李旭濤，郭建衛(wèi)，史 超

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

井下水倉是防止煤礦水災(zāi)確保煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)施，用于礦井水外排的緩沖存儲，暫時(shí)容納礦井在開采過程中所出現(xiàn)的涌水和工程用水，防止排水設(shè)備發(fā)生故障或突然大量涌水時(shí)發(fā)生水災(zāi)，同時(shí)還能夠沉淀水中的固體顆粒，凈化水質(zhì)[1-2]。但是，煤礦水倉開挖卻一直是礦山的一大難題，以往人工開挖既費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，而且易引起片幫等不安全因素。隨著礦井機(jī)械化水平的不斷提高，用高效的機(jī)械裝備開挖井下水倉是煤礦發(fā)展的必然趨勢。

1 巷道地質(zhì)條件

晉煤集團(tuán)趙莊煤礦3號煤煤層平均厚度4.5m,傾角5°～10°，采深400～500m。煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主[3]，厚度2.3m，強(qiáng)度主要集中在26.4～35.2MPa之間，單軸抗壓強(qiáng)度較小?；卷敒榧?xì)粒砂巖，厚度4m，堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度73.2MPa。煤層直接底為黑色泥巖，薄層狀，水平層理發(fā)育，其下是砂巖，中厚層狀，具有水平層理[4]，具體地質(zhì)情況見表1。

根據(jù)礦方生產(chǎn)要求，修復(fù)機(jī)水倉開挖施工在3號煤北輔運(yùn)七橫川內(nèi)進(jìn)行，該巷道為矩形斷面，高度4250mm,寬度4800mm,巷道斷面20.4m2，巷幫掛設(shè)有動(dòng)力電纜，巷道左側(cè)地面鋪設(shè)刮板輸送機(jī)。水倉要求開挖長×寬×高=30m×4.8m×3.2m，為防止出現(xiàn)安全事故，要求邊開挖邊采用錨網(wǎng)鎖具支護(hù)。

表1 3號煤頂?shù)装宓刭|(zhì)情況

2 修復(fù)機(jī)簡介

修復(fù)機(jī)是一種集鑿、挖、運(yùn)、裝于一體的煤礦巷道修復(fù)治理施工設(shè)備，具有機(jī)身窄、解體性好、集成度高、技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、移動(dòng)搬遷方便等優(yōu)點(diǎn)，并且液壓系統(tǒng)采用LUDV(負(fù)載獨(dú)立流量分配)控制系統(tǒng)，可保障多工作機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，操作靈活方便，主要用于巷道修復(fù)施工[5-6]，并且，修復(fù)機(jī)改變了國內(nèi)巷修設(shè)備在工作過程中反復(fù)更換挖斗和破碎錘以及在施工過程中多臺設(shè)備互換工序等造成效率低下的問題。

圖1 修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

修復(fù)機(jī)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由液壓系統(tǒng)、運(yùn)渣裝置、行走機(jī)構(gòu)、操作室和工作機(jī)構(gòu)組成[7]，具體技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 修復(fù)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是修復(fù)機(jī)的動(dòng)力源，由電動(dòng)機(jī)、串泵組、油箱、冷卻器等組成。具有交叉?zhèn)鞲泻愎β士刂品绞?，能感知壓力的變?自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)泵排量，具有抗流量飽和特性，確保各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按比例動(dòng)作，系統(tǒng)穩(wěn)定，節(jié)能性好，功率損耗低，發(fā)熱量小。

2.2 運(yùn)渣裝置

運(yùn)渣裝置包括：一運(yùn)刮板運(yùn)輸裝置和二運(yùn)膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)。一運(yùn)刮板運(yùn)輸裝置由運(yùn)輸槽、調(diào)角油缸、刮板鏈條及液壓馬達(dá)組成[8]。二運(yùn)膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)主要由連接機(jī)架、托輥、滾筒、張緊機(jī)構(gòu)、礦用阻燃膠帶及液壓馬達(dá)組成,具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)矸平穩(wěn)、調(diào)角范圍廣等特點(diǎn)。

2.3 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)采用接地比壓小、適應(yīng)性強(qiáng)、方便靈活、使得整機(jī)爬坡、轉(zhuǎn)彎、行走方便靈活的鋼制履帶行走式底盤。

2.4 操作室

操作室根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，操作舒適，保護(hù)操作人員的作業(yè)安全。采用液壓先導(dǎo)控制技術(shù)，操作靈活簡便，有效減小液壓閥塊占用空間，提高操作人員的活動(dòng)空間及視野。

2.5 工作機(jī)構(gòu)

工作機(jī)構(gòu)由大臂、小臂、挖斗、破碎裝置、各動(dòng)作油缸及相關(guān)液壓膠管組成。各結(jié)構(gòu)件之間采用銷軸連接，關(guān)節(jié)軸套采用特殊耐磨缸套，便于維修更換，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無卡滯。而且，將破碎錘集成到斗桿上，通過油缸給進(jìn)和收縮，實(shí)現(xiàn)挖掘裝運(yùn)的同時(shí)連續(xù)進(jìn)行破碎作業(yè)，減少輔助時(shí)間，提高施工效率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 水倉開挖

