固體充填開采沿充留巷機(jī)械化設(shè)備與工藝研究

劉建功，封明明，荊保平，楊曉成，王毅穎，史艷楠，趙家巍

(1.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭生態(tài)保護(hù)開采產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 邯鄲 056038；3.山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600；4.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000；5.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

充填開采技術(shù)以保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保護(hù)地面建筑物和處理煤矸石為原則，在獲取煤炭資源的同時，主動保護(hù)生態(tài)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施，減少地面沉陷，對生態(tài)環(huán)境的擾動降低至最小[1]。目前固體充填開采對于長工作面、兩側(cè)不留巷的情況下較為有利，導(dǎo)致區(qū)段保護(hù)煤柱損失，增加巷道掘進(jìn)量。為了進(jìn)一步提高資源回收率，減少煤礦生產(chǎn)成本，如何在充填采煤過程中實現(xiàn)沿空留巷是一項重要課題。對此許多學(xué)者對做出深入研究。文獻(xiàn)[2]在綜合機(jī)械化固體充填采煤工作面條件下，采用矸石袋堆砌巷旁支護(hù)聯(lián)合巷內(nèi)加強(qiáng)組合支護(hù)實施沿空留巷。文獻(xiàn)[3]通過分析固體充填沿空留巷技術(shù)存在的不足，提出了固體充填沿空留巷矸石帶與充填體注漿加固形成聯(lián)合巷旁支護(hù)體，進(jìn)一步改善了固體充填留巷技術(shù)在深部充填開采條件下的不足。文獻(xiàn)[4]通過建立厚硬頂板下充填開采沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析指出提高采空區(qū)充實率是控制固體充填留巷變形的主要手段。文獻(xiàn)[5，6]針對葫蘆島素煤礦充填開采沿充留巷進(jìn)行了擋矸系統(tǒng)設(shè)計，以巷旁支護(hù)、臨時擋矸和巷內(nèi)聯(lián)合支護(hù)3個方面進(jìn)行圍巖控制。文獻(xiàn)[7]提出了固體充填采煤沿空留巷新的“承重巖層-充填體-巷旁支護(hù)體-巷內(nèi)支護(hù)體-煤體”穩(wěn)定協(xié)同承載結(jié)構(gòu)并分析了其組成要素的支護(hù)特性。國內(nèi)許多專家學(xué)者對綜合機(jī)械化固體充填開采面沿空留巷方式、留巷支護(hù)方法工藝以及采空區(qū)充實率對留巷的影響做了深入研究，但關(guān)于固體充填工作面留巷機(jī)械化裝備的研究較少。

針對沿著采充區(qū)邊緣直接對矸石固體材料進(jìn)行注漿加固，形成一定寬度的高強(qiáng)度巷旁支護(hù)體，與密實充填體、側(cè)向?qū)嶓w煤以及巷內(nèi)支護(hù)體協(xié)同控頂、維護(hù)巷道的固體充填沿充留巷方法[8]，設(shè)計了一種“機(jī)械化擋矸模板+軌道式隨架前移平臺”的模塊化循環(huán)前移式的機(jī)械化沿充留巷裝備。擋矸模板使散體充填材料在支架推實機(jī)構(gòu)推壓下完整成型，同時移動平臺實現(xiàn)模板的機(jī)械化循環(huán)前移，解決了人工搬運，支護(hù)作業(yè)勞動強(qiáng)度大的問題。沿充留巷專用裝備實現(xiàn)了留巷作業(yè)與充填作業(yè)協(xié)同，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 固體充填開采沿充留巷技術(shù)

1.1 固體充填開采技術(shù)

