三軟煤層沿空留巷組合支架設(shè)計及配套工藝

劉效賢，白 偉，馮建志

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 715400;2.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦，陜西 渭南 715400)

0 引言

無煤柱開采是國家倡導的提高煤炭資源回收率的開采方式，沿空留巷技術(shù)則是推行無煤柱開采的重要手段。在沿空留巷機械化支護方面，盡管有多種裝備研發(fā)，但由于適用性問題、推廣范圍有限，特別是在三軟煤層沿空留巷方面增加了機械化支護的難度。針對韓城礦區(qū)地質(zhì)條件，機械化留巷支護難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面[1-5]：一是巷道底板松軟，采用一般支架難以控制巷道在采動壓力高峰期的巷道底鼓；二是韓城礦區(qū)留巷斷面較小，巷道高2.8 m、寬4.6 m，一般運輸裝備較難適應；三是如何實現(xiàn)支架在沿空留巷的快速拉架、降架、搬運、移動。為解決三軟煤層沿空留巷機械化支護問題，韓城礦業(yè)公司與陜煤集團研究院、銅川煤機公司聯(lián)合研發(fā)了“組合支架+機械臂+單軌吊”機械化工藝裝備，并進行了井下工業(yè)試驗。

1 機械化支護裝備配套方案

1.1 井下留巷基本條件

下峪口煤礦沿空留巷巷道底板為粉砂巖及砂質(zhì)泥巖。頂板采用錨網(wǎng)索支護，設(shè)計巷高2.8 m、寬度4.6 m，采動影響高應力區(qū)為工作面超前30 m和滯后200 m范圍。留巷巷內(nèi)采用單體支柱配合π型梁支護，排距0.8 m，在一次采動影響段巷道底鼓1.2～1.6 m。

1.2 機械化工藝裝備

機械化裝備包含組合液壓支架、機械臂、單軌吊3個部分[6-7]，相互配合完成沿空留巷巷內(nèi)組合支架的運移與支護。

組合液壓支架:組合支架由2個框式支架和2個分離式底座組成，如圖1所示。框式支架由頂梁、立柱、底座、閥組等組成，每個分離式底座規(guī)格為4.0 m×1.0 m，相對底板比壓為1.04 MPa，采用箱式結(jié)構(gòu)，底座上設(shè)有限位塊，防止支架承壓后滑移。分離式底座垂直巷道方向布置，框式支架平行巷道方向布置，底座上有6個吊環(huán)，便于底座的起吊。組合支架結(jié)構(gòu)的架體與底座采用分體式結(jié)構(gòu)，便于井下支護、運輸?shù)忍厥鈼l件。支架的底座與頂梁為剛性箱體結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)強度大。單個支架采用2根單伸縮立柱，支護強度高，不易損壞。采用分離式大底座，對易產(chǎn)生底鼓的關(guān)鍵區(qū)域，對巷道底板實施全封閉控制，可有效控制底板的變形。支架頂梁縱向偏擺角度最大設(shè)計值為±10°，支架通過立柱柱頭銷軸與立柱柱頭銷孔的間隙來控制支架橫向擺角幅度，頂梁橫向偏擺角度最大設(shè)計值為±5°。

機械臂:組合支架機械臂是連接組合支架與單軌吊運輸?shù)妮o助裝置，每組機械臂由骨架導向輪、伸縮臂組成，伸縮臂分左右2組，每組2個推移缸。在支架下降、移動、支撐過程中，機械臂伸出，在非工作狀態(tài)，機械臂縮回。機械臂對支架的搬運，必須是對稱運輸，不能運輸單個支架。

單軌吊:運移裝備DQD20型氣動單軌吊車是在懸空軌道上以氣動馬達經(jīng)減速機構(gòu)減速后帶動行走輪沿軌道腹板摩擦行走的設(shè)備，牽引速度0.6 m/s，運輸距離300 m。由軌道、氣動葫蘆、主牽引裝置、安全制動裝置、承載小車、控制系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

