陳云花，郭志浩，董 輝

(內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

露天煤礦開采后在采掘場四周形成的最終邊幫下壓覆了大量煤炭資源，極易發(fā)火自燃，造成地表塌陷、大氣污染和環(huán)境污染等。目前國內(nèi)主要是利用邊幫采煤機(jī)對(duì)壓覆煤進(jìn)行回收，采硐間留設(shè)支撐煤柱，回收率約50%左右。為了更多的回收露天礦邊幫壓覆煤量、減少礦產(chǎn)資源損失，降低邊幫壓覆煤炭由自燃而引起的污染，確保采硐開采后的邊幫穩(wěn)定性，近年來，我國學(xué)者在采煤工藝方面提出了邊幫壓煤充填開采工藝對(duì)露天煤礦邊幫壓覆煤進(jìn)行回收，回收率可達(dá)到約90%左右。目前，國內(nèi)已有多家露天煤礦開始實(shí)施邊幫煤回收，但是實(shí)施邊幫壓煤充填開采的煤礦基本為零。主要存在以下問題：①露天礦邊幫煤充填開采工藝要求無人化作業(yè)，采硐內(nèi)不得有人員進(jìn)入；②根據(jù)煤層走向開采角度有下傾、水平、上仰，下傾方式形成的采硐便于充填體的充填；水平及上仰方式形成的采硐則較難實(shí)施充填；③要保證充填體有較好的接頂率[1-6]。

基于上述問題，需要一套行之有效的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)采硐充填。本文結(jié)合德隆煤礦邊幫煤開采現(xiàn)狀，研發(fā)了一套自移式充填擋漿設(shè)備，不僅可以實(shí)現(xiàn)下傾采硐的充填也可以實(shí)現(xiàn)水平及上仰開采傾角采硐的充填。

1 自移式充填擋漿裝置概述

自移式充填擋漿設(shè)備可以全自動(dòng)行走和伸縮，由行走裝置、液壓支撐裝置、可伸縮的擋板裝置組成。行走機(jī)構(gòu)前面安裝充填擋板裝置，上方設(shè)置充填體輸送管道。當(dāng)采硐需要實(shí)施充填時(shí)，所述的自移式充填擋漿設(shè)備進(jìn)入采硐最底端，行走及支撐裝置帶動(dòng)充填管道一起進(jìn)入采硐，此時(shí)擋板裝置通過液壓支撐裝置及連桿輔助支撐調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)傾斜一定角度進(jìn)入采硐，到達(dá)充填位置擋板裝置通過液壓支撐裝置及連桿輔助支撐調(diào)節(jié)豎直立于采硐底板。充填管道通過在擋板裝置上留設(shè)的充填孔洞把充填膏體充入采硐。充填區(qū)域充填初步完成后，擋漿裝置退出一段距離后進(jìn)行再次充填，直至整個(gè)充填區(qū)域充填完成。充填時(shí)，采硐外設(shè)遠(yuǎn)程控制、定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2 行走及支撐裝置設(shè)置

行走及支撐裝置包括行走裝置、液壓支撐裝置、輔助支撐連桿。該裝置進(jìn)入采硐，運(yùn)行需要無人化、全自動(dòng)化、采硐有煤塵及瓦斯，故選定驅(qū)動(dòng)裝置為電驅(qū)動(dòng)或者電液驅(qū)動(dòng)方式?？紤]到采硐內(nèi)有撒煤、冒落，為了便于行走機(jī)構(gòu)更好的進(jìn)入與退出，同時(shí)保證行走機(jī)構(gòu)靜止時(shí)有足夠的重量及摩擦力保證不被充滿后的充填體推動(dòng)，選用履帶式的行走方式較合理。

2.1 行走裝置配置

礦山常用設(shè)備綜掘機(jī)掘進(jìn)巷道，與邊幫煤采硐工況環(huán)境相近、且驅(qū)動(dòng)方式滿足邊幫充填開采要求，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、無人化作業(yè)。在此對(duì)綜掘機(jī)進(jìn)行改造，將綜掘機(jī)前方截割部分卸除，在截割部位安裝擋板裝置，利用原綜掘機(jī)的自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)[7]。EBZ100懸臂式綜掘機(jī)技術(shù)參數(shù)為：機(jī)長8.8m，機(jī)寬2.6m，機(jī)高1.45m，機(jī)重34t，截割寬度5.0m，截割高度4.1m，總功率181kW，可經(jīng)濟(jì)截割煤巖硬度小于等于60MPa，適應(yīng)巷道坡度±18°，機(jī)器供電電壓660/1140V，液壓缸回路系統(tǒng)壓力16MPa，行走回路系統(tǒng)壓力22MPa。

機(jī)身寬2.6m小于目前常規(guī)邊幫采硐寬度3.3m；機(jī)身高1.45m，截割高度4.1m，支撐綜掘機(jī)截割部分的液壓缸位置正合適支撐替換的擋板裝置(本次擋板裝置以4m高為例)。行走裝置主體利用綜掘機(jī)改造，在改造后的綜掘機(jī)兩側(cè)配置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在該導(dǎo)航控制下的綜掘機(jī)可完全按照預(yù)定軌道行進(jìn)，軌跡偏差很小，保證前端安裝的擋板裝置在采硐中心位置。擋漿裝置到達(dá)需充填位置后，豎直擋板，延伸左右兩側(cè)與采硐壁緊貼實(shí)現(xiàn)對(duì)充填體的阻擋作用。

