智能化快速撤架配套技術的研究與應用

王自衛(wèi)，劉 陽，劉建平

(晉能控股煤業(yè)集團綜采裝備安裝分公司，山西省大同市，037001)

在千萬噸級煤礦綜采設備的回撤過程中，液壓支架的安全順利撤出是整個工程的重要組成部分，而撤架期間掩護支架的移動、撤架工藝以及三角區(qū)的頂板維護又是液壓支架回撤的關鍵[1]。因此，改進撤架配套技術對設備的安全回撤以及提高工作效率具有重要意義。

1 傳統(tǒng)撤架工藝流程及其存在的缺陷

1.1 傳統(tǒng)撤架工藝流程

在傳統(tǒng)撤架工藝流程中，主要撤架步驟如下：

(1)根據(jù)回采工作面開采情況，提前設定停采線并制定停采支護方案[2]。工作面停采后，按照停采支護方案進行施工，為工作面設備的后期回撤創(chuàng)造良好支護條件；

(2)搬家隊伍接收回撤工作面后，進行工作面停采驗收，并對支護薄弱地方進行及時整改；

(3)將進風巷的帶式輸送機、設備列車、轉載機、破碎機、端頭支架、前后刮板輸送機等依次撤出；

(4)將工作面尾部的2～3架液壓支架依次調(diào)向，布置為雙掩護支架或三掩護支架；

(5)在工作面中部位置布置一臺回柱絞車，在靠近煤幫的掩護支架底座上固定一個定滑輪，將回柱絞車鋼絲繩繞過定滑輪與被撤支架底座連接固定[3]；

(6)將被撤支架降下，操作回柱絞車將被撤支架橫向撤出；之后回柱絞車鋼絲繩脫離定滑輪，將被撤支架調(diào)向拉出至裝車位置；

(7)每撤出1架液壓支架后，及時對三角區(qū)域頂板進行“木垛+鋼梁”臨時支護。

(8)至此完成1架液壓支架撤架循環(huán)，依次進行其他液壓支架撤架施工，直至工作面液壓支架全部撤出。

1.2 傳統(tǒng)撤架工藝存在的缺陷

傳統(tǒng)撤架工藝存在頂板維護差、安全隱患多、撤架成本高等主要缺點，具體如下：

(1)在傳統(tǒng)千萬噸級煤礦綜采工作面撤架過程中，對撤架空間頂板的支護方式通常采用雙掩護支架或三掩護支架支護[4]，掩護支架架間距較大，對頂板支撐效果較差，頂板易下沉；

(2)傳統(tǒng)撤架方式仍然使用回柱絞車進行撤架，撤架效率低，且鋼絲繩斷裂風險大；

(3)傳統(tǒng)撤架方式對三角區(qū)空頂通常不支護或者采用“單體+木垛”方式支護，該方式會造成掩護支架上覆頂板支護強度不足，需要在緊隨掩護支架后方搭設大量木垛進行支護，特別是三角區(qū)空頂面積較大，易造成頂板下沉、采空區(qū)壓力涌現(xiàn)甚至發(fā)生漏煤事故[5]；

(4)傳統(tǒng)撤架方式支護成本高，單體回收困難，人員作業(yè)風險隱患較大。

2 智能化快速撤架配套關鍵技術

針對傳統(tǒng)撤架工藝存在的問題，晉能控股煤業(yè)集團綜采裝備安裝分公司提出了智能化快速撤架[6]配套技術方案，該技術方案涵蓋了“停采支護、掩護支架自移[7]、回撤支架、三角區(qū)支護”4項關鍵性技術，通過對這4項關鍵性技術的應用，能夠解決傳統(tǒng)撤架工藝暴露出的頂板維護差、安全隱患多、撤架成本高等難題。

2.1 停采支護技術

2.1.1 技術方案

(1)當回采工作面推進到距離停采線 17 m 時，開始沿工作面頂板從頭至尾連續(xù)鋪設兩塊123 m 聚酯纖維柔性網(wǎng)[8]， 柔性網(wǎng)規(guī)格為 JD PET900×800 MS。

(2)在支架主頂梁位置共安裝7排支護，包括2排“6.3 m錨索+兩眼工字鋼” 、1排“鉛絲吊掛工字鋼”以及4根“Φ15.875 mm鋼絲繩”。

(3)在擴刷機道位置共安裝8排支護，包括5排“2.8 m錨桿+鋼帶”、1排“8.3 m錨索+鋼帶”、1排“組合錨索”、1排 “8.3 m錨索+二眼工鋼”(注：由于工作面液壓支架型號為ZF21000/27.5/42，支架長度較ZF15000/27.5/42型支架長，故機道寬度由原來的6.25 m擴寬至7.1 m，因此機道支護增加1排“2.8 m錨桿+鋼帶”支護)。

