中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司朱集西煤礦 安徽淮南 232000

淮 南礦區(qū)朱集西礦千米深井掘進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)出的矸石黏性和水分大，在通過緩沖倉時(shí)，由于滯矸及大塊矸石搭橋，緩沖倉經(jīng)常出現(xiàn)起拱。起拱發(fā)生后主要采用放炮爆破和人工清蓬進(jìn)行處理。隨著對煤炭安全生產(chǎn)的要求越來越嚴(yán)格，爆破作業(yè)被禁止，而人工破拱需要在含有大塊矸石的水煤環(huán)境下進(jìn)行，存在極大的人身及設(shè)備安全隱患。國內(nèi)由于人工破拱清蓬造成的人身傷害事故時(shí)有發(fā)生，人工破拱效率低下，導(dǎo)致與之相關(guān)的運(yùn)輸設(shè)備長時(shí)間停工，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)，對礦區(qū)的的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益造成巨大的影響。為此，朱集西煤礦將矸石運(yùn)輸系統(tǒng)緩沖倉堵塞滯倉治理列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，對該課題進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，并與鄭州大學(xué)和河南輝強(qiáng)機(jī)械設(shè)備有限公司共同對矸石緩沖倉破拱技術(shù)進(jìn)行了項(xiàng)目攻關(guān)，較好地解決了該礦區(qū)矸石緩沖倉堵塞滯倉問題。

1 矸石滯倉原因分析

對矸石緩沖倉內(nèi)矸石的起拱原因進(jìn)行詳細(xì)分析，確認(rèn)朱集西煤礦矸石緩沖倉內(nèi)矸石的滯倉起拱有以下3 種形式。

1.1 大塊搭橋起拱

朱集西煤礦原煤生產(chǎn)過程中，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的超限矸石(長度大于 500 mm)部分沒有破碎或破碎不徹底就進(jìn)入到矸石緩沖倉內(nèi)。在緩沖倉內(nèi)，由于矸石倉的鎖口位置尺寸較小，只有 1 300 mm，這些超限矸石在鎖口位置搭接卡咬在一起，在鎖口附近及鄰近上方形成一個(gè)穩(wěn)定的拱形外殼，堵塞矸石緩沖倉鎖口，導(dǎo)致矸石無法從緩沖倉內(nèi)流出。這種形式起拱一般發(fā)生在鎖口及鄰近上方位置。

1.2 倉壁粘連

由于朱集西煤礦的矸石黏性非常強(qiáng)，同時(shí)含有一定的水量，這樣在靠近緩沖倉倉壁和鎖口上方的錐段部分，粉粒狀的矸石在倉壓的作用下粘連并板結(jié)在倉壁上，在鎖口打開時(shí)，在倉壁和錐面上粘連板結(jié)的粉粒狀矸石無法溜出，只有緩沖倉內(nèi)中心部位的矸石向下流動(dòng)外送。隨著時(shí)間的延長，粘連板結(jié)的矸石層厚度逐漸增加，并向緩沖倉中心部位遷移，最后，緩沖倉錐段只留下一個(gè)較小的溜料通道，在遇到大塊矸石或是長時(shí)間倉內(nèi)高壓作用下，形成起拱卡堵。

1.3 壓縮平衡起拱

矸石在緩沖倉內(nèi)暫存過程中，緩沖倉錐段的矸石層要受到非常高的倉壓作用，加之朱集西礦的矸石還有一定的自固性能，即在高的倉內(nèi)壓力作用下被壓縮的矸石具有一定的固結(jié)能力。隨著時(shí)間的延長，被壓縮的矸石板結(jié)的強(qiáng)度逐漸增加，加之矸石在倉壁上的粘連，導(dǎo)致在緩沖倉錐段部分的溜矸通道變得狹窄，最終在緩沖倉鎖口上方的錐段部分形成矸石壓縮平衡拱，堵塞矸石外溜通道。

另外，矸石緩沖倉下所使用的設(shè)備為帶式給煤機(jī)，由于矸石內(nèi)含有大塊及矸石的黏性非常高，對帶式給煤機(jī)的沖擊和砸擊作用強(qiáng)烈，在給煤過程中，泥漿狀矸石會(huì)進(jìn)入到輸送帶下部及輥筒上，導(dǎo)致這種給煤機(jī)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)輸送帶打滑、托輥損壞等問題。由于帶式給煤機(jī)故障率高，維修工作量大，所以在進(jìn)行矸石滯倉治理時(shí)，需要同時(shí)對帶式給煤機(jī)進(jìn)行改造。

