綜采工作面異型端頭支護裝備研究與應(yīng)用

蔣延峰

(黃陵礦業(yè)公司生產(chǎn)服務(wù)分公司，陜西 延安 727307)

0 引言

隨著礦井機械化和自動化程度的不斷提升，智能化綜采工作面成套綜采設(shè)備的研究與應(yīng)用已成一種必然趨勢，不僅能夠減輕工人的勞動強度、減少人員的密集程度，同時也能夠為礦井高效、高產(chǎn)提供安全保障[1-3]。黃陵礦業(yè)公司一號煤礦已實現(xiàn)薄煤層與中厚煤層智能化綜采工作面成套綜采設(shè)備的研究與應(yīng)用，工作面小三機、膠帶機、采煤機、液壓支架、兩順槽超前支護均已實現(xiàn)遠程控制，整個工作面實現(xiàn)一人巡視、無人操作、地面常態(tài)化采煤[4-6]。但綜采工作面上下隅角，運輸機機頭、機尾前后空頂處依舊采用“單體液壓支柱+鉸接頂梁”來進行支護，這種方式存在支護強度低、速度慢，作業(yè)勞動強度大、成本高的問題，同時導(dǎo)致降柱、支柱過程中危險性增大，不能滿足當(dāng)今高產(chǎn)、高效礦井的要求[7-9]。國外發(fā)達國家的煤礦回采巷道端頭支護等級較高，多采用成本高昂的高密度U型鋼，或者是地質(zhì)條件好，無須二次支護，所以其巷道支護與我國的實際條件有所不同，亦未見類似的巷道加強支護設(shè)備[10-13]。為此研究綜采工作面下隅角端頭支護方式，進一步有效控制工作面端頭段圍巖與支護，并穩(wěn)定采動影響區(qū)域，從而提高工作面安全程度迫在眉睫。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 煤層賦存條件

黃陵一號煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為4.20 Mt/a，主采2號煤層，平均厚度為2.10 m，傾角3°～5°，煤層結(jié)構(gòu)由簡單至復(fù)雜，含夾矸0～5層，單層厚度在0.03～0.15 m之間，最大總厚度1.30 m，多為炭質(zhì)泥巖及泥巖。煤種屬低-中灰、低-特低硫、中磷的一號肥氣煤和二號弱粘結(jié)煤。

1.2 綜采工作面參數(shù)

1005綜采工作面范圍內(nèi)2號煤層平均厚度為2.15 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為細粒砂巖，底板為炭質(zhì)泥巖。煤層傾角1°～5°，沿切眼向停采線方向逐漸升高，煤層賦存結(jié)構(gòu)簡單，僅存在小構(gòu)造。1005綜采工作面為單巷U型布置，工作面長度為235 m，進風(fēng)順槽設(shè)計為矩形巷道，掘?qū)?.6 m，掘高2.8 m。頂板采用錨桿+T140型鋼帶+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護。巷道正幫采用玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)支護，副幫采用金屬錨桿+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護。

2 異型端頭支護裝備設(shè)計

2.1 設(shè)計主要內(nèi)容

以1005綜采工作面現(xiàn)場幾何尺寸及特點，開發(fā)端頭異型支架，替換下隅角的單體支柱和珍珠巖。設(shè)計滿足現(xiàn)場尺寸、支護強度和高度需求的切頂支架，并適用于運輸機發(fā)生上竄下滑的情況。采用可人為控制的頂板破壞裝置，對頂板進行強制放頂。采用編程的方式對頂板進行有規(guī)律的切頂操作，切頂支柱為φ230 mm缸徑立柱，立柱頂部帶切頂專用柱帽。應(yīng)用電液控技術(shù)、遙控控制技術(shù)以及遠程操控技術(shù)，滿足智能化綜采工作面建設(shè)需求。

2.2 主要設(shè)計特點

綜采工作面異型端頭支護裝備能夠有效減少工作人員數(shù)量、增加作業(yè)人員安全系數(shù)、降低材料費用等。主要表現(xiàn)為：比傳統(tǒng)單體支護強度高支護速度快，兩架一組，能實現(xiàn)自移；避免了人員進入切頂區(qū)域內(nèi)回、支護單體，安全系數(shù)高。此外，節(jié)約大量的材料費用，包括單體液壓支柱、鉸接梁和珍珠巖；能對頂板自動反復(fù)進行強制破壞，取消了以往人工施工強制放頂；可接入工作面自動化環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程、遙控、自動拉移支護等功能。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)要求

