煤礦用遠控巷道修復機在底鼓治理施工中的應用

童 碧，李旭濤，張 寧，許 超

(1.淮南礦業(yè)集團有限責任公司 顧橋煤礦，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

巷道修復機是用于巷道圍巖修復治理施工的專用設備，能有效修復因礦壓或其他原因導致的煤巷或巖巷變形，可大幅提升巷道修復治理施工的機械化水平[1，2]。修復機在施工過程中會涉及破碎、挖裝、運輸、錨護、自行走、挖底、掏水溝及吊裝等工作。因此，在修復機結構尺寸做到盡可能小的情況下，還要求對修復機的功能進行高度集成。

目前，國內修復機研制企業(yè)較多，但是相關設備普遍采用手控或液控為主[3]，操作人員無法遠離頂板冒落區(qū)進行施工作業(yè)，增加了安全隱患。另外，國家安監(jiān)總局也提出“機械化換人，自動化減人，智能化無人”綠色智慧礦山建設目標，要求提高煤礦井下相關裝備的自動化程度[4-6]，減少不安全事故的發(fā)生。中煤科工集團西安研究院有限公司(以下簡稱西安煤科院)研究開發(fā)了WPZ-45/700LY型煤礦用遠控巷道修復機(以下簡稱修復機)，為驗證修復機實際工作性能，西安煤科院與淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司顧橋煤礦(以下簡稱顧橋煤礦)合作，進行了修復機的現場工業(yè)性試驗。

1 設備總體方案

WPZ-45/700LY型煤礦用遠控巷道修復機是一種用于煤礦巷道圍巖治理施工的專用設備，如圖1所示。該設備具有技術性能先進、工藝適應性強、安全可靠、移動搬遷方便等優(yōu)點，主要適用于煤礦井下巷道底板、頂板及側幫修復施工，整機具備鑿、鏟、吊、裝等多個功能，并可遠離巷道頂板冒落危險區(qū)域，進行遙控操作[7]，具體技術參數見表1。

圖1 修復機結構

表1 主要技術參數

2 部件構成

2.1 工作裝置

工作裝置是修復機的執(zhí)行機構，主要包括側卸鏟斗、破碎機構、快換裝置、伸縮臂、基礎臂、膠管導向裝置及相關動作油缸等部件。側卸鏟斗主要由鏟斗連接體、側卸油缸和鏟斗焊接體等部件組成，主要用于矸石的鏟運和裝載，沿機身可實現左、右方向出渣作業(yè)。破碎機構主要由破碎錘、連接組件、擺角油缸及給進油缸等部件組成，主要用于變形巷道圍巖破碎施工?？鞊Q裝置主要由快換油缸、連接座及曲柄滑塊機構等部件組成，通過快換油缸伸、縮，實現曲柄滑塊機構開合，完成側卸鏟斗和破碎機構的快速更換。

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是修復機的動力源，由隔爆型電動機、彈性聯軸器、復合傳感功率控制泵組、油箱、冷卻器、濾油器、底座等部件組成，修復機采用開式系統(tǒng)，變量泵采用LUDV控制系統(tǒng)，實現對不同負載壓力的多個執(zhí)行元件同時進行快速與精確控制，各個元件互不干涉。

2.3 遠控系統(tǒng)

遠控系統(tǒng)硬件包括：遙控操縱器、電控箱、電磁閥、位移傳感器、無線接收器及油缸等部件，無線接收器與無線遙控器相互通信，進行控制信息與狀態(tài)信息的交互，兩者通過433無線通信模塊以433/315MHz頻率進行自動跳頻通信，能夠有效防止無線電干擾，控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構

2.4 履帶車體

履帶車體主要由車體平臺、機身護板和行走履帶組成，左右兩組履帶通過車體平臺固定。工作裝置、操作臺、風冷散熱器、泵站及附件等部件通過螺栓安裝固定在車體平臺上。

3 現場應用

3.1 巷道地質條件

顧橋煤礦開采13-1、11-2煤層，13-1煤層，煤層下距太灰340m，平均厚度4.40m，五線以北厚度多低于平均值，十一線以南高于平均值。11-2煤層上距13-1煤平均69m，平均厚2.79m，結構簡單，含1層夾矸煤層，上部砂體發(fā)育，淺部頂部多為中細石英砂巖，其余地區(qū)為泥巖，底板以泥巖為主[8]。11-2煤直接頂為復合頂板，由砂質泥巖、泥巖和11-3煤層組成，其中薄煤層不穩(wěn)定，總體從南向北直接頂變薄，個別地點老頂砂巖直接覆蓋在煤層之上，11-2煤層北二回風大巷(一)的底板地質條件見表2。

