煤礦井下混凝土攪拌站與地面輸料孔設(shè)計(jì)

李安寧,薛曉強(qiáng),丁彥雄,慕健強(qiáng)

(陜煤集團(tuán)小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司,陜西 榆林 719300)

0 引言

隨著國(guó)家優(yōu)質(zhì)煤炭產(chǎn)能不斷釋放,特大型現(xiàn)代化礦井逐步建設(shè)投產(chǎn),井下混凝土使用量也相應(yīng)增大。大多數(shù)煤礦是將成品混凝土通過運(yùn)送物料的車輛轉(zhuǎn)運(yùn)至井下使用地點(diǎn),采取人力或半自動(dòng)化的方式在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土料進(jìn)行攪拌,存在混合不均勻,勞動(dòng)強(qiáng)度大,混凝土地坪質(zhì)量難以保證的問題[1-3]。也有少數(shù)具備條件的煤礦通過地面輸料孔將成品混凝土輸送至井下,再通過車輛運(yùn)送至使用地點(diǎn)[4-6]。但是將成品混凝土通過各種運(yùn)輸手段運(yùn)送至井下使用地點(diǎn),往往存在運(yùn)輸距離長(zhǎng)導(dǎo)致混凝土變質(zhì)的情況,尤其是在氣溫較低的情況下更是如此。為了保證混凝土質(zhì)量,提高礦井建設(shè)的工作效率,同時(shí)也滿足地面環(huán)保的要求,個(gè)別煤礦將防爆混凝土攪拌站成套機(jī)械裝備應(yīng)用到了井下,將沙子、水泥、石子等物料通過車輛運(yùn)送至井下攪拌站并加工為成品混凝土,在保證混凝土質(zhì)量的同時(shí)也改善地面環(huán)境[7-8]。但是通過防爆無軌膠輪車等輔助運(yùn)輸車輛運(yùn)輸混凝土原材料,運(yùn)輸工程量很大,尤其是在開拓新盤區(qū)的過程中,單程運(yùn)輸距離能達(dá)到9 km以上,車輛排放的尾氣嚴(yán)重影響井筒內(nèi)的空氣質(zhì)量,同時(shí)井下巷道行車過多也為輔助運(yùn)輸?shù)陌踩芾韼砝щy[9-11]。

可通過輸料孔下料解決混凝土原材料分散運(yùn)輸造成的浪費(fèi)問題、車輛運(yùn)輸距離長(zhǎng)問題、污染井巷空氣問題。在井下建設(shè)混凝土攪拌站除保證混凝土質(zhì)量的同時(shí)也能持續(xù)地進(jìn)行供應(yīng)。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),在充分考慮小保當(dāng)公司二號(hào)煤礦井下巷道、地面場(chǎng)地的情況下,對(duì)井下混凝土攪拌站與地面輸料孔進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì),以高效、環(huán)保、減少勞動(dòng)強(qiáng)度為原則,制造滿足井下施工的高品質(zhì)混凝土,確保巷道地坪施工、巷道噴漿支護(hù)等重點(diǎn)工程建設(shè)。

1 工程概況

陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司二號(hào)煤礦位于榆林神木市西南部,是國(guó)內(nèi)一流大型現(xiàn)代化礦井,主井為斜井開拓,裝備高強(qiáng)度、大功率的膠帶運(yùn)輸機(jī),副井采用緩坡斜井開拓,長(zhǎng)3 600 m,輔助運(yùn)輸大巷長(zhǎng)度3 700 m。從地面到井下各采掘工作面均采用防爆膠輪車運(yùn)輸,最遠(yuǎn)運(yùn)輸距離可達(dá)9 km,為滿足無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)囊?井底巷道底板使用混凝土鋪底硬化,巷道鋪底較長(zhǎng),混凝土用量較多,尤其是快速掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,巷道掘進(jìn)進(jìn)尺顯著提升,但也導(dǎo)致巷道混凝土地坪施工及噴漿支護(hù)工程明顯滯后。為徹底解決問題,結(jié)合小保當(dāng)二號(hào)煤礦地質(zhì)條件、井下巷道布置和地面場(chǎng)地位置等因素,對(duì)輸料孔和井下攪拌站巷道聯(lián)合設(shè)計(jì),分地面土建、輸料孔鉆孔、井下巷道3大部分進(jìn)行施工,并成功應(yīng)用。

2 輸料孔及井下巷道聯(lián)合設(shè)計(jì)

2.1 輸料孔設(shè)計(jì)施工

地面選擇輸料孔施工位置,布置料場(chǎng)與配套土建工程,應(yīng)綜合考慮地形、供水、供電、交通運(yùn)輸、井下巷道位置等條件,以確保輸料孔能順利施工并與井下巷道精準(zhǔn)貫通。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查計(jì)算,確定在風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地建設(shè)輸料孔,此位置也對(duì)應(yīng)井下盤區(qū)集中大巷附近,可縮短運(yùn)輸距離。