2 技改方案

目前常采用的破拱方法主要有改善料倉結(jié)構(gòu)、機(jī)械破拱、氣動(dòng)破拱、水力破拱、振動(dòng)破拱和化學(xué)爆破破拱[1-5]。根據(jù)朱集西煤礦矸石堵塞滯倉的現(xiàn)狀，料倉結(jié)構(gòu)已定，無法進(jìn)行大的改造。由于氣動(dòng)破拱的力量和作用范圍小，而朱集西礦的矸石黏結(jié)強(qiáng)度高，起拱范圍大，所以也不適用。振動(dòng)破拱方法一般適用于鋼結(jié)構(gòu)和小型料倉?；瘜W(xué)爆破方法危險(xiǎn)性高，與煤礦安全生產(chǎn)相矛盾，僅作為緊急狀況下的備選方案。機(jī)械破拱具有破拱力量大，破拱效果較好的特點(diǎn)。但是也存在破拱范圍有限(如布置不合理易于損壞)等缺點(diǎn)。水力破拱具有作用范圍大，水射流強(qiáng)度高，對于物料黏結(jié)性起拱具有非常好的分散破拱效果，因此在方案設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)采用。但在實(shí)施時(shí)要保證水射流的作用能夠有效到達(dá)矸石起拱的位置，同時(shí)應(yīng)具有足夠的射流強(qiáng)度。

經(jīng)過與鄭州大學(xué)和河南輝強(qiáng)機(jī)械設(shè)備有限公司共同研究，決定采用機(jī)械和水射流聯(lián)合破拱方案進(jìn)行破拱。破拱方案總體布置如圖 1 所示。在緩沖倉鎖口下部安裝有平板閘門，平板閘門下部連接鎖口溜槽，鎖口溜槽插入到振動(dòng)給煤機(jī)的槽體內(nèi)。在鎖口溜槽的后側(cè)下面，寬度方向上連接有 2 個(gè)導(dǎo)向套筒，2 套液壓和水射流破拱裝置的端部封閉安裝在導(dǎo)向套筒內(nèi)，下部采用鉸支結(jié)構(gòu)支撐在設(shè)備基礎(chǔ)上。在振動(dòng)給煤機(jī)出料端前方安裝有擋料板，出料端下部安裝有導(dǎo)料槽。導(dǎo)料槽連接在帶式給料機(jī)上，在振動(dòng)給煤機(jī)出料端的前方安裝有擋料板。

圖1 破拱方案總體布置Fig.1 Overall layout of arch breaking scheme

破拱裝置結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。整個(gè)破拱裝置主要由破拱套筒、液壓缸、導(dǎo)向塊、高壓水管和射流噴頭等部件組成。在液壓缸外壁上，設(shè)有沿液壓缸軸向分布的導(dǎo)向塊，破拱套筒通過導(dǎo)向塊套裝在液壓缸上，液壓缸的活塞桿端部連接在破拱套筒端部的端蓋的內(nèi)壁上，射流噴頭安裝在端蓋上。高壓水管和液壓油管布置在液壓缸外壁、導(dǎo)向塊和破拱套筒三者之間的空隙中。液壓油管與液壓泵站相連，高壓水管一端與射流噴頭相連，外露到破拱套筒外部的另一端與高壓射流泵相連。每臺破拱裝置上設(shè)置 2 個(gè)噴射方向相互交錯(cuò)的射流噴頭，并分別與 2 根高壓水管相連。

圖2 破拱裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of arch breaking device

3 工作原理及主要工作參數(shù)

由圖 1 所示，當(dāng)正常給煤時(shí)，打開平板閘門及振動(dòng)給煤機(jī)出料端的擋料板，緩沖倉內(nèi)的矸石通過鎖口及鎖口溜槽送入振動(dòng)給煤機(jī)槽體，振動(dòng)的槽體將矸石送入其下部的導(dǎo)料溜槽和帶式輸送機(jī)，并由帶式輸送機(jī)將矸石送到設(shè)定的位置進(jìn)行相關(guān)處理。在送矸的過程中，液壓和水射流破拱裝置的端部一直停留在導(dǎo)向套筒內(nèi)，沒有外露部分伸到鎖口溜槽內(nèi)，因此對矸石在鎖口溜槽內(nèi)的流動(dòng)不產(chǎn)生任何影響。當(dāng)需要停止給煤時(shí)，首先關(guān)閉上部的平板閘門，待槽體內(nèi)的物料清空后，關(guān)閉前擋板，即完成 1 個(gè)工作循環(huán)。

