復(fù)雜薄煤層工作面機(jī)械化快速沿空留巷成套裝備研究與應(yīng)用

李冠冠

（冀中能源股份有限公司 章村礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

我國的煤礦開采絕大多數(shù)采用井工開采，需要掘進(jìn)大量的巷道，在采區(qū)工作面之間留設(shè)一定寬度的煤柱進(jìn)行護(hù)巷,造成大量煤炭資源的浪費(fèi),甚至可以占到全礦煤炭損失的40%左右。如果煤柱留設(shè)不合理，還會(huì)使覆巖應(yīng)力在煤柱處形成集中,對其附近巷道造成破壞。因此,推廣沿空留巷開采，研究機(jī)械化、自動(dòng)化快速沿空留巷技術(shù)，對安全生產(chǎn)、提高煤炭回采率和增加經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

2 預(yù)裂爆破切頂卸壓留巷法

中國礦業(yè)大學(xué)何滿潮院士對預(yù)裂切頂留巷技術(shù)圍巖變形機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出了110 工法開采技術(shù)以及N00 工法開采技術(shù)。110 工法，即“1個(gè)工作面，1 條巷道，0 個(gè)煤柱”，其核心是切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，首先利用恒阻錨索對巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，以保證隨后預(yù)裂頂板切頂時(shí)不影響自動(dòng)形成的巷道質(zhì)量；其次利用切縫鉆機(jī)施工爆破鉆孔，聚能爆破裝置超前預(yù)裂頂板，在頂板形成裂縫；再利用礦山壓力在采場周期來壓時(shí)沿頂板裂縫自動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿空切頂，切落的頂板形成巷幫，同時(shí)借助巖石碎脹系數(shù)，使巖石破碎后的體積壓實(shí)并隔斷采空區(qū)，從而自動(dòng)形成下一回采巷道。110 工法布置方式如圖1 所示。

3 章村礦沿空留巷技術(shù)應(yīng)用情況

3.1 第一階段

章村礦自2007 年轉(zhuǎn)入-200 水平西翼開采以來，地質(zhì)條件更為復(fù)雜，煤層薄，規(guī)劃采區(qū)面積小，區(qū)段少，無法實(shí)施跳采。在此情況下，引進(jìn)并制定了適合該礦的沿空留巷技術(shù)。2008 年在4224采區(qū)采用巷旁無充填自然矸石垛支撐法進(jìn)行沿空留巷，并取得了一定成效。但該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過程中，留巷段受采動(dòng)影響，存在以下問題。

（1） 巷道頂板下沉，底鼓、幫鼓變形量大，巷道維護(hù)困難。

（2） 留巷支撐壓力區(qū)內(nèi)受矸石垮落影響，單體損壞率高，約占30%左右。

（3） 動(dòng)壓影響范圍大（120 m 左右），留巷后路臥底擴(kuò)幫整修時(shí)，需要鋪設(shè)多部刮板輸送機(jī)接力出渣，崗位工多，機(jī)電事故率高，設(shè)備檢修維護(hù)量大。

（4） 留巷段內(nèi)支設(shè)單體密集，作業(yè)空間狹小，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全系數(shù)低。

3.2 第二階段

為改善沿空留巷作業(yè)條件，降低留巷成本，提高留巷效率，2018 年在4231 采區(qū)推廣應(yīng)用切頂爆破卸壓110 工法開采技術(shù)。在超前工作面50～70 m 范圍進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂泄壓，將巷道空區(qū)側(cè)頂板沿走向拉開一條縫，降低留巷受采動(dòng)影響壓力，減小了巷道變形量。工作面采過后，頂板沿切縫垮落形成巷幫，留巷期間采用可伸縮U 型鋼支架配合雙層金屬網(wǎng)片進(jìn)行擋矸及支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了鄰面接替連續(xù)開采。