2.2 支撐裝置配置

綜掘機(jī)前端的采煤截割部分完全由綜掘機(jī)主體支撐，旋轉(zhuǎn)、抬升由安裝在綜掘機(jī)前方的液壓裝置控制，綜掘機(jī)采煤時(shí)液壓裝置對(duì)前方截割部分作用，截割部分受力遠(yuǎn)大于本次設(shè)置的擋板重力(17.5kN)，綜掘機(jī)對(duì)地摩擦力(1020kN)大于充填物的推力(219kN)，用擋板裝置替換綜掘機(jī)截割部分。安裝在改造后綜掘機(jī)前端的擋板裝置完全靠綜掘機(jī)主體支撐，利用原綜掘機(jī)支撐前方截割部分的液壓裝置為主要支撐裝置，同時(shí)輔助改造設(shè)置兩個(gè)連桿裝置對(duì)整個(gè)擋板裝置進(jìn)行支撐作用，暫選用兩根?50mm厚壁鋼管作為連桿支撐裝置。兩根連桿以設(shè)置在擋板裝置上的一個(gè)軸為旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)，原綜掘機(jī)上的液壓桿推動(dòng)擋板裝置以該軸為基點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

擋板裝置側(cè)壓力狀態(tài)與貯料倉相近，按下式計(jì)算擋板裝置側(cè)壓力[8-14]：

Ph=kγs

(1)

k=tan2(45°-φ/2)

(2)

式中，γ為貯料的重力密度，kN/m3；k為側(cè)壓力系數(shù)；s為貯料頂面或貯料錐體重心至所計(jì)算截面的距離，m；φ為貯料的內(nèi)摩擦角，(°)。

根據(jù)充填材料配比：暫取充填材料重力密度為15kN/m3。擋板裝置側(cè)壓力最大值Ph=31.61kPa。擋板受力取平均值F=219kN。

3 擋板裝置

3.1 擋板裝置概述

擋板裝置需要和采硐尺寸相配合設(shè)置。根據(jù)采硐寬度、煤層平均厚度設(shè)置基礎(chǔ)尺寸，同時(shí)留有一定調(diào)節(jié)范圍(初步選定為300mm)。

設(shè)計(jì)分析擋板裝置分別由基礎(chǔ)板、側(cè)延伸板、上延伸板、角延伸板、橡膠板、電液推桿等部件組成，擋板裝置三維效果如圖1所示。

圖1 擋板裝置三維效果(mm)

擋板裝置根據(jù)采硐尺寸設(shè)置基礎(chǔ)板尺寸，在基礎(chǔ)板的基礎(chǔ)上再延伸達(dá)到和采硐壁的緊貼，板四周設(shè)置橡膠板，對(duì)采硐壁有柔性調(diào)節(jié)空間，有效防止充填體外溢。

以采硐寬3.3m，平均煤塵厚度4.3m為例進(jìn)行研發(fā)：

設(shè)計(jì)擋板外形尺寸為3.0m×4.1m，可調(diào)節(jié)最大尺寸為3.3m×4.4m，設(shè)置擋板裝置傾斜角度為20°由行走裝置移入充填采硐。傾斜設(shè)置便于擋板裝置進(jìn)出采硐。

行走裝置到達(dá)充填位置，液壓裝置帶動(dòng)擋板裝置豎直立于采硐底板上方，兩側(cè)延伸板帶動(dòng)背面角延伸板由固定在筋板上方的四個(gè)整體直式電液推桿向兩側(cè)推出，每側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)直式電液推桿。待兩側(cè)延伸板頂?shù)讲身蟼?cè)壁后停止，上延伸板帶動(dòng)背面角延伸板由固定在筋板上方的兩個(gè)電液推桿向上部推出，通過充填擋漿裝置機(jī)身上設(shè)置的視頻設(shè)備觀察上延伸板動(dòng)作是否到位，到位后開始充填，待該充填段充填完成，等待充填體凝固。凝固后則上延伸板帶動(dòng)角延伸板收縮，回位后兩側(cè)延伸板帶動(dòng)角延伸板收縮歸位。待擋板裝置完全歸位后，行走裝置退出一定距離繼續(xù)分段充填。

3.2 擋板裝置零部件選取

基礎(chǔ)板、側(cè)延伸板、上延伸板均選用16mm厚Q235鋼板。

角延伸板選用20mm厚橡膠板。

四周膠板選用厚20mm，寬30mm橡膠板，橡膠板與鋼板膠粘。

電液推桿：根據(jù)板延伸長度確定電液推桿最大行程，根據(jù)受力選取DYTZ450-1/110型整體直式電液推桿。一共選用6臺(tái)。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擋板裝置的基礎(chǔ)板兩側(cè)加側(cè)延伸板、基礎(chǔ)板上方加上延伸板、側(cè)延伸板與上延伸板對(duì)應(yīng)的角部設(shè)置角延伸板，均通過滑槽鉚釘連接。

側(cè)延伸板、上延伸板外側(cè)膠粘橡膠板，對(duì)采硐壁有柔性調(diào)節(jié)空間。

側(cè)延伸板、上延伸板通過焊接在基礎(chǔ)板上的電液推桿推動(dòng)實(shí)現(xiàn)延伸，角延伸板通過側(cè)延伸板和上延伸板帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)延伸。

4 結(jié) 語

自移式充填擋漿設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)下傾、水平及上仰角度采硐的充填，有效地解決了露天礦邊幫煤回收后留下的采硐充填難題，使露天礦邊幫煤充填開采工藝得以實(shí)現(xiàn)，極大地回收了露天礦邊幫壓覆的資源，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。