綜采工作面異型端頭支護(hù)裝備研究與應(yīng)用

蔣延峰

(黃陵礦業(yè)公司生產(chǎn)服務(wù)分公司，陜西 延安 727307)

0 引言

隨著礦井機(jī)械化和自動(dòng)化程度的不斷提升，智能化綜采工作面成套綜采設(shè)備的研究與應(yīng)用已成一種必然趨勢，不僅能夠減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少人員的密集程度，同時(shí)也能夠?yàn)榈V井高效、高產(chǎn)提供安全保障[1-3]。黃陵礦業(yè)公司一號(hào)煤礦已實(shí)現(xiàn)薄煤層與中厚煤層智能化綜采工作面成套綜采設(shè)備的研究與應(yīng)用，工作面小三機(jī)、膠帶機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架、兩順槽超前支護(hù)均已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，整個(gè)工作面實(shí)現(xiàn)一人巡視、無人操作、地面常態(tài)化采煤[4-6]。但綜采工作面上下隅角，運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾前后空頂處依舊采用“單體液壓支柱+鉸接頂梁”來進(jìn)行支護(hù)，這種方式存在支護(hù)強(qiáng)度低、速度慢，作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高的問題，同時(shí)導(dǎo)致降柱、支柱過程中危險(xiǎn)性增大，不能滿足當(dāng)今高產(chǎn)、高效礦井的要求[7-9]。國外發(fā)達(dá)國家的煤礦回采巷道端頭支護(hù)等級(jí)較高，多采用成本高昂的高密度U型鋼，或者是地質(zhì)條件好，無須二次支護(hù)，所以其巷道支護(hù)與我國的實(shí)際條件有所不同，亦未見類似的巷道加強(qiáng)支護(hù)設(shè)備[10-13]。為此研究綜采工作面下隅角端頭支護(hù)方式，進(jìn)一步有效控制工作面端頭段圍巖與支護(hù)，并穩(wěn)定采動(dòng)影響區(qū)域，從而提高工作面安全程度迫在眉睫。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 煤層賦存條件

黃陵一號(hào)煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.20 Mt/a，主采2號(hào)煤層，平均厚度為2.10 m，傾角3°～5°，煤層結(jié)構(gòu)由簡單至復(fù)雜，含夾矸0～5層，單層厚度在0.03～0.15 m之間，最大總厚度1.30 m，多為炭質(zhì)泥巖及泥巖。煤種屬低-中灰、低-特低硫、中磷的一號(hào)肥氣煤和二號(hào)弱粘結(jié)煤。

1.2 綜采工作面參數(shù)

1005綜采工作面范圍內(nèi)2號(hào)煤層平均厚度為2.15 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為細(xì)粒砂巖，底板為炭質(zhì)泥巖。煤層傾角1°～5°，沿切眼向停采線方向逐漸升高，煤層賦存結(jié)構(gòu)簡單，僅存在小構(gòu)造。1005綜采工作面為單巷U型布置，工作面長度為235 m，進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計(jì)為矩形巷道，掘?qū)?.6 m，掘高2.8 m。頂板采用錨桿+T140型鋼帶+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。巷道正幫采用玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)支護(hù)，副幫采用金屬錨桿+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

2 異型端頭支護(hù)裝備設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

以1005綜采工作面現(xiàn)場幾何尺寸及特點(diǎn)，開發(fā)端頭異型支架，替換下隅角的單體支柱和珍珠巖。設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場尺寸、支護(hù)強(qiáng)度和高度需求的切頂支架，并適用于運(yùn)輸機(jī)發(fā)生上竄下滑的情況。采用可人為控制的頂板破壞裝置，對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂。采用編程的方式對(duì)頂板進(jìn)行有規(guī)律的切頂操作，切頂支柱為φ230 mm缸徑立柱，立柱頂部帶切頂專用柱帽。應(yīng)用電液控技術(shù)、遙控控制技術(shù)以及遠(yuǎn)程操控技術(shù)，滿足智能化綜采工作面建設(shè)需求。

2.2 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

綜采工作面異型端頭支護(hù)裝備能夠有效減少工作人員數(shù)量、增加作業(yè)人員安全系數(shù)、降低材料費(fèi)用等。主要表現(xiàn)為：比傳統(tǒng)單體支護(hù)強(qiáng)度高支護(hù)速度快，兩架一組，能實(shí)現(xiàn)自移；避免了人員進(jìn)入切頂區(qū)域內(nèi)回、支護(hù)單體，安全系數(shù)高。此外，節(jié)約大量的材料費(fèi)用，包括單體液壓支柱、鉸接梁和珍珠巖；能對(duì)頂板自動(dòng)反復(fù)進(jìn)行強(qiáng)制破壞，取消了以往人工施工強(qiáng)制放頂；可接入工作面自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、遙控、自動(dòng)拉移支護(hù)等功能。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)要求