1-組合支架；2-大底座；3-單軌吊圖1 組合液壓支架整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The overall structure of the combined hydraulic support

1-承載小車；2-連接桿；3-單軌吊主機；4-遠程操作手柄；5-氣動起吊裝置；6-氣動葫蘆圖2 氣動單軌吊結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of pneumatic monorail crane

2 組合支架設(shè)計及模擬試驗

2.1 組合支架相關(guān)技術(shù)參數(shù)的確定

2.1.1 組合支架工作阻力的確定

沿空留巷采動影響高峰期頂板壓力計算一般比照對應采面的頂板壓力。下峪口煤礦23210回采面采高1.4 m左右，采用下式計算

Pt=9.81h·γ·k

(1)

式中，Pt為工作面合理的支護強度，kN/m2；h為采高，取1.4 m；γ為頂板巖石容重，kN/m3，一般取26 kN/m3；k為工作面支柱支護的上覆巖層厚度與采高之比，一般為6～8，取8。計算得工作面合理的支護強度為0.29 MPa。

其對應采面選型的液壓支架支護強度為0.60 MPa，且經(jīng)受了時間的考驗。本次選型的組合支架單架工作阻力為3 500 kN，在沿空留巷的支護強度為0.62 MPa，同時采用一級伸縮油缸，支架性能優(yōu)于采面支架。支架最高高度一般根據(jù)工作面巷道高度增加300～500 mm來確定，最高支架高度確定為3 000 mm，根據(jù)單伸縮立柱的伸縮比及結(jié)構(gòu)形式，確定支架最低高度為1 850 mm。最終確定支架型號為ZL3500/18.5/30。

2.1.2 組合支架分體式大底座面積的確定

下峪口煤礦2號煤沿空留巷巷道底板為砂質(zhì)泥巖，遇水后泥化，強度極低，如采用一般支架，支架易鉆底，難以控制圍巖變形[8-12]。為解決松軟底板支架鉆底問題，支架方案設(shè)計確定采用分離式大底座，每組支架2個底座，底座規(guī)格4.0 m×1.0 m，對應底板比壓1.04 MPa。

2.1.3 組合支架移動最小寬度的確定

組合支架擔在機械臂上的最小寬度為1 410 m，考慮機械臂移動支架的安全間隙，單側(cè)安全間隙不小于200 mm，要求支架布置中間凈寬不小于1 810 mm，本次設(shè)計組合支架架間凈寬1 850 mm，滿足使用要求。組合支架主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 組合支架主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters of the combined support

2.2 機械化支護設(shè)備操作流程

首先，至少備用2塊大底座，在支架搬運前必須提前鋪設(shè)在預定安裝位置。然后，利用單軌吊將機械臂移動到預回撤支架位置并伸出機械臂的左右臂。接著，操作支架閥組將支架降落在機械臂上，并使組合支架立柱脫離大底座0.1 m左右。縮回機械臂的左右臂，利用單軌吊將支架運移到預定位置。伸出機械臂的左右臂，使支架移放到安裝位置。最后搬動支架操作閥組，升起支架，縮回機械臂。

2.3 機械化支護裝備地面模擬試驗

ZL3500/18.5/30型沿空留巷組合支架在地面進行了模擬試驗，結(jié)合井下現(xiàn)場巷道實際條件，進行了平巷、斜巷等工況試驗。在單軌吊運輸過程中，下坡段(10°斜坡)速度為20 m/min，平巷段速度為15 m/min，通過控制送風量，可以對速度進行控制調(diào)節(jié)。支架在運輸過程中較平穩(wěn)，左右未出現(xiàn)大幅度擺動情況，最大擺動幅度不超過50 mm。現(xiàn)場操作起吊支架用時約5 min，在平巷行走200 m約需20～25 min，能夠滿足井下運輸要求。