通過對端頭支護情況的分析，并進行技術(shù)調(diào)研，提出端頭支護裝備的技術(shù)參數(shù)及功能要求見表1。

根據(jù)技術(shù)參數(shù)需求，設(shè)計異形端頭支護裝備圖紙如圖1所示。

圖1 異型端頭支架設(shè)計

2.4 設(shè)計參數(shù)驗證

設(shè)計完成以后，需要對設(shè)計的各項參數(shù)進行校驗，是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵，主要對以下3個參數(shù)進行校驗。

支護強度：根據(jù)4倍工作面的采高按照式(1)對要求的支護強度進行計算

P=4γh

(1)

式中，P為支護強度，MPa；γ為頂板巖石容重，取2.5 t/m3；h為煤層采高，取2.6 m。根據(jù)式(1)計算要求的支護強度為0.255 MPa。異形端頭支架的支護強度為0.32 MPa，大于計算要求的0.255 MPa，所以異形端頭支架的支護強度滿足使用要求。

單體支柱的初撐力：根據(jù)黃陵一號煤礦的支護情況，采用直徑100 mm的單體支柱，配合π型梁支護，棚距為1.0 m，一梁兩柱，所以10 m范圍內(nèi)單體數(shù)量約為20根。在10 m范圍內(nèi)單體支柱的主動支撐力按照式(2)進行計算

F=n·fc

(2)

式中，F(xiàn)為主動支撐力，kN；n為單體根數(shù)，取20；fc為單根單體支撐力，取90 kN。根據(jù)式(2)計算要求的10 m范圍內(nèi)單體支柱的主動支撐力為1 800 kN。異形端頭支架支撐力為5 232 kN，遠大于計算要求的1 800 kN，異型端頭支架的初撐力是原有單體支柱初撐力的2.91倍，因此異形端頭支架初撐力滿足使用要求。

工作阻力：在10 m范圍內(nèi)單體支柱的工作阻力按照式(3)進行計算

F=n·fz

(3)

式中，F(xiàn)為工作阻力,kN；n為單體根數(shù)，取20；fz為單根工作阻力，取250 kN。根據(jù)式(3)計算要求的10 m范圍內(nèi)單體支柱的工作阻力為5 000 kN。異型支架工作阻力/單體支柱工作阻力為6 400 kN，異型端頭支架的工作阻力是原有單體支柱工作阻力的1.28倍，因此異形端頭支架工作阻力滿足使用要求。

3 異型端頭支護裝備電液遠程控制技術(shù)

黃陵一號礦井綜采工作面已經(jīng)實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)，將異形端頭支護裝備接入綜采工作面環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程、自動控制。

3.1 綜采工作面SAM自動控制系統(tǒng)

異形端頭支護裝備與工作面控制系統(tǒng)(采煤機控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、工作面運輸控制系統(tǒng)、三機通信控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)及供電系統(tǒng))有機結(jié)合，隨著綜采工作面的推進，異型端頭支護裝備進行自動移架和支護，與綜采工作面的設(shè)備實現(xiàn)協(xié)調(diào)管理與集中控制，SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SAM型綜采自動化控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2 異形端頭支護設(shè)備SAC電液控制系統(tǒng)

3.2.1 異型端頭支護裝備結(jié)構(gòu)

異型端頭支護裝備主要支護千斤頂有推拉千斤頂、前后立柱千斤頂、前梁千斤頂、頂護壁千斤頂、中護壁千斤頂、調(diào)低千斤頂?shù)龋赃x擇具有11項功能的控制器和主閥，并在超前區(qū)域安裝攝像儀，對異型端頭支護裝備進行可視化管理。異型端頭支護裝備數(shù)據(jù)上傳架構(gòu)如圖3所示。

圖3 異型端頭支護裝備數(shù)據(jù)上傳架構(gòu)

3.2.2 SAC電液控制系統(tǒng)

異型端頭支護裝備上配置一套支架控制單元(支架控制器)，支架控制單元以26項功能支架控制器為核心控制部件。支架控制單元包括支架控制器1個，電磁驅(qū)動器1個，電液控換向閥1個，推移千斤頂行程傳感器1個，監(jiān)測支架頂板壓力的立柱壓力傳感器1個，連接器以及固定安裝所需的附件等，部件詳細構(gòu)成如圖4所示。

