，充填率是指回采后充填体体积占采空区空间的百分比，密实度是指矿山压力作用下采空区充填体压实后所占采空区空间的比例，两者乘积，则成为充填密实度，具体到充填过程，就是充填材料压实稳定后的体积与采出的煤炭体积之比，充填密实度准确反映出充填效果的差异。在充填过程，要及时对充填密实度进行控制，这是保证充填开采效果的关键指标。为观察充填效果的实际状况，在地面要建立观测站，连续观测地表下沉情况。
沿充留巷充填方法
在充填工作面回采过程中沿充留巷，因为充填体已经支撑了顶板，巷道压力很小，留巷工艺简便，成本低。沿充留巷少掘了巷道，还可以可实现无煤柱开采，改变通风方式，解决了工作面瓦斯积聚与超限的问题。沿充留巷需要专用沿充留巷装置，留巷模板使充填材料在支架推压装置强力推压下完整成型，为防止模板撤离后充填材料的散状特性显现，发生坍塌，对充填体进行注浆，使充填材料改性，形成平整可靠的巷道壁。沿充留巷装置可实现巷旁充填体机械化支护和充填的机械化作业，具有调整灵活、整体性强的优点，便于生产组织和自动化操作，实现快速高效沿充留巷与充填作业协同，如图6所示。
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