2.1.2 技術優(yōu)勢

采用新型支護技術后，節(jié)省了大量支護材料，同時實現(xiàn)了有效支護強度，使得采空區(qū)頂板能夠及時垮落，避免以往大面積空頂?shù)娘L險。支架主頂梁上方改成鋼絲繩支護，可以配合支架間的縱向鋼絲繩形成經(jīng)緯網(wǎng)，并能夠有效支撐聚酯纖維柔性網(wǎng)，控制三角區(qū)的網(wǎng)包。工作面頂板柔性網(wǎng)應用現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 工作面頂板柔性網(wǎng)應用現(xiàn)場

2.2 掩護支架自移技術

2.2.1 技術方案

(1)待工作面尾部過渡支架撤出后，及時安裝封口木垛。選用過渡支架之后連續(xù)4個普通支架作為掩護支架(重新標號為1號、2號、3號、4號)，1號掩護支架靠采煤幫側(距煤幫0.5 m)，2號、3號掩護支架位于中間，4號掩護支架位于靠采空區(qū)一側，四掩護支架的架間距為0.5 m；

(2)將兩段推移橫梁擺放至2號、3號、4號掩護支架前部，并將其相互鉸接，安裝鉸接銷；

(3)依次使用T型連接板將四掩護支架與推移橫梁連接，并安裝固定銷；

(4)將電控箱固定在1號掩護支架內(nèi)部，并做好防護措施；

(5)由電控箱引出的4路主線依次與1號、2號、3號、4號掩護支架對應電磁閥組[9]接通，并做好調(diào)試記錄。

2.2.2 技術優(yōu)勢

采用掩護支架自移技術后，四掩護支架手動操作方式改為遙控操作方式，通過推移橫梁實現(xiàn)掩護支架自移和掩護支架架間距行走。撤架機構能夠實現(xiàn)6 m的撤架距離，一次性撤出能夠節(jié)省時間，提高撤架效率。作業(yè)期間全程通過遙控控制，不僅提高了工作效率，而且降低了安全隱患。四掩護支架推移橫梁應用現(xiàn)場如圖2所示。

2.3 回撤支架技術

2.3.1 技術方案

待撤支架撤出后，觀察原支架尾部頂板，若有破網(wǎng)及漏煤情況要及時進行補網(wǎng)止漏，若頂板完好則直接進行掩護支架的自移動作。遙控操作人員要提前檢查遙控器各按鍵是否歸位，急停按鈕是否歸位，電池電量情況要時刻掌握，操作時要站在距離掩護支架20 m左右的被撤架內(nèi)進行操作。以一個工作循環(huán)為例，掩護支架自移及撤架工藝流程如下：

(1)第1步：將四掩護支架的推移油缸完全推出，使得推移橫梁及撤架機構整體前移0.9 m左右，之后利用撤架機構將被撤支架水平拉出6 m左右，最后使用支架搬運車[10]將被撤支架調(diào)向運出；

(2)第2步：將4號掩護支架前后立柱降下，然后收回推移油缸，將4號掩護支架拉前，最后將前后立柱升起保證接頂。其余3個掩護支架依次進行，使得整套裝置前移0.9 m左右；

(3)第3步：依照第2步依次將四掩護支架再次前移0.9 m左右，達到下一個撤架要求，至此完成了一個撤架循環(huán)。

2.3.2 控制系統(tǒng)

對四掩護支架及撤架機構進行遠程控制設計，掩護支架使用過程中主要涉及到前立柱升降、后立柱升降及推移油缸的伸縮3個功能，撤架機構主要涉及油缸的推移功能。近年來隨著智能化工作面的推廣，大部分工作面支架已更新為電液控制支架，通過設置控制器、信號發(fā)射器，同時使用遙控器來控制多掩護支架的動作?？刂齐娐分饕ㄖ骺啬K、433信號輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、接觸器、控制端等，主控模塊一端與433信號輸入模塊一端連接，另一端與輸出模塊一端連接，輸出模塊另一端與掩護支架及待撤架的接觸器分別連接，接觸器分別與掩護支架及待撤架的控制端連接。

2.3.3 技術優(yōu)勢

采用新型撤架機構替代傳統(tǒng)絞車撤架技術，避免了鋼絲繩斷裂的風險。使用該技術后，能夠將液壓支架一次性水平拉出，節(jié)省了撤架時間。

2.4 三角區(qū)支護技術

2.4.1 技術方案

三角區(qū)是由掩護支架和被撤支架以及采空區(qū)填實區(qū)域切頂輪廓線所形成的，該區(qū)域對撤架、掩護支架前移以及通風狀況具有較大意義，所以對于三角區(qū)頂板治理具有較強的專業(yè)性[11]。在增加了一個掩護支架的同時機道相應拓寬，三角區(qū)的有效控制面積基本不變，因此擯棄以往單點支護形式，采用新型的“單體+工字鋼梁”聯(lián)合支護形式。具體工藝貫穿于掩護支架前移期間，每撤1架布置1組聯(lián)合支護，始終保持3根單體支護。三角區(qū)新型支護應用現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 三角區(qū)新型支護應用現(xiàn)場