固體充填開采技術(shù)，是將井下巷道掘進(jìn)和煤炭開采過程中產(chǎn)生的煤矸石，以及地面洗選過程中產(chǎn)生的矸石做為骨料，利用破碎機(jī)機(jī)械破碎后，配以燃煤電廠主要固廢材料粉煤灰和礦區(qū)黃土等輔料做為充填材料。采用固體充填材料返井運輸系統(tǒng)和固體材料井下輸送系統(tǒng)將充填材料連續(xù)輸送至工作面，加水、攪拌后利用刮板輸送機(jī)輸送至固體充填液壓支架后方。充填材料通過充填刮板輸送機(jī)卸料孔直接充填入頂板未冒落的采空區(qū)內(nèi)，然后利用固體充填液壓支架推壓裝置將矸石材料推實[9-12]。

1.2 固體充填開采沿充留巷技術(shù)特點

傳統(tǒng)垮落法沿空留巷采用切頂卸壓。工作面回采期間，在采空區(qū)靠巷道一側(cè)進(jìn)行充填形成條帶。在直接頂自重以及充填體早期強(qiáng)度產(chǎn)生切頂力作用下，采空區(qū)頂板與巷道頂板沿充填帶斷裂。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度發(fā)生斷裂和垮落并伴隨周期性的礦壓顯現(xiàn)象[13-15]。固體充填開采沿充留巷采用護(hù)頂控壓。由于采空區(qū)充填體對上覆巖層起到了支撐作用，使得頂板變形較小，覆巖移動較緩和，充分利用了充填開采減壓降沉的功能。根據(jù)固體充填采煤頂板運移規(guī)律[16]，當(dāng)充填率達(dá)到一定條件后直接頂不會產(chǎn)生斷裂和貫穿性裂隙，仍然保持連續(xù)特征，形成連續(xù)曲形梁，持續(xù)地將上覆巖層壓力持續(xù)地傳遞至工作面前方煤壁和后方壓實的充填體上，減小了支承應(yīng)力分布范圍和峰值，初次來壓和周期來壓現(xiàn)象不明顯[17，18]。

2 沿充留巷專用裝備

2.1 三段式擋矸液壓模板

在進(jìn)行充填開采時，矸石本身由于重力作用產(chǎn)生重力側(cè)壓力，在充填支架夯實壓力作用下，又增加了機(jī)械夯實側(cè)壓力，在這些力的作用下充填體流入巷道導(dǎo)致巷道不完整，墻體不穩(wěn)定，影響充填率。以往采用“木點柱+金屬網(wǎng)”進(jìn)行采空區(qū)擋矸及臨時支護(hù)，該擋矸支護(hù)方式影響回采速度、支護(hù)強(qiáng)度較低，安全隱患較大。為解決上述問題研制沿充留巷擋矸液壓模板，該擋矸液壓模板在留巷作業(yè)中的主要設(shè)計要求：①臨時支護(hù)、擋矸并隔離采空區(qū)，形成安全作業(yè)空間；②煤礦井下環(huán)境復(fù)雜狹小，要求設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于運輸，避免故障率高和不易維修；③模板的使用能與充填開采裝備在時間和空間上密切配合。

針對以上問題擋矸液壓模板主要由三段擋板和支撐系統(tǒng)組成，擋板用于阻擋巷旁充填體進(jìn)入巷道，支撐系統(tǒng)用于調(diào)整穩(wěn)定擋板高度以及臨時承受頂板載荷。擋板分為上、中、下?lián)醢?，采用套接方式連接在一起，收縮狀態(tài)下體型小可在狹小的空間自由搬運。模板利用移動平臺實現(xiàn)循環(huán)前移，4個模板為一組，隨著工作面的推進(jìn)循環(huán)使用實現(xiàn)與充填開采裝備在時間與空間上密切配合。

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：型式為二級伸縮，高度為1800～3800mm，寬度為1200mm，最大厚度為451mm，重量約為2.5t/件三段式液壓擋矸模板總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要特征：①采用三層擋板設(shè)計，在收縮狀態(tài)下極大減小模板體積以便于在狹小的工作區(qū)域內(nèi)自由運輸；②模板用千斤頂控制其高度。當(dāng)模板處于收縮狀態(tài)時，上、中、下模板互不干擾。當(dāng)模板達(dá)到最高位置時，上、中、 下模板仍有互相搭接重疊部分，實現(xiàn)不同狀態(tài)下全封閉擋矸；③模板兩排伸縮梁千斤頂由內(nèi)而外豎直布置，中間兩個千斤頂放置在擋板內(nèi)部，兩側(cè)千斤頂放置于擋板外部，保證擋矸模板穩(wěn)定性的同時減小了模板水平方向的長度。