風(fēng)井場(chǎng)地地面標(biāo)高+1 322 m,井下聯(lián)絡(luò)巷頂板標(biāo)高+954.5 m,輸料孔為垂直鉆孔,孔深369 m。小保當(dāng)二號(hào)煤礦輸料孔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 輸料孔鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Borehole structure of feeding hole

自地面垂直向下96 m為地表松散層及風(fēng)化基巖段,使用φ241 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)先導(dǎo)孔,再使用φ560 mm、φ730 mm組合牙輪鉆頭逐級(jí)同心擴(kuò)眼。0～96 m段鉆孔施工完畢后,下入φ610 mm×10 mm螺旋管作為護(hù)壁管,下深96 m并采用水泥砂漿固井。96～369 m為正常基巖段,繼續(xù)使用φ241 mm鉆頭鉆進(jìn)先導(dǎo)孔,后使用φ560 mm鉆頭擴(kuò)眼至輸料孔全段成型。全孔下入φ426 mm×12 mm無縫鋼管作為工作管,下深369 m。最后使用水泥砂漿固井,清理、置換管內(nèi)泥漿至孔底,封固孔口。

輸料孔施工完畢后在地面和井下兩端分別安裝接料斗和緩沖器,便于沙石等物料下放。在輸料孔地面孔口安裝“方形”接料斗便于下放物料,在料斗接料口用鋼板焊接活動(dòng)封口盤,用時(shí)打開,不用時(shí)關(guān)閉可避免雜物或雨水倒灌。在輸料孔下口(巷道頂板)安裝專用緩沖裝置,底板鋪設(shè)20 mm厚鋼板,可抵抗下放物料的沖擊力,同時(shí)也便于裝載機(jī)鏟取裝運(yùn),如圖2所示。

圖2 輸料孔地面、井下兩端孔口Fig.2 Hole openings at both ends of the ground and underground of the feeding hole

2.2 攪拌站配套巷道設(shè)計(jì)布置

輸料孔位置對(duì)應(yīng)井下充填區(qū)位置,靠近系統(tǒng)大巷,井下攪拌站配套巷道包含:環(huán)形行車通道、攪拌站硐室、存料聯(lián)巷、存料硐室、專用回風(fēng)道及檢修行人通道。小保當(dāng)二號(hào)煤礦井下攪拌站配套巷道設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 井下攪拌站配套巷道設(shè)計(jì)布置Fig.3 Design and layout of supporting roadway for underground concrete mixing station

為保證各硐室作業(yè)區(qū)域及裝車路線的空氣質(zhì)量,在輸料孔孔底施工一條專用回風(fēng)通道與回風(fēng)大巷連通,輸料孔下放物料、攪拌站作業(yè)產(chǎn)生的粉塵會(huì)進(jìn)入回風(fēng)流中,同時(shí)打開噴霧水幕降塵,獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)保證了作業(yè)區(qū)域和行車路線的空氣質(zhì)量。圖3中①區(qū)域?yàn)榛炷裂b車運(yùn)輸通道,空車從輔運(yùn)大巷駛?cè)?通過行車聯(lián)巷到攪拌站硐室裝車,空車駛?cè)氲街剌d駛離實(shí)現(xiàn)環(huán)形行車,提高裝車效率,保證裝車安全。②區(qū)域?yàn)檩斄峡捉恿?、存料、及攪拌站上料區(qū)域,存料聯(lián)巷中間設(shè)置一堵分隔墻,沙子、石子可分別存放。裝載機(jī)將輸料孔下放的物料倒運(yùn)至存料聯(lián)巷儲(chǔ)存,水泥在水泥硐室中存放,裝載機(jī)將物料裝運(yùn)至攪拌機(jī)制造成品混凝土。①區(qū)域和②區(qū)域以攪拌站硐室為界分左右兩側(cè)單獨(dú)作業(yè),膠輪車在左側(cè)區(qū)域裝運(yùn)成品混凝土,裝載機(jī)在右側(cè)區(qū)域倒運(yùn)原材料,互不干擾。③區(qū)域?yàn)樾腥藱z修通道,是工作人員進(jìn)入攪拌站硐室、存料聯(lián)巷硐室的專用通道,為人員通行、設(shè)備檢修等提供便利。

3 混凝土攪拌站安裝及應(yīng)用

3.1 攪拌站設(shè)備配套及安裝

井下選用礦用防爆MJS-750型雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī),與SDD-400型配料機(jī)組成混凝土攪拌站,攪拌機(jī)外形尺寸4.6 m×3.5 m×4.3 m,分別由物料輸送系統(tǒng)、物料稱量系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等5大系統(tǒng)以及其他附屬設(shè)施組成。配料機(jī)外形尺寸5.5 m×2.1 m×3.3 m,分別由接料儲(chǔ)料斗、帶式配料總成、給料儲(chǔ)料斗、帶式給料總成等組成。攪拌站配套設(shè)備安裝于井下攪拌站硐室,混凝土攪拌站配套示意如圖4所示。