表2 北二回風大巷(一)頂、底板地質情況

根據礦方生產要求，修復機工業(yè)性試驗在11-2煤層北二回風大巷(一)進行。該巷道為矩形巷道，要求挖底作業(yè)需挖底至巷道高度為3.6±0.2m，但該巷道挖底前部分區(qū)段實際高度不足3.1m，巷道還存在頂板破碎、吊包、片幫等現象[9，10]，巷道頂板分布有大量長約20～30cm錨索外露端，巷道一側掛有瓦斯管，水管，風管，電纜線等管線，另一側鋪設有帶式運輸機，作業(yè)空間狹小，挖底難度和工作量較大，如圖3所示，這些都增加了巷道機械化挖底作業(yè)的難度。

圖3 挖底前巷道斷面圖(mm)

3.2 底鼓治理

根據礦方要求，挖底采用人工遠控操縱修復機施工，實體側幫部(沿空側不進行刷擴)及頂板采用人工刷擴，修護后巷道斷面：寬×高=5m×3.6m；若巷寬滿足要求，則巷幫兩側僅刷底角，同時在巷幫底部增補1排水平鋼帶搭接組合錨桿[11，12]。修復機挖底施工工藝流程如圖4所示。挖底產生矸石通過側卸鏟斗卸載至帶式輸送機，通過帶式輸送機轉載至井底棄矸場。

通過進口韓國水山機械設備有限公司生產的SB40破碎錘，破碎底鼓路面。破碎錘和側卸鏟斗更換時間大約5min，且需要足夠的工作空間，為提高施工效率，單次破碎距離10m以上，再退回中轉場地更換鏟斗，修復機挖底施工工藝如圖5所示。

圖5 挖底施工(mm)

3.3 支護形式

根據顧橋煤礦地質條件，結合巷道支護設計原則及方法，北二回風大巷(一)挖底處巷幫底板裸露大于400mm時，采用金屬網(規(guī)格為5200mm×1100mm，采用8#鍍鋅鐵絲加工，網目為50mm×50mm)、錨桿(?22mm×2500mm)、錨索(規(guī)格為?21.8mm×4200mm)及鋼帶(M5型鋼帶規(guī)格為2000mm×178mm×5mm(3個眼)及1200mm×178mm×5mm(2個眼)。T2型鋼帶規(guī)格為2600mm×140mm，T型鋼托盤規(guī)格為200mm×140mm)支護到位[13，14]。

挖底后幫部支護方式如圖6所示，采用豎向5根錨桿、橫向2根錨索支護，M5型鋼帶、錨索、T2鋼帶、8#金屬網聯合支護，M5鋼帶和T2鋼帶均壓茬布置，錨桿間排距800mm×900mm，其中，中空注漿錨桿采用“1-0-2-0”布置。幫部注漿錨桿按照“1-0-2-0”布置[15-21]。

圖6 挖底后幫部支護方式(mm)

3.4 應用效果及經濟性分析

自2020年9月24日起修復機開始正常挖底作業(yè)，截止10月20日，挖底作業(yè)進尺共260m，挖底寬度約5m，平均挖底厚度0.4～0.6m，挖底作業(yè)期間，巷道片幫現象嚴重，頂板有輕微下沉，但未見明顯破壞。

顧橋煤礦原采用的兩種挖底方式分別為人工挖底和小挖機挖底，三種挖底方式參數對比見表3。由表3可以看出，就人均方量而言，采用遠控修復機挖底，人均方量達到10.13m3/班，工作效率要遠大于人工挖底作業(yè)，是人工挖底效率的20.7倍，是小挖機效率的1.6倍。相比較人工挖底作業(yè)，修復機挖底施工每班減少施工人員4～6名，該段巷道累計挖底出渣量約650m3，從降低施工成本、減少人員工資和提高煤炭產量等方面綜合考慮為顧橋煤礦累計節(jié)支30余萬元?？梢?，三種起底方式各有優(yōu)缺點，人工挖底適用條件廣，但勞動強度大，作業(yè)環(huán)境惡劣，效率低，安全性低；小挖機挖底速度快，勞動強度大，安全性低；修復機挖底勞動強度小，作業(yè)環(huán)境好，人工投入小，操作人員可遠離頂板冒落區(qū)遠程操作，安全性高。

表3 三種挖底方式參數對比

4 結 論

1)通過分析修復機施工特點和功能需求，研制了可實現無線接收器與無線遙控器相互通信的WPZ-45/700LY型煤礦用遠控修復機，滿足施工要求。

2)應用效果表明，修復機挖底效率遠優(yōu)于人工和小挖機，人均方量達到10.13m3/班，是人工挖底效率的20.7倍，是小挖機效率的1.6倍，累計節(jié)約30余萬元。

3)試驗結果表明，修復機結構設計合理，液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，根據現場挖底施工特點，總結出一套便于破碎錘和側卸鏟斗互換并補打錨桿錨索的施工作業(yè)工藝，為類似煤礦巷道底鼓遠程治理施工技術與裝備的開發(fā)提供了借鑒。