通過對(duì)端頭支護(hù)情況的分析，并進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，提出端頭支護(hù)裝備的技術(shù)參數(shù)及功能要求見表1。

根據(jù)技術(shù)參數(shù)需求，設(shè)計(jì)異形端頭支護(hù)裝備圖紙如圖1所示。

圖1 異型端頭支架設(shè)計(jì)

2.4 設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成以后，需要對(duì)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵，主要對(duì)以下3個(gè)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。

支護(hù)強(qiáng)度：根據(jù)4倍工作面的采高按照式(1)對(duì)要求的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算

P=4γh

(1)

式中，P為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；γ為頂板巖石容重，取2.5 t/m3；h為煤層采高，取2.6 m。根據(jù)式(1)計(jì)算要求的支護(hù)強(qiáng)度為0.255 MPa。異形端頭支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.32 MPa，大于計(jì)算要求的0.255 MPa，所以異形端頭支架的支護(hù)強(qiáng)度滿足使用要求。

單體支柱的初撐力：根據(jù)黃陵一號(hào)煤礦的支護(hù)情況，采用直徑100 mm的單體支柱，配合π型梁支護(hù)，棚距為1.0 m，一梁兩柱，所以10 m范圍內(nèi)單體數(shù)量約為20根。在10 m范圍內(nèi)單體支柱的主動(dòng)支撐力按照式(2)進(jìn)行計(jì)算

F=n·fc

(2)

式中，F(xiàn)為主動(dòng)支撐力，kN；n為單體根數(shù)，取20；fc為單根單體支撐力，取90 kN。根據(jù)式(2)計(jì)算要求的10 m范圍內(nèi)單體支柱的主動(dòng)支撐力為1 800 kN。異形端頭支架支撐力為5 232 kN，遠(yuǎn)大于計(jì)算要求的1 800 kN，異型端頭支架的初撐力是原有單體支柱初撐力的2.91倍，因此異形端頭支架初撐力滿足使用要求。

工作阻力：在10 m范圍內(nèi)單體支柱的工作阻力按照式(3)進(jìn)行計(jì)算

F=n·fz

(3)

式中，F(xiàn)為工作阻力,kN；n為單體根數(shù)，取20；fz為單根工作阻力，取250 kN。根據(jù)式(3)計(jì)算要求的10 m范圍內(nèi)單體支柱的工作阻力為5 000 kN。異型支架工作阻力/單體支柱工作阻力為6 400 kN，異型端頭支架的工作阻力是原有單體支柱工作阻力的1.28倍，因此異形端頭支架工作阻力滿足使用要求。

3 異型端頭支護(hù)裝備電液遠(yuǎn)程控制技術(shù)

黃陵一號(hào)礦井綜采工作面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)，將異形端頭支護(hù)裝備接入綜采工作面環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制。

3.1 綜采工作面SAM自動(dòng)控制系統(tǒng)

異形端頭支護(hù)裝備與工作面控制系統(tǒng)(采煤機(jī)控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運(yùn)輸控制系統(tǒng)、三機(jī)通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng))有機(jī)結(jié)合，隨著綜采工作面的推進(jìn)，異型端頭支護(hù)裝備進(jìn)行自動(dòng)移架和支護(hù)，與綜采工作面的設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)管理與集中控制，SAM型綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SAM型綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2 異形端頭支護(hù)設(shè)備SAC電液控制系統(tǒng)

3.2.1 異型端頭支護(hù)裝備結(jié)構(gòu)

異型端頭支護(hù)裝備主要支護(hù)千斤頂有推拉千斤頂、前后立柱千斤頂、前梁千斤頂、頂護(hù)壁千斤頂、中護(hù)壁千斤頂、調(diào)低千斤頂?shù)?，所以選擇具有11項(xiàng)功能的控制器和主閥，并在超前區(qū)域安裝攝像儀，對(duì)異型端頭支護(hù)裝備進(jìn)行可視化管理。異型端頭支護(hù)裝備數(shù)據(jù)上傳架構(gòu)如圖3所示。

圖3 異型端頭支護(hù)裝備數(shù)據(jù)上傳架構(gòu)

3.2.2 SAC電液控制系統(tǒng)

異型端頭支護(hù)裝備上配置一套支架控制單元(支架控制器)，支架控制單元以26項(xiàng)功能支架控制器為核心控制部件。支架控制單元包括支架控制器1個(gè)，電磁驅(qū)動(dòng)器1個(gè)，電液控?fù)Q向閥1個(gè)，推移千斤頂行程傳感器1個(gè)，監(jiān)測支架頂板壓力的立柱壓力傳感器1個(gè)，連接器以及固定安裝所需的附件等，部件詳細(xì)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 異型端頭支護(hù)裝備控制部件構(gòu)成