2.4.2 技術優(yōu)勢

三角區(qū)采用新型支護技術后，三角區(qū)頂板支護更加可靠[12]。4號掩護支架上方至少有2組“簡支梁”支護和1組“懸臂梁”支護，2組“簡支梁”支護保證了在4號掩護支架上遷時頂板不下沉，避免4號掩護支架上方頂板隨著撤架的進行逐漸下沉并將4號掩護支架壓死。同時，單體支柱循環(huán)使用避免了浪費，且單體支柱隨4號掩護支架上遷，省去了人力搬運，減少了在三角區(qū)工作時間，降低了安全風險。

3 應用情況分析

2021年，智能化快速撤架配套技術在晉能控股煤業(yè)集團同忻煤礦一盤區(qū)8102回撤工作面進行了實地應用。應用目的一方面為了驗證在大同礦區(qū)堅硬頂板條件下該技術工藝的可行性，另一方面為了獲取數(shù)據(jù)，以便日后對技術工藝改進以及對回撤工作面頂板的應力進行分析，為后期在全集團推廣提供技術支持。

在應用了智能化快速撤架配套技術后，通過遠程遙控操作掩護支架自移以及回撤支架等功能，提高了操作人員的安全系數(shù)；同時，通過停采支護的優(yōu)化以及三角區(qū)支護形式的創(chuàng)新，對撤架區(qū)頂板實現(xiàn)了可控化，實現(xiàn)了降本增效。具體應用情況分析如下：

(1)每班撤架數(shù)量由6架提升到7架；

(2)掩護支架遙控自移裝置保證了掩護支架及時自移，且自移時間比原來縮減了10～20 min；

(3)掩護支架及時自移后緊跟控頂支護，免除了被撤架上覆頂板的下沉風險，創(chuàng)造了良好的撤架空間和撤架條件；

(4)撤架后，新型停采支護技術能夠實現(xiàn)采空區(qū)頂板及時下沉或塌落進而釋放壓力，不易造成大面積懸頂風險；

(5)傳統(tǒng)撤架工藝中掩護支架移動需要2～3名工作人員進行手動操作和指揮，應用智能化快速撤架配套技術后，只需1名操作人員進行遠程遙控操作，節(jié)省了人力；

(6)智能化快速撤架配套技術中的四掩護支架按照固定間距進行移動，能夠避免擠架事故的發(fā)生；同時增加的掩護支架更加靠近采空區(qū)側，人員在對三角區(qū)空頂進行支護作業(yè)時，可以在掩護支架內(nèi)進行操作；在回收單體液壓支架時，人員可以站在靠采空區(qū)側掩護支架內(nèi)進行操作，從而減少了安全隱患。

4 效益分析

4.1 安全效益

智能化快速撤架配套技術能夠及時自移掩護支架，避免了傳統(tǒng)撤架工藝使用回柱絞車移動掩護支架的斷繩風險。智能化快速撤架配套技術能夠一次性將被撤架拉出，提高了撤架效率，對頂板支護的時效性增強，降低了頂板下沉風險。智能化快速撤架配套技術利用推移橫梁、撤架機構、電液閥、控制器及遙控裝置實現(xiàn)多掩護支架的動作集成化，實現(xiàn)掩護支架自移，替代了傳統(tǒng)撤架工藝人工手柄操作的繁瑣，提高了作業(yè)效率，規(guī)避了人員在危險區(qū)進行作業(yè)的風險。

4.2 經(jīng)濟效益

按照回撤工作面136架液壓支架計算，傳統(tǒng)撤架工藝每天可回撤12架液壓支架，需要工期約11 d。智能化快速撤架配套技術成功應用后，每回撤1架液壓支架至少節(jié)約工時20 min ,使單架回撤時間降至40 min左右，每天可回撤16架液壓支架，只需要工期8.5 d，比傳統(tǒng)撤架工藝工期少了約2.5 d。智能化快速撤架配套技術能夠節(jié)約人工費用約4.8萬元、特種車及其他機械折舊費和維修保管費約2萬元、管理費約0.6萬元，每年按照回撤10個工作面計算，可節(jié)約資金約74萬元，直接經(jīng)濟效益明顯。按照每年對礦井累計節(jié)省25 d生產(chǎn)時間、平均產(chǎn)煤5萬t/d計算，則累計增產(chǎn)原煤125萬t/a，間接經(jīng)濟效益可觀。

5 結語

智能化快速撤架配套技術是通過多年實踐經(jīng)驗累積出的結果，該技術能夠很好地替代傳統(tǒng)撤架工藝，并且完全實現(xiàn)遙控控制，安全系數(shù)進一步提高，優(yōu)勢明顯。該項技術能夠將撤架危險區(qū)變成安全穩(wěn)定區(qū)，將苦重繁累變成輕便省力，并且極大地降低撤架過程中的材料消耗。