圖1 三段式液壓擋矸模板總體結(jié)構(gòu)

2.2 關(guān)節(jié)式液壓機(jī)械手

由于模板的搬運在井下巷道內(nèi)工作空間狹小環(huán)境惡劣，要求搬運裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊、占地面積小安全性強(qiáng)。為了保證擋矸液壓模板能夠快速穩(wěn)定的移動，根據(jù)液壓支架模板的特征結(jié)構(gòu)和循環(huán)前移式的搬運方式，研制了與其配套的移動平臺，既實現(xiàn)了快速立模和移模又降低了工作人員的勞動強(qiáng)度。

擋矸液壓模板移動平臺處于巷道內(nèi)靠采空區(qū)側(cè)，主要由軌道和機(jī)械手組成。模板的抓取主要依靠移動平臺上的關(guān)節(jié)式液壓機(jī)械手。其搬運模板水平距離可達(dá)到770mm，足以實現(xiàn)模板的搬運。

關(guān)節(jié)式液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要特征：①設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)由兩個單獨的關(guān)節(jié)式機(jī)械手構(gòu)成，通過鋼板連接，整體結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力強(qiáng)，可實現(xiàn)穩(wěn)定的搬運模板支架；②在機(jī)械手設(shè)計中采用液壓驅(qū)動力抵消支架產(chǎn)生的重力矩達(dá)到平衡，液壓驅(qū)動力大而且穩(wěn)定滿足模板液壓支架搬運工作需求。

圖2 關(guān)節(jié)式液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)(mm)

2.3 沿充留巷裝備模擬仿真分析

圖3 機(jī)械手樣機(jī)模型

為了判斷擋矸模板支架與機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)計參數(shù)的合理性，采用ADAMS模擬機(jī)械手抓取和放回?fù)蹴纺０暹^程，對機(jī)械手進(jìn)行多體運動學(xué)特性仿真分析。機(jī)械手三維模型如圖3所示。在ADAMS軟件中對機(jī)械手進(jìn)行材料設(shè)置、添加約束和驅(qū)動等操作，參數(shù)設(shè)定為：模擬時長8s，仿真步長500，選用Kinematic Simulation模板進(jìn)行運動學(xué)特性仿真，得到其負(fù)載狀態(tài)下機(jī)械手末端位移與速度隨時間變化曲線和升舉千斤頂驅(qū)動力隨時間變化曲線，如圖4、圖5所示，其中實線為末端速度曲線，虛線為末端位移曲線。末端速度與位移變化趨勢較為緩慢，沒有出現(xiàn)突變，F(xiàn)1、F2分別為底座處和前連桿處升舉千斤頂驅(qū)動力變化曲線。升舉千斤頂驅(qū)動力曲線平穩(wěn)無劇烈變化，滿足了機(jī)械手規(guī)劃路徑連續(xù)性和平穩(wěn)性的基本要求。

圖4 械手末端位移與速度時間變化曲線

圖5 舉千斤頂驅(qū)動力時間變化

針對擋矸模板抗壓能力采用ANSYS Workbench進(jìn)行整體靜力學(xué)分析。根據(jù)井下施工要求，擋矸模板自立強(qiáng)度需要1MPa。在ANSYS Workbench中對擋矸模板施加約束條件和受力，整體約束為下?lián)醢逄幍酌嫖恢檬┘右粋€固定約束，在上擋板頂面位置施加1MPa應(yīng)力。通過仿真分析可得擋矸模板整體應(yīng)力和變形云圖，如圖6所示。通過仿真結(jié)果可得，擋矸模板在抗壓條件下，最大變形放生在上模板頂部附近，變形量約為1.7mm，整體變形量較小。最大應(yīng)力在上模板頂部和下?lián)醢宓撞扛浇?，?yīng)力值為99.816MPa小于結(jié)構(gòu)鋼屈服應(yīng)力。綜上所述擋矸模板抗壓能力符合要求。