但章村礦屬薄煤層開采，工作面推進(jìn)快，沿空留巷進(jìn)度慢、安全性能差，崗位工多、機(jī)電事故率高、設(shè)備檢修維護(hù)量大的問題依然存在，嚴(yán)重影響著礦井的安全高效開采。因此，需要引入機(jī)械化快速沿空留巷成套裝備工藝。

圖1 110 工法布置方式Fig.1 110 layout

4 機(jī)械化快速沿空留巷成套裝備

機(jī)械化快速沿空留巷技術(shù)就是在超前工作面50～70 m 范圍采用DCA-45 型切縫鉆機(jī)打預(yù)裂爆破孔，在沿空留巷成巷整修段采用MWD5.1/0.13型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行擴(kuò)幫臥底，采用DSJ65 自移式后置驅(qū)動(dòng)變頻永磁滾筒帶式輸送機(jī)出渣，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化快速沿空留巷，如圖2 所示。

圖2 沿空留巷整修運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.2 Transportation system in gob-side entry

4.1 DCA-45 型自動(dòng)成巷超前切縫鉆機(jī)

切縫孔的施工是切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)，要求成孔質(zhì)量好，鉆孔角度符合規(guī)定，所有鉆孔成一條直線?；诟哔|(zhì)量成孔的要求，選用DCA-45 型自動(dòng)成巷超前切縫鉆機(jī)，如圖3 所示，主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸（長×寬×高） /m 2 400×700×1 800

鉆臂數(shù)量 2 個(gè)

適應(yīng)巷道高度/m 1.9～2.4

整機(jī)功率/kW 45

工作壓力/MPa 18

額定轉(zhuǎn)矩/N·M 300

額定轉(zhuǎn)數(shù)/（r·min-1）460

爬坡能力/(°) ±18

鉆臂沿集體側(cè)向行程/mm 350

鉆臂沿集體軸向行程/mm 100

鉆臂沿集體側(cè)向擺角/(°) ±30

鉆臂沿集體軸向擺角/(°) ±10

圖3 DCA- 45 型自動(dòng)成巷超前切縫鉆機(jī)Fig.3 DCA-45 automatic roadforming advanced cutting drilling machine

該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、動(dòng)作靈活，具有良好的通過性，適用于順槽皮帶里部狹窄巷道作業(yè)；操作簡單，定位方便，2 個(gè)鉆臂配備2 臺(tái)大扭矩馬達(dá)同時(shí)作業(yè)，打孔效率高；2 個(gè)鉆臂可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，能夠滿足鉆孔軸線與鉛垂線夾角的要求，成孔質(zhì)量好，易于裝入定向爆破聚能管，當(dāng)液壓鉆車處于斜坡上時(shí)，通過擺動(dòng)機(jī)構(gòu)對鉆臂進(jìn)行調(diào)整，滿足鉆孔平行度的要求，當(dāng)巷道條件較差時(shí)，可避免出現(xiàn)交叉孔、鉆孔軸線與鉛垂線夾角不符合要求等原因造成頂板垮落不充分的情況。

4.2 MWD5.1/0.13L 型液壓挖掘機(jī)

MWD5.1/0.13L 型液壓挖掘機(jī)是章村礦與廠家聯(lián)合研發(fā)的六自由度液壓挖掘機(jī)，如圖4、圖5 所示。該裝備充分采用了六自由度平臺(tái)底層架構(gòu)，由6 根油缸、12 只萬向鉸鏈和上、下2 個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助6 根油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸（長×寬×高）/mm 5 600×1 150×1 650

