矸石充填工作面運(yùn)矸皮帶機(jī)尾部適應(yīng)性改造

高浦

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

煤礦充填開采是主動(dòng)減少采煤造成地面沉降的方法，但多年來受裝備、技術(shù)、成本等客觀條件制約，尤其是應(yīng)用在不間斷充填開采的礦井更是少之又少。冀中能源股份有限公司邢東礦自2002 年起經(jīng)過20 多年持續(xù)的考察調(diào)研，不僅在全國率先完成了包括巷道充填、高水充填和矸石充填的技術(shù)研究，還經(jīng)過不斷的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改良，于2021 年實(shí)現(xiàn)了礦井全面智能化充填開采，形成了基于材料研發(fā)、裝備革新、工藝升級(jí)的充填開采研發(fā)與實(shí)踐示范基地，目前取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-9]。

邢東礦自2002 年首次提出，由巷道式矸石充填開采技術(shù)處理井下矸石，2011 年提出井下采、選、充一體化構(gòu)想，開展了綜合機(jī)械化矸石充填開采工程實(shí)踐[10]，2019 年在充填開采理論與技術(shù)體系建立的基礎(chǔ)上，提出區(qū)域性矸石處置的智能化矸石充填開采構(gòu)想，并于2021 年初步實(shí)現(xiàn)了礦井全域連續(xù)智能化充填開采，形成基于材料研發(fā)、裝備革新、工藝升級(jí)、不斷實(shí)踐的充填開采研發(fā)與實(shí)踐示范基地。

1 工作面概況

12212 工作面是邢東礦一水平二采區(qū)第三個(gè)采煤工作面，也是首個(gè)矸石充填開采工作面，位于1200 集中運(yùn)料巷以東、斷層SF90 以南和井田邊界以北之間，工作面以西是1200 集中運(yùn)料巷和1200集中運(yùn)輸巷。

12212 工作面主采2 號(hào)煤層，標(biāo)高-841—-749 m，走向長463 m，傾斜長55 m，工作面平均推進(jìn)長度427 m，煤層厚度4.4 ～4.9 m，平均厚度4.58 m，煤層平均傾角11°，可采儲(chǔ)量11.9 萬t。

2011 年該礦首次提出井下采、選、充一體化構(gòu)想，并開展了綜合機(jī)械化矸石充填開采工程實(shí)踐，2012 年9 月，12212 矸石充填工作面順利圈出，作為邢東礦首個(gè)矸石充填工作面，也是我國首次使用采高為5 m 的一體式矸石充填支架，為今后該礦矸石充填系統(tǒng)的改造和矸石充填工藝的優(yōu)化提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該礦矸石充填技術(shù)的改良有著重要意義。

1.1 儲(chǔ)、裝、運(yùn)系統(tǒng)

儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)由翻罐籠、40 t 溜子、破碎機(jī)、梭車、臨時(shí)砟倉、650 皮帶等組成。首先將矸石裝罐運(yùn)往1200 集中運(yùn)料巷翻罐籠處，再經(jīng)翻罐籠翻砟進(jìn)入底部40 t 溜子并運(yùn)往破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后的小粒徑矸石儲(chǔ)存到梭車和臨時(shí)砟倉內(nèi)，梭車和臨時(shí)砟倉儲(chǔ)存滿后（梭車儲(chǔ)存矸石能力25 m3，臨時(shí)砟倉儲(chǔ)存矸石能力70 m3），使用扒巖機(jī)將矸石扒到650 皮帶（后簡稱“運(yùn)矸皮帶”“拋矸皮帶”） 輸送到工作面進(jìn)行充填，如圖1 所示。

圖1 12212 矸石充填工作面儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)示意Fig.1 Storage and transportation system of No.12212 gangue backfilling face

1.2 矸石輸送

在實(shí)際的使用過程中，初期階段該礦利用運(yùn)矸皮帶輸送矸石卸載到拋矸皮帶，再使用拋矸皮帶運(yùn)至架后充填，使用過程中發(fā)現(xiàn)諸多弊端，如拋矸皮帶骨架用料單薄強(qiáng)度不足，出煤時(shí)整架皮帶向外拖移困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且所使用的電滾筒備用件少不利于檢修維護(hù)等，嚴(yán)重影響出煤效率。

為了解決拋矸皮帶出現(xiàn)的各種問題，經(jīng)技術(shù)研討提出將原有的運(yùn)矸皮帶和拋矸皮帶合二為一，對(duì)運(yùn)矸皮帶機(jī)尾進(jìn)行了適應(yīng)性技術(shù)改造，研制、加工出了1 套運(yùn)矸皮帶尾部組件，使矸石直接通過帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至支架后部的刮板輸送機(jī)上，去掉拋矸皮帶，降低了人工成本，提高了生產(chǎn)效率，矸石充填原理示意如圖2 所示。

