陳綱
(山西華陽新材料科技集團機電設(shè)備管理中心,山西 陽泉 030499)
隨著煤礦生產(chǎn)裝備的不斷發(fā)展進步,采掘工作面的主要生產(chǎn)工藝如落煤、裝煤、支護等均已機械化,實現(xiàn)了高效安全生產(chǎn),并逐步向自動化、智能化方向發(fā)展。但巷道臥底、擴幫等一些采掘輔助作業(yè)由于空間的限制仍然以人工為主,機械化水平較低。近年來,陽煤一礦隨著工作面開采深度和強度的不斷增加,巷道變形尤其是工作面兩順槽變形嚴重,巷道修復(fù)工程量急劇增加。采用傳統(tǒng)的人工修復(fù)方式,不僅費時費力、效率低下,而且冒頂、掉渣時存在安全隱患。因此,研究使用專用的巷道修復(fù)設(shè)備對煤礦高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)具有重要意義。
陽煤一礦8304綜采工作面位于+669水平南條帶三采區(qū),所采煤層為15號煤,埋深為448.7~707.2 m,煤層厚度為6.73~5.93 m,平均6.29 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。
表1 煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Coal seam roof and floor lithology
8304工作面東部為三采區(qū)輔助回風(fēng)巷,西部為三采區(qū)大巷,北部為8303工作面采空區(qū),南部為設(shè)計的8306工作面。工作面傾斜長度206 m,走向長度1 535 m,采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤一次采全厚采煤方法。
工作面兩順槽超前支護采用的是單體柱+π型梁支護,設(shè)置兩排,支護距離不少于20 m。
8304工作面在回采過程中,兩順槽變形量大,需要對巷道進行維修才能滿足生產(chǎn)要求,巷道變形特征主要有以下方面。
(1)巷道變形劇烈。在工作面前方,巷道失穩(wěn)嚴重,變形以底鼓和幫鼓為主,根據(jù)觀測,最大底鼓量可達800~900 mm,幫鼓以回采幫為主,最大可達600 mm,巷道斷面收縮率達60%,需要在工作面前方不斷進行維修。
(2)支護體損壞嚴重。工作面順槽頂板錨桿等支護體出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象,巷道兩幫錨桿被吸入煤體中,金屬網(wǎng)被扯斷,頂板部分區(qū)域網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴重,存在安全隱患。
(3)運輸巷變形量大。8304工作面兩順槽的變形具有明顯的區(qū)別,工作面運輸巷變形量顯著大于運料巷,運料輸巷的維修工程量約為運輸巷的70%左右。
結(jié)合8304工作面的地質(zhì)條件,分析認為順槽變形大主要有以下原因。
(1)超前支承壓力的影響。工作面回采過程中,工作面前方支承壓力重新分布,對巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,造成巷道變形劇烈。根據(jù)工作面來壓情況,工作面超前支承壓力的影響范圍約為26~34 m。
(2)地質(zhì)構(gòu)造的影響。8304工作面總體為一單斜構(gòu)造,圈定的工作面回采范圍內(nèi)有褶曲構(gòu)造2條,斷層7條,地質(zhì)構(gòu)造附近巖層破碎,承載能力差,易發(fā)生劇烈變形。
(3)頂?shù)装鍘r性。8304工作面的直接頂?shù)装寰鶠槟鄮r,自穩(wěn)能力差,受工作面回采的影響,工作面區(qū)域的底板應(yīng)力向巷道內(nèi)傳遞,由于泥巖的強度較低,因此變形嚴重。
(4)采空區(qū)的影響。8304運輸巷靠近8303采空區(qū),受臨近采空區(qū)殘余支承壓力和該工作面超前支承壓力的雙重影響,變形量明顯增大。
為實現(xiàn)陽煤一礦8304工作面的安全高效生產(chǎn),除了對原有支護系統(tǒng)進行優(yōu)化改進外,對已經(jīng)發(fā)生的巷道變形也需要及時修復(fù)。傳統(tǒng)的人工修復(fù)方式費時費力,且存在安全隱患。通過分析研究,決定選用WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機對8304工作面已經(jīng)發(fā)生的巷道變形進行修復(fù)。
WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機是針對煤礦巷道維修的一款專用設(shè)備,該設(shè)備集挖掘、破碎、裝載于一體,根據(jù)不同的現(xiàn)場條件安裝不同的裝置即可實現(xiàn)不同的功能,主要應(yīng)用于巷道順槽的臥底、擴幫以及大巷的維修等,如圖1所示。
圖1 巷道修復(fù)機機械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of roadway repairing machine
WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機尺寸為6 300 mm×1 260 mm×2 240 mm,寬度小,可適應(yīng)不同尺寸的巷道,可根據(jù)不同需要安裝破碎錘、鏟斗等,實現(xiàn)不同的作業(yè)形式,并且該型巷道修復(fù)機操作簡單,經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可上崗,效率高。該設(shè)備的主要參數(shù)如下:
WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機主要由工作機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。
3.2.1 工作機構(gòu)