標(biāo)準(zhǔn)斗容量/m 0.13

額定功率/kW 30

最大挖掘力（鏟斗） /kN 16.3

回轉(zhuǎn)平臺(tái)最大轉(zhuǎn)角/(°) 180

爬坡能力/(°) ±13

最大挖掘高度/mm 4 000

最大卸料高度/mm 2 600

最大挖掘深度/mm 1 000

最大挖掘半徑/mm 4 000

最大地面水平挖掘距離/mm 4 300

該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，適合留巷狹小空間內(nèi)的臥底、擴(kuò)邦、擴(kuò)頂?shù)认锏佬迯?fù)工作；回轉(zhuǎn)平臺(tái)可180°旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂、鏟斗均可360°旋轉(zhuǎn)，可伸到皮帶下方進(jìn)行勾裝作業(yè)，實(shí)現(xiàn)巷道修復(fù)機(jī)械化無死角作業(yè)；可快速更換破碎錘對巖石進(jìn)行破碎。與傳統(tǒng)的人工作業(yè)相比，減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

圖4 MWD5.1/0.13L型液壓挖掘機(jī)Fig.4 MWD5.1/0.13L hydraulic excavator

圖5 六自由度平臺(tái)底層架構(gòu)Fig.5 The underlying architecture of the 6-DOF platform

4.3 DSJ65/10/2×40 型自移式后置驅(qū)動(dòng)變頻永磁滾筒帶式輸送機(jī)

該裝備主要技術(shù)參數(shù)如下（永磁同步電動(dòng)滾筒型號(hào)STBY40-2.0-630×800）：

裝機(jī)功率/kW 2×40

輸送能力/(t·h-1) 100

帶速/(m·s-1) 2

該帶式輸送機(jī)使用永磁滾筒驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)，節(jié)電效果明顯（節(jié)電約30%），運(yùn)行穩(wěn)定，事故率低。該帶式輸送機(jī)采用后置驅(qū)動(dòng)方式，將驅(qū)動(dòng)部分固定在留巷最里端，不隨巷道推進(jìn)外移，卸載部分直接與轉(zhuǎn)載機(jī)萬向連接，隨工作面推進(jìn)整體自移前進(jìn)，伸縮部分在中部，采用多節(jié)儲(chǔ)帶倉進(jìn)行延長。這套系統(tǒng)充分考慮了留巷空間小、巷道變形快、臥底量大等不利因素，用一部皮帶代替原有多部刮板輸送機(jī)接力出渣方式，簡化了運(yùn)輸環(huán)節(jié)，皮帶維護(hù)費(fèi)用也比刮板輸送機(jī)維護(hù)費(fèi)用低，延長皮帶時(shí)直接添加托輥和縱梁，避免了人工抬運(yùn)溜槽，在留巷空間小的不利因素下，有效降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。永磁滾筒帶式輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接如圖6 所示。

圖6 永磁滾筒帶式輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接Fig.6 Lap connection between permanent magnet roller belt conveyor and transfer machine

5 應(yīng)用效果

（1） 機(jī)械化快速沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用章村礦提高了沿空留巷效率，實(shí)現(xiàn)了薄煤層沿空留巷的機(jī)械化修復(fù)，減少了留巷內(nèi)作業(yè)人數(shù)和運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了煤礦事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了安全高效留巷。

（2） 采用機(jī)械化沿空留巷后，留巷內(nèi)工效由原來的0.1 m/ 工提高到0.2 m/ 工，工效提高了100%。

（3） 原來沿空留巷每米成本4 983 元，采用機(jī)械化沿空留巷系統(tǒng)后，每米成本為2 451 元，留巷每米成本降低2 468 元。2下3103 工作面留巷長度約890 m，節(jié)約成本220 萬元，效益顯著。與新掘巷道（半煤巖巷） 每米成本為6 545 元相比，留巷每米成本降低4 075 元，節(jié)約成本363 萬元，效益顯著。

6 結(jié) 語

章村礦薄煤層工作面機(jī)械化沿空留巷系統(tǒng)改變了以前粗放式的生產(chǎn)方式，將用機(jī)器代替人工作業(yè)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改進(jìn)了工藝流程，推進(jìn)了煤炭的合理開發(fā)和綜合利用，保障了煤礦安全高效生產(chǎn)。