3.2.3 基本功能

自動(dòng)移架控制：系統(tǒng)具有單架自動(dòng)移架控制功能，可以按照既定的控制程序，實(shí)現(xiàn)支架的降、移、升動(dòng)作的自動(dòng)控制。

工作面頂板圍巖耦合：通過初撐力自動(dòng)補(bǔ)償和帶壓移架等功能，實(shí)現(xiàn)切頂處頂板和工作面頂板的圍巖耦合。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定初撐力值，設(shè)置支架的自動(dòng)補(bǔ)液功能，并可根據(jù)頂板壓力的變化情況和變化規(guī)律，在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)支架補(bǔ)液壓力閾值，實(shí)現(xiàn)支架與工作面頂板的圍巖動(dòng)態(tài)耦合。

4 工程應(yīng)用效果

4.1 異型端頭支護(hù)裝備支護(hù)效果分析

根據(jù)黃陵一號(hào)煤礦1005綜采工作面工程地質(zhì)情況及主要參數(shù)要求，設(shè)計(jì)的異型端頭支護(hù)裝備成功在黃陵一號(hào)煤礦117綜采工作面進(jìn)行應(yīng)用，可替換下隅角的單體支柱和珍珠巖封堵的電液控切頂支架，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道下隅角前后空頂處的全斷面支護(hù)和封堵。新型端頭支架互為支點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自移功能，接入工作面電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制；兩側(cè)增加活動(dòng)板、安裝廢舊皮帶代替珍珠巖封堵。以往下隅角需人工施工強(qiáng)制放頂煤，該裝置在投入使用后，取代了以往工作人員進(jìn)入切頂處回收、支護(hù)單體，封堵下隅角，立柱可定時(shí)反復(fù)自動(dòng)對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制破壞，確保頂板及時(shí)垮落，減少了端頭作業(yè)人員。新型端頭支護(hù)裝備采用窄頂梁、寬底座設(shè)計(jì)，并增加頂梁兩側(cè)反板梁設(shè)計(jì)，能更好適用于運(yùn)輸機(jī)上竄下滑，寬底座可有效地遏制底鼓，提高支架穩(wěn)定性。該切頂支護(hù)項(xiàng)目實(shí)施后，可實(shí)現(xiàn)下隅角切頂支架的安全快速移架。進(jìn)一步提高綜采工作面自動(dòng)化程度，降低作業(yè)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)環(huán)境，促進(jìn)煤礦開采技術(shù)進(jìn)步，符合“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”建設(shè)理念。

4.2 異型端頭支護(hù)裝備主要效益分析

異型端頭支護(hù)裝備在投入使用后，徹底替代了單體液壓支柱和珍珠巖，全年節(jié)約支護(hù)材料費(fèi)用約20萬元。傳統(tǒng)的液壓單體支護(hù)工序全過程依靠人力完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全隱患多，生產(chǎn)班每班需要4名超前支護(hù)人員。使用異型端頭支護(hù)裝備后，每班只需2人即可完成作業(yè)，大大節(jié)約了人工的投入，節(jié)省人力50%。異型端頭支護(hù)裝備促進(jìn)煤礦開采技術(shù)進(jìn)步，開拓了工作面少人化開采的方向，對(duì)建設(shè)智能化礦山具有重大意義。

5 結(jié)論

(1)異型端頭切頂支護(hù)裝備可代替原有的液壓單體支護(hù)，作業(yè)人員不必進(jìn)入切頂線回單體、封堵下隅角，增加了作業(yè)人員的安全系數(shù)，減少端頭用人數(shù)量。該支護(hù)裝備在使用過程中操作簡單，支護(hù)效果好，實(shí)現(xiàn)了電液控制和遠(yuǎn)程遙控操作等多種操控方式，達(dá)到工作面安全高產(chǎn)、高效開采的目的。

(2)通過對(duì)距117綜采工作面開切眼500 m范圍內(nèi)成巷區(qū)巷道圍巖變形的分析，117軌道巷頂板整體下沉量較小，切縫側(cè)巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實(shí)體煤幫側(cè)最大下沉120 mm，平均下沉73 mm，碎石巷幫無明顯側(cè)鼓現(xiàn)象，實(shí)體煤幫無明顯片幫現(xiàn)象，完全滿足安全和使用要求。

(3)將該裝備接入自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)能進(jìn)行自動(dòng)拉移、封堵下隅角，也可對(duì)頂板進(jìn)行強(qiáng)制破壞，取代了以往人工施工放頂煤。

(4)該設(shè)備的研究及應(yīng)用，為建立智能化礦山積累了寶貴的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高了礦井機(jī)械化、自動(dòng)化程度，對(duì)礦井安全穩(wěn)定生產(chǎn)、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減員提效、減少材料費(fèi)用具有重要意義；在技術(shù)進(jìn)步、自動(dòng)化作業(yè)、安全性和生產(chǎn)效率等方面具有巨大的經(jīng)濟(jì)、安全和社會(huì)效益。