崔正文

(山西高河能源有限公司,山西 長治 047199)

當前國內外采用充填法開采金屬礦技術應用較為廣泛,膏體充填開采作為當前較為先進的開采工藝正在被大力推廣應用。高河能源主動變革創(chuàng)新,大膽引入百萬噸級膏體充填開采工藝,積極打造出了一張閃亮的“綠色名片”。綠色充填開采是高河能源深入實施創(chuàng)新驅動的生動實踐,也是“在轉型發(fā)展上率先蹚出一條新路來”的努力探索。高河能源根據山西省能源革命綜合改革試點部署,持續(xù)用力構建清潔低碳用能模式[1],推進能源科技創(chuàng)新,擴大能源對外合作,始終堅持“安全第一、預防為主、綜合治理”安全生產方針和“管理、裝備、素質、系統(tǒng)”并重,積極推進安全集約高效本質安全型礦井建設,堅持綠色開采、智能開采、低碳循環(huán)發(fā)展。公司膏體充填試驗工作面3號煤層埋深408～438 m,平均420 m,圍巖應力相對不高。煤層傾角較平緩,傾角平均8°.首試充填工作面平均開采厚度6.38 m,采用分層開采,先開采上分層,再開采下分層,分層開采有利于降低地表沉陷帶來的風險。煤層直接頂為砂質泥巖或細粉砂巖,平均厚度7.5 m;偽頂為泥巖,厚度 1.82～2.13 m.充填時頂板采取臨時支護措施,并控制充填步距,保證膏體充填的質量。

目前我礦用矸石、粉煤灰、水泥等材料對采空區(qū)進行充填,工作面采高(3.2±0.1) m,一般按照割煤、隔離、充填、凝固進行循環(huán)流程作業(yè),循環(huán)進度為2.4 m,可回采煤炭約2 450 t.為積極響應集團公司算賬文化和“精益化管理、效益化管控”的理念,通過對充填作業(yè)現場深入研究。割煤產量是影響人員工效、材料消耗的重要環(huán)節(jié)。割煤后要及時進行拉架作業(yè),采空區(qū)主要依靠充填支架尾梁進行支撐,增加割煤刀數后,尾梁長度不足,無法對采空區(qū)進行支撐,需對尾梁進行改造,以提高充填工作面的經濟效益。

1 充填支架尾梁延伸裝置設計

1.1 尾梁延伸裝置引入工藝流程

充填工作面單次循環(huán)刀數由目前3刀增加至4刀或5刀后,原尾梁長度不足,無法對采空區(qū)形成有力支撐,易發(fā)生墜包、漏頂等情況,在對尾梁結構研究分析的基礎上,實現對采空區(qū)的有效支撐,滿足單次循環(huán)產量的提高需要延伸尾梁長度。

公司膏體充填液壓支架型號為ZC8500/22/40PB,推移油缸行程900 mm,推移(拉架)步距為800 mm.初始引入充填開采支架設計尾梁為1.6 m,通過頂板加裝雙層接觸網也只能將充填空間增加到2.4 m,單循環(huán)充填空間受限導致產量受限,嚴重制約充填開采效率的提升。為此通過井下實地調研,在確保充填質量的前提下,在充填開采工作面每組支架尾梁后面加裝一種延伸裝置及柔性網,進一步優(yōu)化充填工藝。該裝置能夠隨著支架前移不斷向前推進,起到支護尾梁后頂板煤層的作用,確保對頂板煤層壓力有足夠支撐力。尾梁后充填空間寬度由原來的2.4 m擴大為4 m,使有效支撐空間理論上可以保證5刀煤作業(yè),進而實現單班作業(yè)原煤產量增加[2]。

1.2 尾梁延伸裝置工藝結構

在原有充填開采支護工藝中,依托現有的充填開采支架設備及充填柱體,增加該尾梁延伸裝置,一頭與支架尾梁連接牢固,另一頭與尾梁平行搭接在充填柱體頂上。通過伸縮支架尾梁調節(jié)延伸量。每個循環(huán)周期支架多向前推進0.8 m,也就是采煤機多采1刀煤。

尾梁延伸裝置主要由尾梁連接塊、延伸體、銷軸組成。尾梁連接塊由多塊鋼板焊接,鋼板中部制作連接孔,通過銷軸與充填支架尾梁進行連接,在鋼板端部側面焊接單耳鉸接孔用于其與延伸體連接。延伸體由兩根3.2 m的12號工字鋼平行焊接,工字鋼內槽由10 mm厚鋼板內嵌式封口。在工字鋼梁頭焊接雙耳鉸接孔用于其與尾梁連接塊的連接。