3 機械化支護裝備井下工業(yè)試驗

3.1 井下試驗基本情況

23210工作面無煤柱機械化沿空留巷組合支架于2020年4月3日入井，4月13日組裝完成，安裝在23210進順巷道80～106 m區(qū)間，共計26 m，由里向外分別是1#～10#組，每組2架，共20架，間距2.6 m，如圖3所示。新型單體布置在進順150～180 m區(qū)間，普通單體布置在進順200～230 m區(qū)間，3個試驗區(qū)域各設(shè)了2個圍巖變形觀測站。7月20日組合支架在線監(jiān)測儀器安裝完成并已開始采集數(shù)據(jù)。隨著工作面推采，對普通單體、新型單體、組合支架試驗礦壓觀測數(shù)據(jù)進行了分析和總結(jié)。

圖3 組合支架在下峪口煤礦井下試驗Fig.3 The underground test of the combined support in Xiayukou Coal Mine

3.2 組合支架礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

組合支架在4月23日開始進行壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，組合支架超前工作面10 m，平均壓力值1 233 kN(37 MPa)。組合支架距工作面10～0 m時，支架壓力釋放，平均壓力值為938 kN(28 MPa)。組合支架距工作面0～-10 m時組合支架壓力無變化，平均壓力值為644 kN(15.5 MPa)。當組合支架滯后工作面10～20 m時組合支架支護段來壓，壓力值驟然增大，組合支架平均壓力值在933～1 743 kN(22.5～42 MPa)。組合支架滯后工作面20～120 m段為壓力集中區(qū)域，支架壓力的積聚與釋放較為頻繁(8～10 m)，組合支架滯后工作面120 m以外后組合支架平均壓力值趨于平穩(wěn)。

根據(jù)收集數(shù)據(jù)及分析得出，組合支架每間隔8～10 m出現(xiàn)一次壓力釋放與積聚。23210工作面周期來壓的步距為8～12 m，與工作面周期來壓基本吻合，組合支架的承壓受23210工作面的周期來壓的影響。組合支架立柱壓力數(shù)據(jù)從4月23日開始，每天、每班進行收集，從收集的數(shù)據(jù)及所形成的圖形可以看出組合支架滯后工作面120 m后組合支架壓力趨于平穩(wěn)，如圖4所示。

圖4 23210組合支架工作阻力曲線Fig.4 Working resistance curve of 23210 combined support

3.3 巷道圍巖變形觀測數(shù)據(jù)分析

巷道圍巖變形觀測數(shù)據(jù)收集完成后，通過圍巖變形觀測站滯后工作面距離分析，當測站滯后工作面100 m以后，巷道變形量基本趨于穩(wěn)定。

3.3.1 巷道高度變化情況

當測站滯后工作面30 m時，組合支架支護段巷高最大變化量110 mm，其中最大底鼓量40 mm、頂板最大下沉量70 mm。新型單體支護段巷高最大變化量265 mm，其中最大底鼓量180 mm、頂板最大下沉量165 mm。普通單體支護段巷高最大變化量470 mm，其中最大底鼓量280 mm、頂板最大下沉量190 mm。

當測站滯后工作面50 m時，組合支架支護段巷高最大變化量120 mm，其中最大底鼓量50 mm，頂板最大下沉量90 mm。新型單體支護段巷高最大變化量275 mm，其中最大底鼓量185 mm，頂板最大下沉量90 mm。普通單體支護段巷高最大變化量520 mm，其中最大底鼓量290 mm，頂板最大下沉量230 mm。

當測站滯后工作面100 m時，組合支架支護段巷高最大變化量150 mm，其中最大底鼓量70 mm，頂板最大下沉量100 mm。新型單體支護段巷高變化量285 mm，其中底鼓量190 mm，頂板下沉量95 mm。普通單體支護段巷高變化量560 mm，其中底鼓量305 mm，頂板下沉量225 mm。具體如圖5所示。