圖4 異型端頭支護裝備控制部件構(gòu)成

3.2.3 基本功能

自動移架控制：系統(tǒng)具有單架自動移架控制功能，可以按照既定的控制程序，實現(xiàn)支架的降、移、升動作的自動控制。

工作面頂板圍巖耦合：通過初撐力自動補償和帶壓移架等功能，實現(xiàn)切頂處頂板和工作面頂板的圍巖耦合。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定初撐力值，設(shè)置支架的自動補液功能，并可根據(jù)頂板壓力的變化情況和變化規(guī)律，在一定范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)支架補液壓力閾值，實現(xiàn)支架與工作面頂板的圍巖動態(tài)耦合。

4 工程應(yīng)用效果

4.1 異型端頭支護裝備支護效果分析

根據(jù)黃陵一號煤礦1005綜采工作面工程地質(zhì)情況及主要參數(shù)要求，設(shè)計的異型端頭支護裝備成功在黃陵一號煤礦117綜采工作面進行應(yīng)用，可替換下隅角的單體支柱和珍珠巖封堵的電液控切頂支架，實現(xiàn)對巷道下隅角前后空頂處的全斷面支護和封堵。新型端頭支架互為支點，可實現(xiàn)自移功能，接入工作面電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程自動控制；兩側(cè)增加活動板、安裝廢舊皮帶代替珍珠巖封堵。以往下隅角需人工施工強制放頂煤，該裝置在投入使用后，取代了以往工作人員進入切頂處回收、支護單體，封堵下隅角，立柱可定時反復(fù)自動對頂板進行強制破壞，確保頂板及時垮落，減少了端頭作業(yè)人員。新型端頭支護裝備采用窄頂梁、寬底座設(shè)計，并增加頂梁兩側(cè)反板梁設(shè)計，能更好適用于運輸機上竄下滑，寬底座可有效地遏制底鼓，提高支架穩(wěn)定性。該切頂支護項目實施后，可實現(xiàn)下隅角切頂支架的安全快速移架。進一步提高綜采工作面自動化程度，降低作業(yè)強度，改善勞動環(huán)境，促進煤礦開采技術(shù)進步，符合“機械化換人、自動化減人”建設(shè)理念。

4.2 異型端頭支護裝備主要效益分析

異型端頭支護裝備在投入使用后，徹底替代了單體液壓支柱和珍珠巖，全年節(jié)約支護材料費用約20萬元。傳統(tǒng)的液壓單體支護工序全過程依靠人力完成，勞動強度大，安全隱患多，生產(chǎn)班每班需要4名超前支護人員。使用異型端頭支護裝備后，每班只需2人即可完成作業(yè)，大大節(jié)約了人工的投入，節(jié)省人力50%。異型端頭支護裝備促進煤礦開采技術(shù)進步，開拓了工作面少人化開采的方向，對建設(shè)智能化礦山具有重大意義。

5 結(jié)論

(1)異型端頭切頂支護裝備可代替原有的液壓單體支護，作業(yè)人員不必進入切頂線回單體、封堵下隅角，增加了作業(yè)人員的安全系數(shù)，減少端頭用人數(shù)量。該支護裝備在使用過程中操作簡單，支護效果好，實現(xiàn)了電液控制和遠程遙控操作等多種操控方式，達到工作面安全高產(chǎn)、高效開采的目的。

(2)通過對距117綜采工作面開切眼500 m范圍內(nèi)成巷區(qū)巷道圍巖變形的分析，117軌道巷頂板整體下沉量較小，切縫側(cè)巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實體煤幫側(cè)最大下沉120 mm，平均下沉73 mm，碎石巷幫無明顯側(cè)鼓現(xiàn)象，實體煤幫無明顯片幫現(xiàn)象，完全滿足安全和使用要求。

(3)將該裝備接入自動化環(huán)網(wǎng)能進行自動拉移、封堵下隅角，也可對頂板進行強制破壞，取代了以往人工施工放頂煤。

(4)該設(shè)備的研究及應(yīng)用，為建立智能化礦山積累了寶貴的理論和實踐經(jīng)驗，提高了礦井機械化、自動化程度，對礦井安全穩(wěn)定生產(chǎn)、降低工人勞動強度、減員提效、減少材料費用具有重要意義；在技術(shù)進步、自動化作業(yè)、安全性和生產(chǎn)效率等方面具有巨大的經(jīng)濟、安全和社會效益。