巷道修復(fù)機的工作機構(gòu)主要指工作臂,工作臂前端與執(zhí)行機構(gòu)相連,后端與修復(fù)機車體相連。WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機工作臂采用可彎曲設(shè)計,由三段組成,可根據(jù)巷道尺寸的變化調(diào)節(jié),避免與錨桿索及巷道壁接觸。工作臂主要由偏轉(zhuǎn)機構(gòu)、基礎(chǔ)臂、油缸等組成,偏轉(zhuǎn)機構(gòu)可實現(xiàn)機體的左右擺動,以適應(yīng)不同寬度的巷道;伸縮臂主要實現(xiàn)臂長的改變,適應(yīng)不同高度的巷道。
3.2.2 執(zhí)行機構(gòu)
巷道修復(fù)機執(zhí)行機構(gòu)負責(zé)巷道進行臥底擴幫、圍巖破碎以及煤矸裝載等工作。根據(jù)不同的工作需要,可在工作機構(gòu)上安裝鏟斗、破碎錘、切割機等。
3.2.3 行走機構(gòu)
WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機采用履帶行走,主要由履帶梁、輪轂系統(tǒng)、馬達系統(tǒng)等組成。輪轂系統(tǒng)中的引導(dǎo)輪引導(dǎo)履帶按照指定的方向行走,支重輪主要負責(zé)支撐整個巷道修復(fù)機的重量,與引導(dǎo)輪共同保證履帶不滑脫。行走機構(gòu)中安裝有張緊油缸,使履帶維持在一定的張緊度上,防止履帶過緊和過松,過緊則磨損過快,過松則容易脫落,影響生產(chǎn)。
3.2.4 液壓系統(tǒng)
WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機液壓系統(tǒng)采用3泵串聯(lián)的方式連接,為工作機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)等提供動力,其中2個泵為變量泵,1個泵為定量泵。變量泵采用專門管路,流量獨立控制,可實現(xiàn)對不同機構(gòu)、不同壓力的精確控制。為防止系統(tǒng)過載,變量泵的最高壓力為20 MPa。
3.2.5 控制室
控制室是整個修復(fù)機的控制中心,修復(fù)機的所有動作都可以在控制室內(nèi)操作完成。操作室內(nèi)有壓力表、手柄以及安裝架等,壓力表顯示液壓系統(tǒng)變量泵的壓力,手柄用來操作修復(fù)機完成擺臂、舉臂、回落等不同的動作。
目前常用的巷道維修設(shè)備配套方案有3種。
(1)巷道修復(fù)機和礦車。
該方案中,將巷道臥底及擴幫等的出渣直接通過修復(fù)機送入到礦車中,多節(jié)礦車可實現(xiàn)連續(xù)裝載,該方案需要設(shè)置道岔車場用于倒車,適用于軌道巷,和維修工程量小、出渣量小的巷道。
(2)巷道修復(fù)機、轉(zhuǎn)載機和礦車。
與上方案相比,該方案增加了轉(zhuǎn)載機,刮板輸送機、膠帶輸送機均可作為轉(zhuǎn)載設(shè)備使用。首先利用巷道修復(fù)機將維修中的煤矸等裝載到轉(zhuǎn)載機中過渡,然后輸送至礦車中??梢栽谶m當(dāng)位置設(shè)置矸石倉,存儲一定量的煤矸,然后利用耙?guī)r機運至礦車中,可在一定程度上提高出矸速度。
(3)巷道修復(fù)機和膠帶輸送機。
該方案可實現(xiàn)連續(xù)出矸,適用于運輸順槽的巷道維修。隨著挖底工作向前進行,可以在膠帶輸送機和修復(fù)機之間增加轉(zhuǎn)載機,例如刮板輸送機等,可提高生產(chǎn)效率。
根據(jù)8304工作面的實際情況,確定選用方案三的設(shè)備配套方案,即在運輸順槽采用修復(fù)機進行挖底,煤矸裝載在膠帶輸送機上進行運輸。
8304工作面采用WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機進行維修的工藝流程如圖2所示。具體為拆除巷道超前支護的中排點柱;在修復(fù)機上安裝截割頭,對巷道進行擴幫,巷道擴幫后及時進行支護;如果巷道底板較硬或者有大塊矸石,截割頭難以施工時,更換為破碎錘對巷道進行挖底。挖底完成后,將破碎機更換為鏟斗,將煤矸裝載到膠帶輸送機上運出。
圖2 巷道修復(fù)機施工工藝流程Fig.2 Construction process of roadway repairing machine
與傳統(tǒng)的人工挖底、擴幫相比,8304工作面采用WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機后,巷道修復(fù)效率大大提高,并減少了工作人員數(shù)量。兩種巷 道維修方式的對比見表2。
表2 不同巷道維修方式的對比Table 2 Comparison of different roadway maintenance methods
采用巷道修復(fù)機對巷道進行維修后,立即設(shè)置測站對巷道底板和兩幫的變形進行監(jiān)測。由于距離工作面較近,觀測持續(xù)時間為一周左右,觀測結(jié)果如圖3所示。觀測結(jié)果表明,巷道變形量明顯減小,最大底鼓量為30 mm,幫鼓量為22 mm。表明巷道修復(fù)機對巷道圍巖的擾動較小,維修后巷道迅速進入穩(wěn)定狀態(tài),保證了工作面的正常生產(chǎn)。
圖3 巷道變形監(jiān)測Fig.3 Roadway deformation monitoring
(1)受工作面超前支承壓力、地質(zhì)構(gòu)造和頂?shù)装鍘r性等的影響,陽煤一礦8304工作面順槽變形劇烈,支護體損壞嚴重,巷道維修量大,采用傳統(tǒng)的人工維修方式費時費力。
(2)WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機可根據(jù)不同的現(xiàn)場條件安裝不同的裝置實現(xiàn)挖掘、破碎、裝載等不同的功能,主要應(yīng)用于巷道順槽的臥底、擴幫以及大巷的維修等。
(3)8304運輸巷巷道修復(fù)機的應(yīng)用表明,WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機能夠適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境,在短時間內(nèi)即可實現(xiàn)破碎器、切割器和挖斗功能的轉(zhuǎn)換,減少了人工數(shù)量和作業(yè)強度,為工作面大變形順槽的快速修復(fù)工作提供了裝備保障,實現(xiàn)了井下巷道修復(fù)的機械化作業(yè),經(jīng)濟和社會效益顯著,具有推廣應(yīng)用前景。