上端頭支架在智能化綜采工作面的應(yīng)用

楊 健，張 凱，陳琪琪，楊 紀(jì)

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048012）

山西天地王坡煤業(yè)有限公司綜采工作面回風(fēng)順槽機(jī)尾上端頭處以往都采用單體柱+π 型梁的密集柱支護(hù)方式，這種支護(hù)工藝工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差，且密集單體棚切頂效果差[1]。針對(duì)端尾支護(hù)存在的問題，王坡煤礦自制了針對(duì)機(jī)尾支護(hù)的特種支架，將ZQLY4000/20/38 支架一組（2架）與回風(fēng)順槽超前支架底座連接，實(shí)現(xiàn)交替邁步式移動(dòng)。回風(fēng)順槽機(jī)尾的3 名作業(yè)人員成為“機(jī)動(dòng)人員”，完成上端頭大架的拉移后，一是可承擔(dān)回風(fēng)順槽門式支架的搬運(yùn)支設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)化整改工作； 二是煤機(jī)截割完機(jī)尾反機(jī)頭時(shí)可承擔(dān)運(yùn)輸順槽巷道超前段內(nèi)的零星作業(yè)。

1 概況

王坡煤礦3308 綜采工作面設(shè)計(jì)可回采長(zhǎng)度為2 034 m，傾向長(zhǎng)為175 m，煤層傾角2°～10°，煤層埋深為530～750 m，煤層平均厚度4.2 m。煤層直接頂為10.38 m 的砂質(zhì)泥巖，老頂為5.89 m 的石英砂巖。

3308 工作面智能化控制系統(tǒng)由采煤機(jī)遠(yuǎn)控子系統(tǒng)、三機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)、電液控子系統(tǒng)（含工作面人員精準(zhǔn)定位）、三機(jī)集控及工作面語(yǔ)音通訊子系統(tǒng)、泵站集控子系統(tǒng)、工作面千兆以太環(huán)網(wǎng)子系統(tǒng)、工作面視頻子系統(tǒng)、地面分控中心子系統(tǒng)組成。工作面內(nèi)配備有112 架ZF8000/17/32D 型放頂煤支架，工作面內(nèi)兩端頭4.5 m 范圍內(nèi)各配備3架ZFG8000/18/32HD 型過渡放頂煤支架，回風(fēng)順槽端頭配備ZFT25000/20/38D 型端頭支架2 架，工作面兩道前20 m 分別配備有ZTC20000/22/40AD 型超前支架各4 架。

2 上端頭密集單體柱支護(hù)

3308 綜采工作面上端頭支護(hù)原先采用4 m 長(zhǎng)的π 型梁配合DW31.5-200/100X 型單體液壓支柱的支護(hù)方式（一梁三柱），并確保π 型梁一端搭接在118#支架上。上端頭切頂線支設(shè)的密集支柱采用DW31.5-200/100X 型單體液壓支柱配合π型梁支護(hù)，上端頭切頂線支設(shè)柱間距小于500 mm，排距小于800 mm 的密集支柱[2-3]，ZQLY4000/20/38型超前支架總裝如圖1 所示。

圖1 ZQLY4000/20/38 型超前支架總裝

3 ZQLY4000/20/38 型超前支架改造前分析

王坡煤礦原3310 綜采工作面運(yùn)輸順槽首次使用ZQLY4000/20/38 型超前支架代替原有架棚維護(hù)頂板的方式，ZQLY4000/20/38 型超前支架在綜采工作面的應(yīng)用減小了巷道頂?shù)装逡平浚S護(hù)效果好，解決了綜采工作面兩順槽超前支護(hù)段存在的支護(hù)強(qiáng)度低、工序繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度高等問題[4]。

ZQLY4000/20/38 型超前支架的工作高度為2.0～3.8 m，單架寬度1.4 m（包括護(hù)頂板），初撐力3 200 kN，單架工作阻力4 000 kN，推移步距900 mm，操作方式為手動(dòng)操作。金屬結(jié)構(gòu)件有伸縮梁、前梁、頂梁、護(hù)頂板、斜梁、前后連桿、底座和中間伸縮梁、中間梁等。液壓元件主要有立柱、各種千斤頂、液壓控制元件 （操縱閥、單向閥、安全閥）、液壓輔助元件（膠管、彎頭、三通）[5]，ZQLY4000/20/38 型超前支架總裝如圖2 所示。

圖2 ZQLY4000/20/38 型超前支架總裝

3.1 上端頭支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

改造前首先對(duì)ZQLY4000/20/38 支架一組（2架） 所控制的回風(fēng)順槽上端頭8 m 范圍內(nèi)的頂板壓力進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)用性驗(yàn)算。

式中：q 為單位巷道頂板壓力；γ 為直接頂容重，取27 kN/m3；a 為巷道跨度,取5 m；f 為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取7。

8 m 范圍的回風(fēng)順槽端頭壓力為：Q回采=（128.6×8）kN=1 028.8 kN

選用ZQLY4000/20/38 型端頭架，工作阻力為4 000 kN，回風(fēng)順槽端頭支架的初撐力為3 200 kN＞1028.8kN，經(jīng)以上驗(yàn)算改造后的ZQLY4000/20/38型端頭支架能夠滿足回風(fēng)順槽端頭的支護(hù)要求。