安裝時,將尾梁連接塊與支架尾梁使用銷軸進行連接,連接塊緊靠支架尾梁端部,延伸體與尾梁連接塊使用銷軸進行鉸接。使用時通過操作支架尾梁千斤頂實現對充填區(qū)頂板的支護。

2 尾梁延伸裝置承受頂板壓力和移架拉力理論核算

2.1 尾梁延伸裝置受力介紹

尾梁延伸裝置通過固定連接頭與支架尾梁吊裝耳連接,吊裝耳與尾梁的焊縫強度是決定尾梁與延伸裝置可靠連接的主要因素,即尾梁與延伸裝置連接可靠性分析主要是驗算焊縫強度[3]。

尾梁和延伸裝置支護頂板的力主要來源于尾梁千斤頂,當尾梁端部受力大時,尾梁千斤頂的安全鎖開啟,尾梁下擺卸去頂板壓力,保護延伸裝置不受破壞。故焊縫強度驗算按尾梁安全閥開啟壓力計算。

焊縫受到的另一個力是移架把延伸裝置從膏體內拉出承受的拉力。

圖1 尾梁尺寸及受力簡圖(單位:mm)

圖中F1為尾梁千斤頂工作阻力為1 528 kN(缸徑為160 mm,安全閥壓力為38 MPa)。按O點取力矩平衡,計算F2=290/2 285×1 528=194 kN,頂板巖石容重為26 kN/m3,尾梁裝置受力面積約為1 m2,尾梁端部可支撐的頂板巖層厚度為194/26=7.5 m,約等于直接頂厚度。

尾梁延伸裝置焊縫焊腳尺寸為14 mm,為直角焊縫、周圈焊,焊接抗拉強度為800 MPa.

2.2 尾梁支護頂板時焊縫強度計算

焊縫受到剪切力Q=F2,吊耳中心距焊縫0.065 m.所受的彎矩M為194 kN×0.065 m=12.61 kN·m.

1) 焊縫剪切應力[4]:

(1)

式中:K為焊腳尺寸,取14 mm;L為焊縫水平長度(周圈焊),取130 mm;h為焊縫垂直高度,取30 mm.代入式(1)得,剪切應力約為62 MPa.

2) 焊縫彎曲應力:

(2)

將上述相關參數代入式(2)得,焊縫彎曲應力為185 MPa.

3) 焊縫綜合應力:

(3)

將σ1和τ代入式(3)得綜合應力為213 MPa.

2.3 移架時焊縫強度計算

焊縫拉應力[5]:

(4)

式中:F為拉架力為716 kN,將相關參數代入式(4)得拉應力為228 MPa.

2.4 理論核算可行性分析

焊縫焊接抗拉強度800 MPa,其屈服強度至少為母材屈服強度(Q460),由上述計算可知,吊耳彎剪組合條件下焊縫綜合應力為213 MPa,移架時焊縫受到的拉應力為228 MPa,可見兩種工況下焊縫受到的應力均小于母材屈服強度,在焊縫焊接質量可靠的情況下,尾梁延伸裝置能承受頂板壓力和移架拉力[6]。

3 尾梁延伸裝置效益分析

原先膏體充填開采為3天1個循環(huán),每個循環(huán)采3刀煤,在工作面使用該支架尾梁延伸裝置后,每個循環(huán)采煤4刀,能多出1刀煤量,產量可提高34%,材料費用能降低34%,工時利用率顯著提高。

實施該項目后,在每個循環(huán)周期采煤機能多采1刀煤,材料成本由6.41萬元降為4.55萬元,若實現單次循環(huán)產量由3刀提高至5刀后,充填作業(yè)需要的卷網、隔離布、草氈等材料消耗將會明顯降低。每個循環(huán)周期能多產出煤炭815 t,按計算,2019—2021年,原煤的平均價格為856元,3天1個單循環(huán)即可多創(chuàng)造直接煤炭價值69.7萬元。今后若實現單循環(huán)提高至5刀煤,3天1個單循環(huán)可提高煤炭產量1 630 t,創(chuàng)造直接經濟效益達139.5萬元。

該創(chuàng)新項目對采用充填工藝的其他礦井可以提供一個很好的參考,具備極大的推廣應用價值。

4 結 語

在對尾梁延伸裝置承受的頂板壓力和移架拉力進行詳細理論驗證可行性的前提下,結合井下實際應用情況,證實該裝置能夠隨著支架前移不斷向前推進,對尾梁后頂板煤層壓力有足夠支撐力,目前已經實現每個循環(huán)周期充填支架多向前推進0.8 m,即多采1刀煤,產量提高34%,材料費用能降低34%,工時利用率顯著提高。該裝置的成功應用對其他礦井充填開采工藝提升提供了有益參考。