智能化快速撤架配套技術(shù)的研究與應(yīng)用

王自衛(wèi)，劉 陽，劉建平

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)綜采裝備安裝分公司，山西省大同市，037001)

在千萬噸級(jí)煤礦綜采設(shè)備的回撤過程中，液壓支架的安全順利撤出是整個(gè)工程的重要組成部分，而撤架期間掩護(hù)支架的移動(dòng)、撤架工藝以及三角區(qū)的頂板維護(hù)又是液壓支架回撤的關(guān)鍵[1]。因此，改進(jìn)撤架配套技術(shù)對(duì)設(shè)備的安全回撤以及提高工作效率具有重要意義。

1 傳統(tǒng)撤架工藝流程及其存在的缺陷

1.1 傳統(tǒng)撤架工藝流程

在傳統(tǒng)撤架工藝流程中，主要撤架步驟如下：

(1)根據(jù)回采工作面開采情況，提前設(shè)定停采線并制定停采支護(hù)方案[2]。工作面停采后，按照停采支護(hù)方案進(jìn)行施工，為工作面設(shè)備的后期回撤創(chuàng)造良好支護(hù)條件；

(2)搬家隊(duì)伍接收回撤工作面后，進(jìn)行工作面停采驗(yàn)收，并對(duì)支護(hù)薄弱地方進(jìn)行及時(shí)整改；

(3)將進(jìn)風(fēng)巷的帶式輸送機(jī)、設(shè)備列車、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、端頭支架、前后刮板輸送機(jī)等依次撤出；

(4)將工作面尾部的2～3架液壓支架依次調(diào)向，布置為雙掩護(hù)支架或三掩護(hù)支架；

(5)在工作面中部位置布置一臺(tái)回柱絞車，在靠近煤幫的掩護(hù)支架底座上固定一個(gè)定滑輪，將回柱絞車鋼絲繩繞過定滑輪與被撤支架底座連接固定[3]；

(6)將被撤支架降下，操作回柱絞車將被撤支架橫向撤出；之后回柱絞車鋼絲繩脫離定滑輪，將被撤支架調(diào)向拉出至裝車位置；

(7)每撤出1架液壓支架后，及時(shí)對(duì)三角區(qū)域頂板進(jìn)行“木垛+鋼梁”臨時(shí)支護(hù)。

(8)至此完成1架液壓支架撤架循環(huán)，依次進(jìn)行其他液壓支架撤架施工，直至工作面液壓支架全部撤出。

1.2 傳統(tǒng)撤架工藝存在的缺陷

傳統(tǒng)撤架工藝存在頂板維護(hù)差、安全隱患多、撤架成本高等主要缺點(diǎn)，具體如下：

(1)在傳統(tǒng)千萬噸級(jí)煤礦綜采工作面撤架過程中，對(duì)撤架空間頂板的支護(hù)方式通常采用雙掩護(hù)支架或三掩護(hù)支架支護(hù)[4]，掩護(hù)支架架間距較大，對(duì)頂板支撐效果較差，頂板易下沉；

(2)傳統(tǒng)撤架方式仍然使用回柱絞車進(jìn)行撤架，撤架效率低，且鋼絲繩斷裂風(fēng)險(xiǎn)大；

(3)傳統(tǒng)撤架方式對(duì)三角區(qū)空頂通常不支護(hù)或者采用“單體+木垛”方式支護(hù)，該方式會(huì)造成掩護(hù)支架上覆頂板支護(hù)強(qiáng)度不足，需要在緊隨掩護(hù)支架后方搭設(shè)大量木垛進(jìn)行支護(hù)，特別是三角區(qū)空頂面積較大，易造成頂板下沉、采空區(qū)壓力涌現(xiàn)甚至發(fā)生漏煤事故[5]；

(4)傳統(tǒng)撤架方式支護(hù)成本高，單體回收困難，人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)隱患較大。

2 智能化快速撤架配套關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)撤架工藝存在的問題，晉能控股煤業(yè)集團(tuán)綜采裝備安裝分公司提出了智能化快速撤架[6]配套技術(shù)方案，該技術(shù)方案涵蓋了“停采支護(hù)、掩護(hù)支架自移[7]、回撤支架、三角區(qū)支護(hù)”4項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，通過對(duì)這4項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)的應(yīng)用，能夠解決傳統(tǒng)撤架工藝暴露出的頂板維護(hù)差、安全隱患多、撤架成本高等難題。

