2.2 协同综采技术关键

协同综采作为一项新型采空区部分充填采煤技术，其成功实施的首要前提是技术的可靠性高。本节重点介绍协同综采三大技术关键，即协同综采生产系统、协同综采面关键设备及协同综采工艺。

2.2.1 协同综采生产系统

协同综采技术是固体充填综采与传统垮落法综采的技术集成，旨在消耗井下排放矸石和地面堆积矸石的同时提高充填工作面产能与效率。协同综采面生产系统主要包括垂直投料系统（可选）、矸石不升井系统、井下矸石破碎输送系统和协同综采面作业系统4个子系统，各个子系统紧密衔接，实现井上下充填物料的连续运输及工作面充填与采煤工作有序进行，协同综采系统布置示意如图2.3所示。

1.垂直投料系统

垂直投料系统主要负责将地面堆积矸石定时定量连续输送至井下。垂直投料系统包括地面运输设备、投料集控室、垂直投料管、井下矸石仓、缓冲器等一系列构筑物和设备。地面矸石经筛分、破碎处理后通过地面运输皮带运至地面投料口，再经垂直投料管投放至井下矸石仓，通过矸石仓下口给料机与井下运输皮带运输至协同综采面充填段采空区充填。对于协同综采而言，若井下保护层排矸量大且工作面设计充填段消耗矸石量小，可不设置垂直投料系统，在需要处理地表矸石大或井下排矸量不满足充填需求时设置。

2.矸石不升井系统

矸石不升井系统旨在实现井下排放矸石井下原位洗选充填，实现煤矸分选分运。随着开采深度不断延伸，开采煤矸混合高含矸率保护层的情况日益增加，井下排矸长距离运输给矿井辅助运输、地表排放空间和矿区环境带来极大压力，理想途径为矸石不升井。矸石不升井系统包括井下洗选硐室及一系列井下煤矸筛分洗选设备，将井下煤矸混合物进行井下洗选，洗选后的原煤运输至井下煤仓，矸石则运输至协同综采面充填。既缓解了矿井辅助运输压力，又解决了矸石地表排放带来的矿区环境污染难题。

3.井下矸石破碎输送系统

井下洗选矸石粒径往往难以满足充填要求，井下矸石破碎输送系统首先将洗选后的矸石进行筛分，对不符合粒径要求的矸石做进一步分级破碎至符合要求后，统一运输至井下矸石仓。系统将井下洗选和地面投放矸石按时定量地运输至协同综采面充填段采空区进行充填，实现充填物料连续运输。

4.协同综采面作业系统

协同综采面作业系统是整个协同综采系统的关键，其他子系统均围绕该系统服务。协同综采面分段布置充填与采煤设备，工作面前方充填段和垮落段共同采煤，后方充填段单独充填，充填段与垮落段联合布置协调作业，整个协同综采面充分发挥消耗矸石和高产高效双重技术优势。

2.2.2 协同综采面关键设备

协同综采面设备选型及合理配套是协同综采技术成功实施的前提。协同综采面设备可分为采煤设备和充填设备两大部分。其中采煤设备包括采煤机、前刮板输送机以及传统综采液压支架，其选型与传统综采类似，但需注意与充填设备结构及性能匹配；充填设备包括充填采煤液压支架、过渡段液压支架、多孔底卸式输送机、机头机尾升降平台、矸石转载机。协同综采根据不同的充填方案需要选择不同结构类型的充填采煤液压支架，并根据具体工程应用进一步优化设计，协同综采面关键设备及其布置如图2.4所示。

设备选型配套 ^[130-131] 及其合理布置是协同综采面生产的前提与保障。协同综采技术在国内外尚属首次运用，关于其设备配套选型及布置目前还没有成熟的案例供借鉴。工作面设备选型及配套应遵循满足工作面产能、设备技术参数与结构性能相匹配及实现工作面充填采煤并举原则。本节简要阐述协同综采面设备配套及布置的主要注意事项。