圖2 矸石充填工作原理示意Fig.2 Work principle of gangue backfilling

2 運(yùn)矸皮帶改造

2.1 結(jié)構(gòu)改造

運(yùn)矸皮帶機(jī)尾組件主要由2 部分組成，一是吊掛式皮帶機(jī)尾，二是落地緩沖架。2 部分由普通皮帶縱梁進(jìn)行連接，用于支撐頂皮帶，底皮帶空載，不設(shè)支撐。

吊掛式皮帶機(jī)尾，由3 節(jié)組成，兩節(jié)之間用φ22 mm 的加強(qiáng)螺絲進(jìn)行連接。第一節(jié)的端頭搭接固定于后部刮板運(yùn)輸機(jī)，第一二節(jié)間、第二三節(jié)間、第三節(jié)后端頭分別用鐵鏈吊掛于支架上。第一節(jié)主要用于固定和調(diào)節(jié)皮帶滾筒，由20 mm 厚的鐵板制成。將第一節(jié)兩側(cè)鐵板開豁口，皮帶滾筒放置在豁口內(nèi)。在豁口內(nèi)滾筒兩頭可以獨(dú)自前后滑動(dòng)，用于調(diào)節(jié)皮帶跑偏。第二節(jié)由10 號(hào)槽鋼構(gòu)成，頂皮帶由皮帶緩沖輥托起（該種皮帶緩沖輥原用于帶式輸送機(jī)重型機(jī)尾上），底皮帶由普通皮帶底輥托起。第三節(jié)與第二節(jié)結(jié)構(gòu)基本相同，逐步放大頂?shù)灼У拈g距，使之與普通皮帶H 架相適應(yīng)。

落地緩沖架為一個(gè)整體，高度稍高于普通皮帶H 架。其上部縱梁是一整根開口向上的8 號(hào)槽鋼，這樣設(shè)計(jì)是為了讓皮帶縱梁可以在槽鋼內(nèi)自由滑動(dòng)。落地緩沖架上下縱梁上分別焊有可以固定普通皮帶頂?shù)纵伒目ú郏▓D3）。

2.2 工作原理

（1） 在矸石充填過程中，由于省去了1 臺(tái)拋矸皮帶，因此在運(yùn)輸矸石的時(shí)候，直接由1 條皮帶運(yùn)送矸石至支架后部的刮板運(yùn)輸機(jī)上，省去了中間環(huán)節(jié)。

（2） 采煤過程中，由于吊掛式皮帶機(jī)尾固定在支架上，因此會(huì)隨支架一排一前移，固定在皮帶機(jī)尾上的縱梁也是一排一前移。這樣只需將落地緩沖架加長就可增加其預(yù)留量，從而減少移動(dòng)落地緩沖架的次數(shù)。提高出煤效率，在采煤過程中顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。

12212 工作面每循環(huán)推進(jìn)2.1 m（采煤機(jī)截深為0.7 m，每循環(huán)產(chǎn)煤3 刀），在運(yùn)矸皮帶設(shè)計(jì)初期，參照皮帶縱梁長度4 m，皮帶機(jī)尾第三節(jié)和煤壁的距離2.5 m，每個(gè)生產(chǎn)循環(huán)采煤2.1 m，再考慮到地質(zhì)條件的不確定因素，所以將落地緩沖架的梁設(shè)定為4 m。這樣就可充分保證皮帶縱梁在槽鋼內(nèi)可以滑動(dòng)一個(gè)循環(huán)，即一個(gè)產(chǎn)煤循環(huán)只需將落地緩沖架前移一次。并且在采煤過程中只需將皮帶松弛，待落地緩沖架前移后再將皮帶張緊，整個(gè)過程皮帶基本保持原樣，恢復(fù)起來相當(dāng)容易。

2.3 內(nèi)部小件

為了加強(qiáng)皮帶在皮帶機(jī)尾部運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，在吊掛式皮帶機(jī)尾內(nèi)部加工了諸多小件。同時(shí)，為了保證帶式輸送機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不跑偏，在吊掛式皮帶機(jī)尾第一節(jié)內(nèi)、第三節(jié)端頭和落地緩沖架前端分別加設(shè)了防跑偏輥，由于頂?shù)灼昂箝g距不同，分別使用了普通皮帶頂輥中間節(jié)和普通皮帶底輥。同時(shí)，將機(jī)尾滾筒軸兩端和2 個(gè)小千斤頂連接，這樣就可以迅速調(diào)節(jié)機(jī)尾滾筒狀態(tài)，調(diào)整皮帶防止跑偏。

為了保證在皮帶運(yùn)行過程中，底皮帶不會(huì)因皮帶過緊而掀起，在機(jī)尾的前兩節(jié)中各加設(shè)1 個(gè)壓帶輥，在機(jī)尾的第三節(jié)中加設(shè)2 個(gè)壓帶輥。