2.1 停采支護(hù)技術(shù)

2.1.1 技術(shù)方案

(1)當(dāng)回采工作面推進(jìn)到距離停采線 17 m 時(shí)，開始沿工作面頂板從頭至尾連續(xù)鋪設(shè)兩塊123 m 聚酯纖維柔性網(wǎng)[8]， 柔性網(wǎng)規(guī)格為 JD PET900×800 MS。

(2)在支架主頂梁位置共安裝7排支護(hù)，包括2排“6.3 m錨索+兩眼工字鋼” 、1排“鉛絲吊掛工字鋼”以及4根“Φ15.875 mm鋼絲繩”。

(3)在擴(kuò)刷機(jī)道位置共安裝8排支護(hù)，包括5排“2.8 m錨桿+鋼帶”、1排“8.3 m錨索+鋼帶”、1排“組合錨索”、1排 “8.3 m錨索+二眼工鋼”(注：由于工作面液壓支架型號(hào)為ZF21000/27.5/42，支架長度較ZF15000/27.5/42型支架長，故機(jī)道寬度由原來的6.25 m擴(kuò)寬至7.1 m，因此機(jī)道支護(hù)增加1排“2.8 m錨桿+鋼帶”支護(hù))。

2.1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

采用新型支護(hù)技術(shù)后，節(jié)省了大量支護(hù)材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有效支護(hù)強(qiáng)度，使得采空區(qū)頂板能夠及時(shí)垮落，避免以往大面積空頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。支架主頂梁上方改成鋼絲繩支護(hù)，可以配合支架間的縱向鋼絲繩形成經(jīng)緯網(wǎng)，并能夠有效支撐聚酯纖維柔性網(wǎng)，控制三角區(qū)的網(wǎng)包。工作面頂板柔性網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 工作面頂板柔性網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

2.2 掩護(hù)支架自移技術(shù)

2.2.1 技術(shù)方案

(1)待工作面尾部過渡支架撤出后，及時(shí)安裝封口木垛。選用過渡支架之后連續(xù)4個(gè)普通支架作為掩護(hù)支架(重新標(biāo)號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào))，1號(hào)掩護(hù)支架靠采煤幫側(cè)(距煤幫0.5 m)，2號(hào)、3號(hào)掩護(hù)支架位于中間，4號(hào)掩護(hù)支架位于靠采空區(qū)一側(cè)，四掩護(hù)支架的架間距為0.5 m；

(2)將兩段推移橫梁擺放至2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)掩護(hù)支架前部，并將其相互鉸接，安裝鉸接銷；

(3)依次使用T型連接板將四掩護(hù)支架與推移橫梁連接，并安裝固定銷；

(4)將電控箱固定在1號(hào)掩護(hù)支架內(nèi)部，并做好防護(hù)措施；

(5)由電控箱引出的4路主線依次與1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)掩護(hù)支架對(duì)應(yīng)電磁閥組[9]接通，并做好調(diào)試記錄。

2.2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

采用掩護(hù)支架自移技術(shù)后，四掩護(hù)支架手動(dòng)操作方式改為遙控操作方式，通過推移橫梁實(shí)現(xiàn)掩護(hù)支架自移和掩護(hù)支架架間距行走。撤架機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)6 m的撤架距離，一次性撤出能夠節(jié)省時(shí)間，提高撤架效率。作業(yè)期間全程通過遙控控制，不僅提高了工作效率，而且降低了安全隱患。四掩護(hù)支架推移橫梁應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

2.3 回撤支架技術(shù)

2.3.1 技術(shù)方案

待撤支架撤出后，觀察原支架尾部頂板，若有破網(wǎng)及漏煤情況要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)止漏，若頂板完好則直接進(jìn)行掩護(hù)支架的自移動(dòng)作。遙控操作人員要提前檢查遙控器各按鍵是否歸位，急停按鈕是否歸位，電池電量情況要時(shí)刻掌握，操作時(shí)要站在距離掩護(hù)支架20 m左右的被撤架內(nèi)進(jìn)行操作。以一個(gè)工作循環(huán)為例，掩護(hù)支架自移及撤架工藝流程如下：

(1)第1步：將四掩護(hù)支架的推移油缸完全推出，使得推移橫梁及撤架機(jī)構(gòu)整體前移0.9 m左右，之后利用撤架機(jī)構(gòu)將被撤支架水平拉出6 m左右，最后使用支架搬運(yùn)車[10]將被撤支架調(diào)向運(yùn)出；

