朱集西煤礦矸石緩沖倉滯倉治理技術研究

中安聯合煤化有限責任公司朱集西煤礦 安徽淮南 232000

淮 南礦區朱集西礦千米深井掘進系統產出的矸石黏性和水分大，在通過緩沖倉時，由于滯矸及大塊矸石搭橋，緩沖倉經常出現起拱。起拱發生后主要采用放炮爆破和人工清蓬進行處理。隨著對煤炭安全生產的要求越來越嚴格，爆破作業被禁止，而人工破拱需要在含有大塊矸石的水煤環境下進行，存在極大的人身及設備安全隱患。國內由于人工破拱清蓬造成的人身傷害事故時有發生，人工破拱效率低下，導致與之相關的運輸設備長時間停工，嚴重影響礦井的正常生產，對礦區的的社會和經濟效益造成巨大的影響。為此，朱集西煤礦將矸石運輸系統緩沖倉堵塞滯倉治理列為重點攻關項目，對該課題進行了廣泛的調研，并與鄭州大學和河南輝強機械設備有限公司共同對矸石緩沖倉破拱技術進行了項目攻關，較好地解決了該礦區矸石緩沖倉堵塞滯倉問題。

1 矸石滯倉原因分析

對矸石緩沖倉內矸石的起拱原因進行詳細分析，確認朱集西煤礦矸石緩沖倉內矸石的滯倉起拱有以下3 種形式。

1.1 大塊搭橋起拱

朱集西煤礦原煤生產過程中，掘進工作面產生的超限矸石(長度大于 500 mm)部分沒有破碎或破碎不徹底就進入到矸石緩沖倉內。在緩沖倉內，由于矸石倉的鎖口位置尺寸較小，只有 1 300 mm，這些超限矸石在鎖口位置搭接卡咬在一起，在鎖口附近及鄰近上方形成一個穩定的拱形外殼，堵塞矸石緩沖倉鎖口，導致矸石無法從緩沖倉內流出。這種形式起拱一般發生在鎖口及鄰近上方位置。

1.2 倉壁粘連

由于朱集西煤礦的矸石黏性非常強，同時含有一定的水量，這樣在靠近緩沖倉倉壁和鎖口上方的錐段部分，粉粒狀的矸石在倉壓的作用下粘連并板結在倉壁上，在鎖口打開時，在倉壁和錐面上粘連板結的粉粒狀矸石無法溜出，只有緩沖倉內中心部位的矸石向下流動外送。隨著時間的延長，粘連板結的矸石層厚度逐漸增加，并向緩沖倉中心部位遷移，最后，緩沖倉錐段只留下一個較小的溜料通道，在遇到大塊矸石或是長時間倉內高壓作用下，形成起拱卡堵。

1.3 壓縮平衡起拱

矸石在緩沖倉內暫存過程中，緩沖倉錐段的矸石層要受到非常高的倉壓作用，加之朱集西礦的矸石還有一定的自固性能，即在高的倉內壓力作用下被壓縮的矸石具有一定的固結能力。隨著時間的延長，被壓縮的矸石板結的強度逐漸增加，加之矸石在倉壁上的粘連，導致在緩沖倉錐段部分的溜矸通道變得狹窄，最終在緩沖倉鎖口上方的錐段部分形成矸石壓縮平衡拱，堵塞矸石外溜通道。

另外，矸石緩沖倉下所使用的設備為帶式給煤機，由于矸石內含有大塊及矸石的黏性非常高，對帶式給煤機的沖擊和砸擊作用強烈，在給煤過程中，泥漿狀矸石會進入到輸送帶下部及輥筒上，導致這種給煤機在使用過程中經常出現輸送帶打滑、托輥損壞等問題。由于帶式給煤機故障率高，維修工作量大，所以在進行矸石滯倉治理時，需要同時對帶式給煤機進行改造。

2 技改方案

目前常采用的破拱方法主要有改善料倉結構、機械破拱、氣動破拱、水力破拱、振動破拱和化學爆破破拱[1-5]。根據朱集西煤礦矸石堵塞滯倉的現狀，料倉結構已定，無法進行大的改造。由于氣動破拱的力量和作用范圍小，而朱集西礦的矸石黏結強度高，起拱范圍大，所以也不適用。振動破拱方法一般適用于鋼結構和小型料倉。化學爆破方法危險性高，與煤礦安全生產相矛盾，僅作為緊急狀況下的備選方案。機械破拱具有破拱力量大，破拱效果較好的特點。但是也存在破拱范圍有限(如布置不合理易于損壞)等缺點。水力破拱具有作用范圍大，水射流強度高，對于物料黏結性起拱具有非常好的分散破拱效果，因此在方案設計時重點采用。但在實施時要保證水射流的作用能夠有效到達矸石起拱的位置，同時應具有足夠的射流強度。

經過與鄭州大學和河南輝強機械設備有限公司共同研究，決定采用機械和水射流聯合破拱方案進行破拱。破拱方案總體布置如圖 1 所示。在緩沖倉鎖口下部安裝有平板閘門，平板閘門下部連接鎖口溜槽，鎖口溜槽插入到振動給煤機的槽體內。在鎖口溜槽的后側下面，寬度方向上連接有 2 個導向套筒，2 套液壓和水射流破拱裝置的端部封閉安裝在導向套筒內，下部采用鉸支結構支撐在設備基礎上。在振動給煤機出料端前方安裝有擋料板，出料端下部安裝有導料槽。導料槽連接在帶式給料機上，在振動給煤機出料端的前方安裝有擋料板。