圖6 擋矸模板靜力學(xué)分析

3 固體充填開采沿充留巷工藝

3.1 留巷裝備組成及位置

根據(jù)固體充填開采沿充留巷工作原理，沿充留巷專用裝備主要包括：擋矸液壓模板、關(guān)節(jié)式抓舉機(jī)械手、移動平臺。沿充留巷裝備布置如圖7所示。

圖7 留巷裝備布置

留巷支架位于運輸巷內(nèi)部，通過液壓缸與工作面輸送機(jī)連接。循環(huán)前移式液壓模板4架一組在基本架后方，采空區(qū)邊緣，臨時支護(hù)采空區(qū)頂板并隔離正在充填的采空區(qū)。移動平臺與留巷支架連接為一個整體實現(xiàn)移動。關(guān)節(jié)式機(jī)械手安裝至移動平臺上，通過牽引液壓缸連接平臺一端，實現(xiàn)機(jī)械手在移動平臺上的移動。

工作面進(jìn)刀后，推溜、移架，回采工作面后方形成采空空間，推進(jìn)一定距離時，可安裝移動平臺。機(jī)械手搬運模板過程如圖8、圖9所示，將抓手通過抓舉千斤頂調(diào)節(jié)至張開狀態(tài)，抓取第1液壓支架模板，抓取后通過移動平臺上移動至采空區(qū)巷旁充填外側(cè)合適位置，模板充液自立。待工作面再次推進(jìn)一個模板的距離后進(jìn)行第2模板移模立模過程，以此類推，四個液壓支架模板為一組。待完成一組液壓模板立模后，可將第一模板移動至第4模板之后，以此實現(xiàn)模板支架的循環(huán)使用。

圖8 液壓模板循環(huán)搬運

圖9 機(jī)械手搬運模板過程

3.2 固體充填開采沿充留巷注漿工藝

沿充留巷過程中充入采空區(qū)的充填體時以矸石為主的散狀固體充填材料，為防止模板撤離后充填材料的散狀特性顯現(xiàn)，發(fā)生滑落，對矸石充填材料注漿，將散體改性為膠結(jié)性較好的固體材料，使充填材料形成平整可靠的巷道壁[19，20]。注漿通過模板上留設(shè)的注漿孔利用錨桿鉆機(jī)將自進(jìn)注漿錨桿鉆進(jìn)開始注漿，模板中注漿孔初步定為2列7行水平間距為0.5m，豎直間距根據(jù)工作面高度的不同可做調(diào)整。在注漿過程中，根據(jù)實際注漿效果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，每循環(huán)注漿工作結(jié)束后，必須用清水將注漿管路的漿液沖洗干凈，以免漿液在管路靜置凝結(jié)充填體成型后模板通過搬運裝置搬運，移走后再打單體護(hù)幫待漿液凝固后安裝錨桿托盤和螺母，沿充留巷注漿工藝如圖10所示。

圖10 沿充留巷注漿工藝

4 結(jié) 論

1)沿充留巷是一種適用于固體充填開采的新型留巷技術(shù)具有固體充填開采工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯、對地面環(huán)境擾動小的特點，且施工簡單，結(jié)合機(jī)械化專用裝備減輕工人勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)高效留巷。

2)基于沿充留巷技術(shù)特征和巷旁充填支護(hù)擋矸實際要求，設(shè)計“三段式液壓擋矸模板+隨架前移式軌道+關(guān)節(jié)式液壓機(jī)械手”整套裝備并介紹了裝備的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)ADAMS模擬仿真結(jié)果，機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，通過ANSYS分析，液壓擋矸模板可在1MPa壓力下正常工作。