(2)第2步：將4號(hào)掩護(hù)支架前后立柱降下，然后收回推移油缸，將4號(hào)掩護(hù)支架拉前，最后將前后立柱升起保證接頂。其余3個(gè)掩護(hù)支架依次進(jìn)行，使得整套裝置前移0.9 m左右；

(3)第3步：依照第2步依次將四掩護(hù)支架再次前移0.9 m左右，達(dá)到下一個(gè)撤架要求，至此完成了一個(gè)撤架循環(huán)。

2.3.2 控制系統(tǒng)

對(duì)四掩護(hù)支架及撤架機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)，掩護(hù)支架使用過程中主要涉及到前立柱升降、后立柱升降及推移油缸的伸縮3個(gè)功能，撤架機(jī)構(gòu)主要涉及油缸的推移功能。近年來隨著智能化工作面的推廣，大部分工作面支架已更新為電液控制支架，通過設(shè)置控制器、信號(hào)發(fā)射器，同時(shí)使用遙控器來控制多掩護(hù)支架的動(dòng)作。控制電路主要包括主控模塊、433信號(hào)輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、接觸器、控制端等，主控模塊一端與433信號(hào)輸入模塊一端連接，另一端與輸出模塊一端連接，輸出模塊另一端與掩護(hù)支架及待撤架的接觸器分別連接，接觸器分別與掩護(hù)支架及待撤架的控制端連接。

2.3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

采用新型撤架機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)絞車撤架技術(shù)，避免了鋼絲繩斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。使用該技術(shù)后，能夠?qū)⒁簤褐Ъ芤淮涡运嚼觯?jié)省了撤架時(shí)間。

2.4 三角區(qū)支護(hù)技術(shù)

2.4.1 技術(shù)方案

三角區(qū)是由掩護(hù)支架和被撤支架以及采空區(qū)填實(shí)區(qū)域切頂輪廓線所形成的，該區(qū)域?qū)Τ芳?、掩護(hù)支架前移以及通風(fēng)狀況具有較大意義，所以對(duì)于三角區(qū)頂板治理具有較強(qiáng)的專業(yè)性[11]。在增加了一個(gè)掩護(hù)支架的同時(shí)機(jī)道相應(yīng)拓寬，三角區(qū)的有效控制面積基本不變，因此擯棄以往單點(diǎn)支護(hù)形式，采用新型的“單體+工字鋼梁”聯(lián)合支護(hù)形式。具體工藝貫穿于掩護(hù)支架前移期間，每撤1架布置1組聯(lián)合支護(hù)，始終保持3根單體支護(hù)。三角區(qū)新型支護(hù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 三角區(qū)新型支護(hù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

2.4.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

三角區(qū)采用新型支護(hù)技術(shù)后，三角區(qū)頂板支護(hù)更加可靠[12]。4號(hào)掩護(hù)支架上方至少有2組“簡支梁”支護(hù)和1組“懸臂梁”支護(hù)，2組“簡支梁”支護(hù)保證了在4號(hào)掩護(hù)支架上遷時(shí)頂板不下沉，避免4號(hào)掩護(hù)支架上方頂板隨著撤架的進(jìn)行逐漸下沉并將4號(hào)掩護(hù)支架壓死。同時(shí)，單體支柱循環(huán)使用避免了浪費(fèi)，且單體支柱隨4號(hào)掩護(hù)支架上遷，省去了人力搬運(yùn)，減少了在三角區(qū)工作時(shí)間，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 應(yīng)用情況分析

2021年，智能化快速撤架配套技術(shù)在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦一盤區(qū)8102回撤工作面進(jìn)行了實(shí)地應(yīng)用。應(yīng)用目的一方面為了驗(yàn)證在大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板條件下該技術(shù)工藝的可行性，另一方面為了獲取數(shù)據(jù)，以便日后對(duì)技術(shù)工藝改進(jìn)以及對(duì)回撤工作面頂板的應(yīng)力進(jìn)行分析，為后期在全集團(tuán)推廣提供技術(shù)支持。