圖1 破拱方案總體布置Fig.1 Overall layout of arch breaking scheme

破拱裝置結構如圖 2 所示。整個破拱裝置主要由破拱套筒、液壓缸、導向塊、高壓水管和射流噴頭等部件組成。在液壓缸外壁上，設有沿液壓缸軸向分布的導向塊，破拱套筒通過導向塊套裝在液壓缸上，液壓缸的活塞桿端部連接在破拱套筒端部的端蓋的內壁上，射流噴頭安裝在端蓋上。高壓水管和液壓油管布置在液壓缸外壁、導向塊和破拱套筒三者之間的空隙中。液壓油管與液壓泵站相連，高壓水管一端與射流噴頭相連，外露到破拱套筒外部的另一端與高壓射流泵相連。每臺破拱裝置上設置 2 個噴射方向相互交錯的射流噴頭，并分別與 2 根高壓水管相連。

圖2 破拱裝置結構Fig.2 Structure of arch breaking device

3 工作原理及主要工作參數

由圖 1 所示，當正常給煤時，打開平板閘門及振動給煤機出料端的擋料板，緩沖倉內的矸石通過鎖口及鎖口溜槽送入振動給煤機槽體，振動的槽體將矸石送入其下部的導料溜槽和帶式輸送機，并由帶式輸送機將矸石送到設定的位置進行相關處理。在送矸的過程中，液壓和水射流破拱裝置的端部一直停留在導向套筒內，沒有外露部分伸到鎖口溜槽內，因此對矸石在鎖口溜槽內的流動不產生任何影響。當需要停止給煤時，首先關閉上部的平板閘門，待槽體內的物料清空后，關閉前擋板，即完成 1 個工作循環。

如果矸石緩沖倉內出現起拱滯倉問題，即打開平板閘門時，緩沖倉內的物料無法順利下落。此時，啟動液壓泵站，向破拱液壓缸無桿腔內注入液壓油，液壓缸推動破拱套筒向緩沖倉內伸出，進行破拱作業。如果向液壓缸內反向注入液壓油，則破拱套筒縮回，保證矸石順利溜出，如此反復進行。如果矸石緩沖倉內由大塊矸石搭橋起拱，則破拱套筒破除搭橋起拱的拱腳，搭橋的大塊矸石就會下落，完成破拱作業。如果矸石緩沖倉內出現粉粒狀矸石壓縮黏結起拱，則啟動高壓射流泵，由于每套破拱裝置由 2 個方向相互交錯的噴頭噴射水流，2 套破拱裝置可在 4 個方向上對黏結的矸石進行切割分散，加之在噴射高速水流的過程中破拱套筒沿導向套筒上下移動，這樣可在 4 個方向呈面狀在緩沖倉內對黏結起拱的矸石進行切割分散，破壞粉粒狀矸石之間的黏結起拱，使其松散下落，完成破拱作業。

破拱裝置主要技術參數如表 1 所列。

表1 破拱裝置主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of arch breaking device

4 試驗研究

根據破拱方案，設計制作了相關的試驗裝置，并進行了一系列的工藝試驗。

液壓機械破拱裝置的破拱力可以保證破拱套筒向倉內頂出或縮回，針對緩沖倉內出現的大塊搭橋起拱滯倉，通過液壓缸驅動破拱套筒來回移動 1～3 次，即可將大塊矸石之間的搭橋破壞，完成破拱任務。特殊情況需要破拱套筒來回移動多次，才能完成破拱任務。

針對緩沖倉內出現的粉粒狀矸石壓縮黏結堵塞滯倉，采用高壓水射流噴射起拱部位，可以將粘連在一起的矸石分割松散，使其逐漸分散下落，從而達到破除起拱的目的。在鎖口部位的起拱破除后，通過破拱套筒的上下來回移動，破拱套筒將水射流的噴頭直接送入緩沖倉內起拱位置，同時使用高壓高速水射流進行噴射分散作業，從下到上逐漸將黏結的粉粒狀矸石從起拱和黏結位置剝離，可保證將緩沖倉內鎖口位置6 m 以上范圍內的起拱徹底清除，從而能夠保證緩沖倉長時間不會出現滯倉，相對于空氣炮等破拱方法，這種方法具有清拱范圍大、破拱徹底等優點。

5 結語

在技改方案實施前，緩沖倉發生堵塞滯倉時，所采用的方法主要為人工清堵和爆破破拱。人工破拱時，操作工人手持鋼管或水管從導料槽側面的開孔位置向緩沖倉鎖口內進行捅料或噴水，由于人工捅料力量小，不便于觀察；而噴水使用的自來水水壓和流速低，因此大部分情況下都無法順利實現破拱。為盡快恢復矸石運輸作業，必須采用爆破方法進行破拱，爆破作業一方面屬于違章操作，需要進過嚴格審批；另一方面由于爆破深度和位置不易掌握，會對給煤機和煤倉結構造成嚴重破壞。而采用機械+水射流聯合破拱方案，具有破拱效果好，操作人員勞動強度低，作業安全性和效率高等優點。