1.充填采煤液压支架选型

根据协同综采岩层控制及矸石充填量要求，可将工作面充填方案分为密实充填和自然落料充填两种。密实充填时要求充填支架后部安设夯实机构，通过对矸石散体物料反复夯实推压接顶，增加充填量并提高充填体初始抗变形能力，控制覆岩及地表变形；自然落料充填时旨在消耗矸石以及提高充填工作面产能，充填段设计时兼顾矸石充填能力与充填速度，充填物料由多孔底卸式输送机卸料口自然落入采空区即可，无须反复夯实。考虑避免矸石涌入支架后部影响支架工况，后部设置挡矸板。不同充填方案条件下充填采煤液压支架结构如图2.5所示。

2.协同综采面不同类型支架配套

协同综采面分段布置充填采煤液压支架、过渡液压支架以及传统综采液压支架。不同支架结构类型差异较大，在同一工作面使用时首先要求结构协调、行人通道宽敞连续且保持通风要求；3种支架推移步距应一致，保证工作面工艺整体连续性。另外，注意3种支架推移步距需保持一致，充填液压支架和传统液压支架推移步距一般有600mm和800mm两种，但考虑充填支架800mm推移步距要求支架长度较长，导致支护阻力降低，安装切眼尺寸较大等问题，故最终统一选择600mm推移步距。

3.过渡液压支架改造

过渡液压支架主要实现充填支架与传统综采支架结构和功能的平稳过渡，同时提供输送机机头和升降平台摆放空间。过渡支架后部不安设夯实机构而安装挡矸板，与机头升降平台对应的过渡段支架底座安设液压拉移千斤顶，其余支架呈阶梯形安设侧护板，以便协同综采面通风管理，侧护板也可减少垮落段冒落矸石对设备的损坏。过渡液压支架结构如图2.6所示。

2.2.3 协同综采工艺

协同综采技术是集地面矸石投放、矸石井下洗选、破碎与运输及工作面部分充填于一体的绿色充填方法，其整体技术工艺包括井下煤矸分选工艺、矸石井下破碎运输工艺以及协同综采面开采工艺，具体协同综采工艺设计流程如图2.7所示。

协同综采井下煤矸分选工艺与井下矸石破碎输送工艺与综合机械化采选充填采煤 ^[42] 技术中原理相似。此处重点介绍协同综采技术特有的协同综采面开采工艺。协同综采面开采工艺是协同综采工艺的核心，主要为采煤工艺与充填工艺。

协同综采面在充填采煤液压支架、过渡液压支架和传统综采液压支架3种不同类型液压支架掩护下完成采煤工作，3种不同类型液压支架共用一套采煤机与刮板输送机进行采煤与运煤。要求3种不同类型支架移步距统一，为保证充填前控制顶板提前下沉，采煤机割煤后先推移支架后移动刮板输送机，移架滞后采煤机滚筒3~4架支架距离，推移刮板输送机滞后采煤机后滚筒约15m。采用双滚筒采煤机工作面割三角煤端部斜切进刀方式，具体采煤工艺与传统垮落法类似，参见文献[132]。

协同综采面只充填充填段采空区，采煤与充填工序平行作业。与常规矸石充填面待采煤机割煤完毕所有液压支架移架推溜后再充填不同，协同综采为了进一步提高充填效率，平衡充填与采煤时间，协同综采面待充填段支架移架拉直后即可实施充填，由常规充填面“一采一充（采完煤后充填）”真正转变为“边采（垮落段采煤）边充（充填段充填）”采充并举作业。充填工艺设计为由机尾向机头方向充填，具体工艺流程为：沿充填段方向对卸料孔进行编号分组，每4个卸料孔为一组。首先打开机尾方向第一组4个卸料孔，当第1个卸料孔达到充填要求（自然落料时堆料高度到达底卸式输送机底部，密实充填时继续反复夯实）后开启第二组第1个卸料孔，依此顺序充填各组卸料孔直至充填段充填完毕。协同综采面充填步骤如图2.8所示。