在應(yīng)用了智能化快速撤架配套技術(shù)后，通過遠(yuǎn)程遙控操作掩護(hù)支架自移以及回撤支架等功能，提高了操作人員的安全系數(shù)；同時(shí)，通過停采支護(hù)的優(yōu)化以及三角區(qū)支護(hù)形式的創(chuàng)新，對(duì)撤架區(qū)頂板實(shí)現(xiàn)了可控化，實(shí)現(xiàn)了降本增效。具體應(yīng)用情況分析如下：

(1)每班撤架數(shù)量由6架提升到7架；

(2)掩護(hù)支架遙控自移裝置保證了掩護(hù)支架及時(shí)自移，且自移時(shí)間比原來縮減了10～20 min；

(3)掩護(hù)支架及時(shí)自移后緊跟控頂支護(hù)，免除了被撤架上覆頂板的下沉風(fēng)險(xiǎn)，創(chuàng)造了良好的撤架空間和撤架條件；

(4)撤架后，新型停采支護(hù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)采空區(qū)頂板及時(shí)下沉或塌落進(jìn)而釋放壓力，不易造成大面積懸頂風(fēng)險(xiǎn)；

(5)傳統(tǒng)撤架工藝中掩護(hù)支架移動(dòng)需要2～3名工作人員進(jìn)行手動(dòng)操作和指揮，應(yīng)用智能化快速撤架配套技術(shù)后，只需1名操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，節(jié)省了人力；

(6)智能化快速撤架配套技術(shù)中的四掩護(hù)支架按照固定間距進(jìn)行移動(dòng)，能夠避免擠架事故的發(fā)生；同時(shí)增加的掩護(hù)支架更加靠近采空區(qū)側(cè)，人員在對(duì)三角區(qū)空頂進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，可以在掩護(hù)支架內(nèi)進(jìn)行操作；在回收單體液壓支架時(shí)，人員可以站在靠采空區(qū)側(cè)掩護(hù)支架內(nèi)進(jìn)行操作，從而減少了安全隱患。

4 效益分析

4.1 安全效益

智能化快速撤架配套技術(shù)能夠及時(shí)自移掩護(hù)支架，避免了傳統(tǒng)撤架工藝使用回柱絞車移動(dòng)掩護(hù)支架的斷繩風(fēng)險(xiǎn)。智能化快速撤架配套技術(shù)能夠一次性將被撤架拉出，提高了撤架效率，對(duì)頂板支護(hù)的時(shí)效性增強(qiáng)，降低了頂板下沉風(fēng)險(xiǎn)。智能化快速撤架配套技術(shù)利用推移橫梁、撤架機(jī)構(gòu)、電液閥、控制器及遙控裝置實(shí)現(xiàn)多掩護(hù)支架的動(dòng)作集成化，實(shí)現(xiàn)掩護(hù)支架自移，替代了傳統(tǒng)撤架工藝人工手柄操作的繁瑣，提高了作業(yè)效率，規(guī)避了人員在危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

按照回撤工作面136架液壓支架計(jì)算，傳統(tǒng)撤架工藝每天可回撤12架液壓支架，需要工期約11 d。智能化快速撤架配套技術(shù)成功應(yīng)用后，每回撤1架液壓支架至少節(jié)約工時(shí)20 min ,使單架回撤時(shí)間降至40 min左右，每天可回撤16架液壓支架，只需要工期8.5 d，比傳統(tǒng)撤架工藝工期少了約2.5 d。智能化快速撤架配套技術(shù)能夠節(jié)約人工費(fèi)用約4.8萬元、特種車及其他機(jī)械折舊費(fèi)和維修保管費(fèi)約2萬元、管理費(fèi)約0.6萬元，每年按照回撤10個(gè)工作面計(jì)算，可節(jié)約資金約74萬元，直接經(jīng)濟(jì)效益明顯。按照每年對(duì)礦井累計(jì)節(jié)省25 d生產(chǎn)時(shí)間、平均產(chǎn)煤5萬t/d計(jì)算，則累計(jì)增產(chǎn)原煤125萬t/a，間接經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5 結(jié)語

智能化快速撤架配套技術(shù)是通過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)累積出的結(jié)果，該技術(shù)能夠很好地替代傳統(tǒng)撤架工藝，并且完全實(shí)現(xiàn)遙控控制，安全系數(shù)進(jìn)一步提高，優(yōu)勢(shì)明顯。該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)⒊芳芪ｋU(xiǎn)區(qū)變成安全穩(wěn)定區(qū)，將苦重繁累變成輕便省力，并且極大地降低撤架過程中的材料消耗。