為了有效清理附著在皮帶上的矸石碎渣，在機(jī)尾滾筒正下方，設(shè)計(jì)了1 個(gè)可配合皮帶使用的條狀清掃器。在之前使用拋矸皮帶時(shí)發(fā)現(xiàn)，皮帶底輥上也會(huì)附著矸石碎渣。為了解決這一問題，該礦調(diào)節(jié)了底輥和橫梁的固定位置，讓底輥和橫梁的間距很小，使底輥在旋轉(zhuǎn)過程中就將附著其上的矸石碎渣，在橫梁上刮蹭下來。經(jīng)過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，二者間距2 cm 為宜，過大則起不到刮蹭矸石碎渣的作用，過小容易因加工精度不足而使兩者相互磕絆。

由于這套皮帶機(jī)尾部組件橫跨工作面，人員需要在其下來回經(jīng)過，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，在吊掛式皮帶機(jī)尾底部加設(shè)掛鉤，必要時(shí)可以加設(shè)護(hù)網(wǎng)，防止掉落矸石傷人。

矸石充填運(yùn)矸皮帶機(jī)尾成果如圖4 所示。

圖4 矸石充填運(yùn)矸皮帶機(jī)尾成果圖Fig.4 Transformation results of gangue filling conveyor belt

3 應(yīng)用效果

改造后皮帶機(jī)尾部組件的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

（1） 由于設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到帶式輸送機(jī)和產(chǎn)煤的關(guān)系，該套皮帶機(jī)尾部組件可以做到一個(gè)循環(huán)拉移一次設(shè)備，甚至多個(gè)循環(huán)拉移一次設(shè)備，有效地提高了產(chǎn)煤效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2） 由于省去了1 臺(tái)設(shè)備，降低了設(shè)備檢修壓力、備件儲(chǔ)備壓力、電源負(fù)載壓力，同時(shí)由于省去了1 個(gè)皮帶司機(jī)和1 個(gè)皮帶機(jī)尾部看護(hù)工，也減少了施工人數(shù)，提高了施工效率。

（3） 系統(tǒng)簡潔，結(jié)構(gòu)簡單，2 個(gè)組件分工明確，原來的拋矸皮帶拉移一次需要5 人配合，現(xiàn)在如果有絞車2 個(gè)人就可以完成拉移工作，即便沒有絞車，4 人抬著，也可以完成該項(xiàng)工作。

（4） 皮帶機(jī)尾部組件，易于加工，用的均是普通的槽鋼、鐵板、通用的皮帶零部件，只需要電焊和氣割即可完成加工。目前正在使用的這套皮帶機(jī)尾部組件整體的加工費(fèi)用僅為1 萬余元。

4 經(jīng)濟(jì)效益

按照每天1 個(gè)班充填，每天節(jié)省檢修用工、運(yùn)轉(zhuǎn)工各1 個(gè)，全年預(yù)計(jì)可充填300 d，預(yù)計(jì)節(jié)省人工費(fèi)用：2 工/d×200 元/工×300 d=12 萬元；按照每天1 個(gè)班充填6 h 計(jì)算，節(jié)省1 部拋矸皮帶，節(jié)約用電6 h×80 kW=480 kW·h，按照每度電0.5元計(jì)算，180 天節(jié)省電費(fèi)480 kW·h×0.5 元/kW·h×180 d=4.32 萬元。

安裝1 部拋矸皮帶（800 膠帶輸送機(jī)） 所需人工費(fèi)用約為8 000 元/臺(tái)。

按照以上計(jì)算，對(duì)運(yùn)矸皮帶機(jī)尾改造完成后，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約資金17.12 萬元。

5 結(jié) 語

目前，邢東礦矸石充填工作面已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化集中控制管理，在我國已處于遙遙領(lǐng)先的位置，面對(duì)當(dāng)前煤礦行業(yè)日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力和巨額的安拆費(fèi)用，充填采煤工藝依然具有廣闊的發(fā)展空間，仍然需要在日常的充填開采工作中不斷的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。此次運(yùn)矸皮帶機(jī)尾部適應(yīng)性改造正是在這一過程中發(fā)現(xiàn)并解決的重大難題，也是眾多攻堅(jiān)克難環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的一環(huán)，近年來該皮帶機(jī)尾部組件運(yùn)行良好，其應(yīng)用有效地提高了整個(gè)矸石充填工作面的產(chǎn)煤效率，為邢東礦今后的矸石充填各項(xiàng)工作的改革創(chuàng)新提供了巨大的參考依據(jù)，也為該礦更快更好的實(shí)現(xiàn)矸石充填工作面的自動(dòng)化進(jìn)程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。