4 ZQLY4000/20/38 型超前支架改造應(yīng)用

為加強(qiáng)3308 工作面回風(fēng)順槽頂板支護(hù)強(qiáng)度，王坡煤機(jī)在3308 工作面上端頭改造安裝完成ZQLY4000/20/38 支架一組（2 架）。端頭兩支架并列擺放至距東幫800 mm 處，使用推移千斤配合推移框架與回風(fēng)順槽超前支架底座連接，實(shí)現(xiàn)交替邁步式移動(dòng)，為上端頭支架支護(hù)如圖3 所示。

圖3 上端頭支架支護(hù)

4.1 上端頭支架拉移裝置設(shè)計(jì)

煤機(jī)割完上端頭后，先將回風(fēng)順槽超前Ⅲ、Ⅵ#4 組超前支架拉移到位，保證超前大架范圍內(nèi)的20 m 頂板支護(hù)符合要求。回風(fēng)順槽Ⅰ、Ⅱ#端頭大架底座聯(lián)結(jié)的2 個(gè)拉移千斤通過銷孔固定到推移塊上如圖4 所示，推移塊通過銷孔與十字頭固定到Ⅲ#超前大架底座上。先拉移Ⅲ#超前大架，此時(shí)Ⅰ、Ⅱ#端頭大架靜止，Ⅰ、Ⅱ#端頭底座聯(lián)結(jié)的2個(gè)拉移千斤內(nèi)杠被拉出，Ⅲ#超前大架拉移到位后，依次拉移Ⅰ、Ⅱ#端頭大架，完成端頭大架的支護(hù)作業(yè)。

圖4 自制推移塊與拉移框架

圖5 自制推移塊與拉移框架實(shí)物

圖6 SAC 型電液控制系統(tǒng)單架結(jié)構(gòu)

圖7 上端頭大架電液控現(xiàn)場(chǎng)改造

圖8 整體改造完成后的上端頭大架

4.2 上端頭支架電液控改造

針對(duì)需改造的ZQLY4000/20/38 液壓支架原采用手動(dòng)閥組液壓控制系統(tǒng)存在的沖擊力矩大、操作工序比較復(fù)雜的特點(diǎn)，現(xiàn)安裝2 組支架控制器、電磁驅(qū)動(dòng)器、電磁先導(dǎo)閥、液控?fù)Q向閥、壓力傳感器、紅外線接收器[6]。

借助數(shù)據(jù)線將支架控制器串接入3308 綜采工作面SAC 型支架電液控制系統(tǒng)內(nèi)[7]，操作人員首先站立在工作面118#架內(nèi)操作Ⅱ#端頭支架，完成Ⅱ#端頭支架的挪移確認(rèn)安全后，操作人員站立在Ⅱ#端頭架下操作Ⅰ#上端頭支架，挪移端頭大架期間操作人員的自身安全得到了充分保證。改造后的上端頭支架具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、支護(hù)能力大、操作方便等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了上端頭支架的快速推進(jìn)。

5 上端頭支架改造應(yīng)用后的效果分析

5.1 降低支護(hù)時(shí)間與人工成本

3308 工作面上端頭采用自制的上端頭大架支護(hù)工藝后，簡(jiǎn)化了端尾支護(hù)工序，支護(hù)所需時(shí)間由原先的40 min 降至10 min，回風(fēng)順槽機(jī)尾的3 名密集支護(hù)作業(yè)人員被“解放”出來了，成為“機(jī)動(dòng)人員”，新支護(hù)工藝只需工作面的2 名支架工配合就可兼職完成端尾支架推移和支護(hù)工作，完成上端頭大架的拉移后，一是可承擔(dān)回風(fēng)順槽門式支架的搬運(yùn)支設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)化整改工作，二是煤機(jī)截割完機(jī)尾反機(jī)頭時(shí)可承擔(dān)運(yùn)輸順槽巷道超前段內(nèi)的零星作業(yè)。支護(hù)工工資9 000 元/月計(jì)算，若按照每個(gè)生產(chǎn)班平均減少支護(hù)工2 名，每天則減少4 個(gè)工，每月減少人工費(fèi)用3.6 萬元，年均減少43.2 萬元。

5.2 降低材料成本

原先3308 回風(fēng)順槽端尾采用單體柱架棚支護(hù)時(shí)最大支護(hù)高度為3.4 m，3308 回順存在局部超高段，巷高平均值為3.5 m，單體柱+π 梁上端頭支護(hù)工藝時(shí)需搭設(shè)木料構(gòu)頂，需消耗大量木材，改造后的ZQLY4000/20/38 端頭支架最大支護(hù)高度為3.8 m，可降低木料消耗。

5.3 安全效益高

改造后的ZQLY4000/20/38 端頭支架安全性能好，增強(qiáng)了對(duì)上端頭處頂板的控制效果，遏制了頂板事故的發(fā)生，有效減輕了端頭支護(hù)工人的作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了端頭支護(hù)工作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

1）對(duì)改造后的ZQLY4000/20/38 支架一組（2架） 所控制的回順上端頭8 m 范圍內(nèi)的頂板壓力進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)用性驗(yàn)算，端頭支架能夠滿足回風(fēng)順槽端頭的支護(hù)強(qiáng)度要求。

2）對(duì)ZQLY4000/20/38 端頭支架進(jìn)行電液控改造，并經(jīng)過數(shù)據(jù)線串接入3308 綜采工作面SAC型支架電液控制系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)端尾液壓支架遠(yuǎn)距離控制功能，保障了操作人員的自身安全。

3）3308 工作面上端頭采用自制的上端頭大架支護(hù)工藝后，可減少回風(fēng)順槽機(jī)尾的3 名密集支護(hù)作業(yè)人員，達(dá)到了減員增效的目的。