如果矸石緩沖倉內(nèi)出現(xiàn)起拱滯倉問題，即打開平板閘門時(shí)，緩沖倉內(nèi)的物料無法順利下落。此時(shí)，啟動(dòng)液壓泵站，向破拱液壓缸無桿腔內(nèi)注入液壓油，液壓缸推動(dòng)破拱套筒向緩沖倉內(nèi)伸出，進(jìn)行破拱作業(yè)。如果向液壓缸內(nèi)反向注入液壓油，則破拱套筒縮回，保證矸石順利溜出，如此反復(fù)進(jìn)行。如果矸石緩沖倉內(nèi)由大塊矸石搭橋起拱，則破拱套筒破除搭橋起拱的拱腳，搭橋的大塊矸石就會(huì)下落，完成破拱作業(yè)。如果矸石緩沖倉內(nèi)出現(xiàn)粉粒狀矸石壓縮黏結(jié)起拱，則啟動(dòng)高壓射流泵，由于每套破拱裝置由 2 個(gè)方向相互交錯(cuò)的噴頭噴射水流，2 套破拱裝置可在 4 個(gè)方向上對黏結(jié)的矸石進(jìn)行切割分散，加之在噴射高速水流的過程中破拱套筒沿導(dǎo)向套筒上下移動(dòng)，這樣可在 4 個(gè)方向呈面狀在緩沖倉內(nèi)對黏結(jié)起拱的矸石進(jìn)行切割分散，破壞粉粒狀矸石之間的黏結(jié)起拱，使其松散下落，完成破拱作業(yè)。

破拱裝置主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 破拱裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of arch breaking device

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)破拱方案，設(shè)計(jì)制作了相關(guān)的試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了一系列的工藝試驗(yàn)。

液壓機(jī)械破拱裝置的破拱力可以保證破拱套筒向倉內(nèi)頂出或縮回，針對緩沖倉內(nèi)出現(xiàn)的大塊搭橋起拱滯倉，通過液壓缸驅(qū)動(dòng)破拱套筒來回移動(dòng) 1～3 次，即可將大塊矸石之間的搭橋破壞，完成破拱任務(wù)。特殊情況需要破拱套筒來回移動(dòng)多次，才能完成破拱任務(wù)。

針對緩沖倉內(nèi)出現(xiàn)的粉粒狀矸石壓縮黏結(jié)堵塞滯倉，采用高壓水射流噴射起拱部位，可以將粘連在一起的矸石分割松散，使其逐漸分散下落，從而達(dá)到破除起拱的目的。在鎖口部位的起拱破除后，通過破拱套筒的上下來回移動(dòng)，破拱套筒將水射流的噴頭直接送入緩沖倉內(nèi)起拱位置，同時(shí)使用高壓高速水射流進(jìn)行噴射分散作業(yè)，從下到上逐漸將黏結(jié)的粉粒狀矸石從起拱和黏結(jié)位置剝離，可保證將緩沖倉內(nèi)鎖口位置6 m 以上范圍內(nèi)的起拱徹底清除，從而能夠保證緩沖倉長時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)滯倉，相對于空氣炮等破拱方法，這種方法具有清拱范圍大、破拱徹底等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語

在技改方案實(shí)施前，緩沖倉發(fā)生堵塞滯倉時(shí)，所采用的方法主要為人工清堵和爆破破拱。人工破拱時(shí)，操作工人手持鋼管或水管從導(dǎo)料槽側(cè)面的開孔位置向緩沖倉鎖口內(nèi)進(jìn)行捅料或噴水，由于人工捅料力量小，不便于觀察；而噴水使用的自來水水壓和流速低，因此大部分情況下都無法順利實(shí)現(xiàn)破拱。為盡快恢復(fù)矸石運(yùn)輸作業(yè)，必須采用爆破方法進(jìn)行破拱，爆破作業(yè)一方面屬于違章操作，需要進(jìn)過嚴(yán)格審批；另一方面由于爆破深度和位置不易掌握，會(huì)對給煤機(jī)和煤倉結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。而采用機(jī)械+水射流聯(lián)合破拱方案，具有破拱效果好，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)安全性和效率高等優(yōu)點(diǎn)。