圖5 23210組合支架區(qū)域巷高變形曲線Fig.5 Deformation curve of roadway height in 23210 combined support area

3.3.2 巷道寬度變化情況

當測站滯后工作面30 m時，組合支架支護段巷道寬度最大變化量50 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量40 mm。新型單體支護段巷道寬度最大變化量95 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量60 mm。普通單體支護段巷道寬度最大變化量140 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量120 mm。

當測站滯后工作面50 m時，組合支架支護段巷道寬度最大變化量60 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量40 mm。新型單體支護段巷道寬度最大變化量95 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量65 mm。普通單體支護段巷道寬度最大變化量160 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量130 mm。

當測站滯后工作面100 m時，組合支架支護段巷道寬度最大變化量70 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量55 mm。新型單體支護段巷道寬度最大變化量110 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量70 mm。普通單體支護段巷道寬度最大變化量170 mm，其中中左(巷道副幫)最大變化量140 mm。如圖6所示。

圖6 23210組合支架區(qū)域巷寬變形曲線Fig.6 Deformation curve of roadway width in 23210 combined support area

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)綜合分析及對比，組合支架支撐力大于新型單體支撐力，新型單體支撐力大于普通單體支撐力；組合支架支護穩(wěn)定、可靠，巷道圍巖變化量小于單體支護區(qū)域巷道圍巖變化量。

3.4 前移組合支架時間寫實

根據(jù)組合支架時間寫實，1組組合支架前移300 m，需用時約103 min，具體搬運工序時間見表2、3。根據(jù)工作面推采進度(100 m/月)，每天需移2組組合支架。

表2 組合支架搬運工序時間Table 2 Handling time of combined support

3.5 存在問題及整改建議

沿空留巷組合支架及配套工藝裝備于2020年4月開始在下峪口煤礦23210工作面進行了工業(yè)性試驗。通過近一年的運行，組合支架性能穩(wěn)定，工藝配套合理，實現(xiàn)了留巷巷內(nèi)機械化搬運與支護，有效地控制了巷道變形和底鼓。

表3 分體式底座搬運工序時間Table 3 Handling time of the split-type base

但是，組合支架閥組液壓管路較多，導致拆卸和安裝占用時間較長；根據(jù)支架在井下支護時間長、移動次數(shù)少的特點，建議將支架供液改為獨立單元，利用機械臂供液管向支架供液，以減少管路的布置。機械臂僅有伸縮功能，無上下調(diào)節(jié)功能，不能主動連接和安設(shè)支架；建議增加機械臂多功能設(shè)計，實現(xiàn)支架移動的自動化作業(yè)。利用單軌吊搬運支架時，速度超過1 m/s時，出現(xiàn)組合支架擺動磕碰到周邊支架的狀況；建議在單軌吊設(shè)計上，增加防支架擺動裝置，以提高工作效率。采用氣動單軌吊移動支架，若風管過長，氣壓不足；若風管過短，中途接管耗時又長。建議研發(fā)適應沿空留巷條件的蓄電池單軌吊，以縮短支架移動時間。此外，本次試驗僅用一組機械臂移動組合支架，工效較低；建議根據(jù)采面每天推進度，采用多組機械臂一次性移動多組支架，以充分發(fā)揮機械化功能，提高工作效率。

4 結(jié)語

沿空留巷組合支架及配套工藝裝備在韓城礦區(qū)的試驗成功，不僅提高了工作效率，而且有效控制了三軟煤層沿空留巷圍巖變形，實現(xiàn)沿空留巷“一次成巷，不再修復”的目標，對沿空留巷在復雜條件下推廣具有一定的指導意義。值得注意的是，該方法僅僅是對沿空留巷高應力區(qū)機械化支護及工藝裝備的研究，對留巷永久支護、頂板預裂、采空區(qū)封閉等工序的機械化施工尚未涉及，建議應對沿空留巷機械化、智能化作業(yè)進行系統(tǒng)研究，促進無煤柱開采的全面推廣。