圖4 井下混凝土攪拌站配套示意Fig.4 Supporting diagram of underground concrete mixing station

礦井根據(jù)各生產(chǎn)單位施工安排,按計(jì)劃把井下混凝土用沙子、碎石、水泥等材料提前集中存放在攪拌站儲(chǔ)料場(chǎng)。負(fù)責(zé)運(yùn)行攪拌站的單位根據(jù)各班提報(bào)的混凝土用料計(jì)劃,按配比、足量攪拌,然后再由運(yùn)輸車隊(duì)按時(shí)送到各用料點(diǎn)。首先用裝載機(jī)將沙子、石子分別裝至配料機(jī)的2個(gè)接料斗,接料斗下方安裝有2條可調(diào)速給料皮帶,以控制皮帶的帶速來控制配料的比例,將配比好的混合料運(yùn)至攪拌機(jī)的提升料斗內(nèi),啟動(dòng)上料系統(tǒng),料斗由提升機(jī)拖動(dòng)并沿滑軌向上運(yùn)動(dòng)到一定位置后斗門自動(dòng)打開,物料經(jīng)漏斗卸入攪滾筒正轉(zhuǎn)攪拌物料,反之則傾倒出加工好的混凝土物料,車輛通過行車聯(lián)巷進(jìn)入攪拌站硐室接料并運(yùn)輸至施工地點(diǎn),如圖5所示。實(shí)現(xiàn)混凝土材料的量化生產(chǎn)也保證了混凝土的配比質(zhì)量。

圖5 井下混凝土攪拌站配套設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Supporting equipment installation of underground concrete mixing station

3.2 應(yīng)用效果分析

井下混凝土攪拌站與地面輸料孔配套聯(lián)合使用,減少了副斜井輔助運(yùn)輸壓力,同時(shí)不受地面天氣影響可保證24 h連續(xù)供應(yīng)混凝土料,以保證巷道地坪的正常有序施工。

通過輸料孔下料,在井下存料聯(lián)巷及硐室及時(shí)存放石子、沙子及水泥,保證全天用量。MJS-750型攪拌機(jī)每小時(shí)出料約25 m3,開機(jī)率按0.8計(jì),單班8 h可供料160 m3。

無軌膠輪車翻斗容量為3 m3,車輛在攪拌站硐室與掘進(jìn)工作面之間來回行駛一趟約1.5 h(包括巷道內(nèi)會(huì)車、接料、卸料的等待時(shí)間),1輛無軌膠輪車的單班運(yùn)輸量約15 m3,在攪拌站持續(xù)供料的情況下單班需要10輛膠輪車。

以順槽巷寬6 m、地坪厚度0.2 m為例,攪拌站單班供料160 m3,理論可施工地坪133 m。煤礦井下現(xiàn)有2個(gè)快速快掘工作面,單頭單班進(jìn)尺可達(dá)30 m,兩班掘進(jìn)一班檢修日進(jìn)尺約120 m,攪拌站單班的混凝土供應(yīng)量可滿足全天的順槽地坪施工。自投入使用以來,無論是混凝土材料的集中管理還是車輛的調(diào)度環(huán)節(jié),都顯著提高了施工效率。通過現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)性試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證地面輸料孔配合井下攪拌成套設(shè)備的聯(lián)合使用,順利實(shí)現(xiàn)下料、儲(chǔ)料、上料、攪拌和出料功能,不僅工作效率提高,而且輸料孔與井下攪拌站配合使用,能夠滿足日常生產(chǎn)工作的需要。

4 結(jié)論

(1)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)輸料孔、井下混凝土攪拌站及配套巷道工程,將混凝土攪拌站安裝至井下,井下施工專用存料聯(lián)巷便于原材料的集中管理,同時(shí)改變地面露天存放方式,符合環(huán)保工作的相關(guān)要求。

(2)采用地面輸料孔向井下輸料的方式,改變以往從井口經(jīng)過大巷運(yùn)輸車往返工作面運(yùn)輸?shù)哪Ｊ?極大地節(jié)約運(yùn)輸成本,減少往返大巷和井口的距離,減少大巷及井口運(yùn)輸物料的密度,避免因集中緊湊高密度運(yùn)料導(dǎo)致的井下運(yùn)輸安全事故,對(duì)保證施工安全有著重要的作用。

(3)井下施工的攪拌站配套巷道工程,作為獨(dú)立的生產(chǎn)單元具有高效的運(yùn)輸、通風(fēng)系統(tǒng),從下料、存料、運(yùn)送、上料、攪拌都在專用巷道和硐室中進(jìn)行,大大降低粉塵和噪聲污染,不僅降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度同時(shí)也改善了作業(yè)環(huán)境。

(4)根據(jù)井下的實(shí)際需求,所選的攪拌裝置能夠順利實(shí)現(xiàn)上料和出料功能,與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)良好匹配,所生產(chǎn)的混凝土滿足煤礦井下的施工要求,攪拌站單班混凝土供應(yīng)量可滿足煤礦井下全天的順槽地坪施工。