根據(jù)礦方生產(chǎn)要求，水倉開挖深度約3.2m，因此，技術(shù)人員依據(jù)3號煤北輔運(yùn)七橫川煤層地質(zhì)分布情況，采用逐層剝離,逐層錨固、逐步深挖，一運(yùn)刮板運(yùn)輸裝置及二運(yùn)膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)出矸方式進(jìn)行施工作業(yè)，修復(fù)機(jī)具體工作流程如圖2所示。

圖2 修復(fù)機(jī)工作流程示意

當(dāng)?shù)谝粚娱_挖完成后，需對巷幫進(jìn)行錨桿支護(hù)，支護(hù)完成之后進(jìn)行第二次開挖，然后再次進(jìn)行錨桿支護(hù)，經(jīng)過3輪連續(xù)施工作業(yè)，即完成開挖工作，如圖3所示。

圖3 修復(fù)機(jī)水倉開挖施工示意

3.2 支護(hù)形式

根據(jù)趙莊礦地質(zhì)條件，結(jié)合巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則及方法[9]，采用以下錨桿、錨索及鋼筋網(wǎng)等組合支護(hù)系統(tǒng)。

錨桿采用φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2400mm，錨桿尾部螺紋為M24，排距1500mm，間距950mm,樹脂加長錨固，1支K2335，1支Z2360，鉆孔直徑28mm,錨桿錨固力不小于150kN，預(yù)緊力不小于400N·m。

錨索采用φ22-5400mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)緊力鋼絞線、錨索距頂，底板分別為800mm,1500mm,排距1500mm;加長錨固，3支樹脂錨固劑，1支K2335，2支Z2360，錨索預(yù)緊力不小于250kN。

鋼筋網(wǎng)采用φ6.5mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔100mm×100mm,網(wǎng)片規(guī)格2700mm×1650mm,鉤結(jié)長度150mm,每排2片，巷道斷面特征及支護(hù)形式如圖4所示。

W型鋼帶規(guī)格：寬100mm，長4500mm，厚7mm。

3.3 應(yīng)用效果

修復(fù)機(jī)自2017年4月19日開始施工作業(yè)，于4月23日完成水倉開挖施工作業(yè)，除去設(shè)備故障，實(shí)際修復(fù)機(jī)連續(xù)作業(yè)約40h，共挖出矸石約460m3，平均出矸11.5m3/h。此前，趙莊煤礦水倉開挖大多數(shù)采用人工開挖方式[10-11]，此次，采用修復(fù)機(jī)進(jìn)行水倉開挖尚屬首次，人工開挖與修復(fù)機(jī)開挖參數(shù)對比如表3。

圖4 錨桿錨索支護(hù)示意

人工水倉開挖修復(fù)機(jī)水倉開挖適用條件無限制巷道高度、寬度滿足修復(fù)機(jī)要求所需設(shè)備風(fēng)鎬、刮板輸送機(jī)修復(fù)機(jī)、刮板輸送機(jī)出渣方式人工轉(zhuǎn)矸至刮板輸送機(jī)一運(yùn)、二運(yùn)連續(xù)出矸所需人數(shù)/人8～102人均方量/(m3·h-1)0.565.75

由表3可以看出，就人均方量而言，采用修復(fù)機(jī)進(jìn)行水倉開挖明顯優(yōu)于人工水倉開挖，并且隨底板硬度增加，修復(fù)機(jī)水倉開挖優(yōu)勢更為明顯，更為重要的是修復(fù)機(jī)水倉開挖需求人數(shù)少，人身安全更有保障。但是2種開挖方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，人工開挖適用條件廣，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，效率低下，修復(fù)機(jī)開挖人工勞動(dòng)強(qiáng)度小，作業(yè)環(huán)境好，但是前期投入及各方協(xié)調(diào)工作量較大。

4 結(jié) 論

(1)修復(fù)機(jī)主要用于巷道修復(fù)治理施工，用于煤礦井下水倉開挖施工作業(yè)尚屬首次。且平均出矸效率約11.5m3/h，相比較人工水倉開挖施工，該段水倉開挖施工節(jié)支18萬元。

(2)比較發(fā)現(xiàn)，修復(fù)機(jī)開挖效率優(yōu)于人工開挖，人均方量達(dá)到5.75m3/h，是人工開挖效率的10.3倍。

(3)根據(jù)現(xiàn)場施工特點(diǎn)，總結(jié)出一套利用修復(fù)機(jī)進(jìn)行煤礦巷道水倉開挖并補(bǔ)打錨桿錨索施工作業(yè)的工藝，為類似條件下煤礦巷道水倉開挖施工提供借鑒。