倾斜半煤岩巷道矸石高效装运技术研究与应用_马擎.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.029倾斜半煤岩巷道矸石高效装运技术研究与应用马擎1，2，王修敏1，曹建民1，徐锁1（1.江苏徐矿能源股份有限公司张双楼煤矿，江苏 徐州 221616；2.江苏省煤矿冲击地压防治工程技术研究中心，江苏 徐州 221616）摘要 针对传统倾斜半煤岩巷道掘进作业线单进水平多年来徘徊不前、制约矿井生产接续的实际问题，从影响掘进速度的矸石装运环节入手，研究并应用了“挖掘式装载机+桥式装载皮带机+刮板输送机+带式输送机”倾斜半煤岩巷道矸石高效装运配套作业线。该作业线简化了施工工序，减少了人员投入，减轻了人工劳动强度，改善了掘进工作面的作业环境，有效地提高了倾斜半煤岩巷道的掘进效率，缩短了施工工期，为矿井的安全高效生产打下了坚实的基础，取得了良好的应用效果。关键词 倾斜半煤岩巷道；矿用挖掘式装载机；综合配套；机械化作业线；矸石高效装运中图分类号TD421.7文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0093-040引言当前我国岩巷、半煤岩巷道掘进仍以爆破为主，影响其掘进速度的因素很多。按照施工工艺来分主要有破岩、装岩、运输和支护 4 个方面的内容，其中装岩是最重要的一个工序，一般占循环时间的35%50%，占用时间长，制约着其他工序1。针对岩巷、倾斜半煤岩巷道掘进单进水平多年来徘徊不前、制约矿井生产接续的实际问题，通过不断地研究，从制约岩巷、倾斜半煤岩巷道单进水平提高的矸石装运环节入手，先后研究并应用了“耙装机+带式输送机+串联矿车组”“耙装机+带式输送机+矸仓+串联矿车组”“综掘机+带式输送机+矸仓+耙装机+带式输送机+串联矿车组”等优化配套作业线，推行了岩巷、倾斜半煤岩巷道掘进系统的革新，从迎头破岩、装岩、胶带连续运矸到串联矿车组出矸，形成了一套完善的机械化作业线，大大提高了生产效率。虽然耙装机配套出矸作业线实现了装岩和运输的机械化，但由于耙装机装岩效率低、速度慢，且安全管理难度大、装岩不彻底，耙斗装岩时易破坏两帮岩壁，造成材料及人工浪费。而且这种运输方式的缺点在于每掘进 30 m需要向前挪移一次耙装机，而挪移一次耙装机至少需要 810 h 才能再次组织生产。挪移耙装机的过程非常危险，隐患较多，这方面的事故案例也较多2。同时，在装载过程中由于钢丝绳来回摩擦，容易发生断绳及产生火花现象，严重影响矿井的安全生产3。岩巷、半煤岩综掘机可同时进行破岩、转载、运输等工作，具有掘进速率快、施工质量高、人员较少、作业环境好、配套性能高、对围岩扰动小等优点，但对于大坡度倾斜巷道并不适用。为提高倾斜半煤岩巷道的掘进效率，根据现场实际，为解决传统工艺存在的缺陷，从装运环节入手，研究并应用了“挖掘式装载机+桥式装载皮带机+刮板输送机+带式输送机”矸石高效装运配套作业线，有效地提高了掘进效率，为矿井的安全高效生产打下了坚实的基础。1工程概况张双楼煤矿 23 采区轨道下山是为 23 采区服务的准备巷道。其开窝点底板标高-991.967 m，落平点底板标高-1 185 m，设计长度 535 m，下山角度平均 22、局部 26。该下山跟 9 煤煤层顶板掘进，煤层厚度 0.51.2 m，底板岩性为 9 煤底板泥岩、砂质泥岩，普氏系数为 39，属半煤岩巷道。整体岩性富水性一般，局部小构造发育处顶板淋水会加大，掘进期间正常涌水量 510 m3/h，最大涌水量20 m3/h。冲击地压危险指数为 0.62，属中等冲击地压危险。巷道为梯形断面，顶板倾角 515，巷道净宽4.7 m，净高 3.0 m，采用锚杆锚索金属网联合支护。巷道采用钻爆法施工工艺，防冲治理采用煤层松动爆破方式进行。原作业线使用 P-60B型耙装机配合 SGB-620/40 型刮板输送机跟窝出矸，刮板输送机随掘进向前延接，采用 14 t 回柱机辅助挪移耙装机。能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1932023 年 2 月Feb.,2023马擎，等倾斜半煤岩巷道矸石高效装运技术研究与应用2作业线配套设备选型23 采区轨道下山矸石高效装运配套作业线设备主要包括挖掘式装载机、桥式转载皮带机、刮板输送机、带式输送机等，如图 1 所示。（b）俯视图1.挖掘式装载机；2.桥式转载皮带机；3.刮板输送机；4.带式输送机图 1“挖掘式装载机+桥式转载皮带机+刮板输送机+带式输送机”出矸作业线2.1挖掘式装载机迎头爆破后由耙装机耙岩出矸改用挖掘式装载机装岩、转矸。通过调研，选用江西四通重工机械有限公司生产的 ZWY-120/55L 型煤矿用挖掘式装载机进行试验。该设备如图 2 所示。图 2ZWY-120/55L型煤矿用挖掘式装载机该机是根据市场需求研发的新产品，属矿用大坡度专用机型。它采用双链高刮板转载机构，以打斜洞为主，是连续作业的高效率掘进装载设备。该机主要适用于有煤尘和甲烷存在的矿山、铁路隧道、公路隧道、水工涵洞和国防地下工程中的掘进装载作业。其适用巷道的断面为 3.5 m2以上、装载能力为 120 m3/h、最大爬坡能力 30、最佳工作条件为装载普氏硬度 f12 和块度580 mm的矸石。23采区轨道下山巷道岩层相对稳定，围岩硬度适当、断面适合。使用 ZWY-120/55L 型煤矿用挖掘式装载机可以满足要求。本机的工作原理是：由履带推进、运输槽集料，再由工作机构将煤矸石扒进运输槽，同时由运输槽内的刮板运输机构将煤矸石输送到后面的梭式矿车或其他（运输）设备上去。2.2桥式转载皮带机2.2.1选型及确定所调研引进的挖掘式装载机后路配套设备主要是梭式矿车。因其主要应用于井下平巷，考虑 23采区轨道下山现有生产条件及矿井下山掘进的出矸思路，梭式矿车并不适用。通过研究，选用综掘机后路配套的成熟设备，即后接桥式转载皮带机。其产品型号为 DZQ80/35/11。它由电滚筒、导向滚筒、受料斗、托辊、机架等组成。该机的工作原理是：输送带为传动承载机构，胶带的运行靠后机架的电动滚筒直接带动；桥式转载皮带机机头与挖掘式装载机的联接为插销万向吊挂式联接机构，可保证挖掘式装载机牵引桥式转载皮带机在巷道内进行大范围的左右摆动，扩大了挖掘式装载机的扒、挖、装范围；可变轮距和可变仰角的连接装置，增强了对巷道俯仰和左右倾斜变化12341234（a）正视图942023 年 2 月Feb.,2023的适应性；机身（架）下配有滑动小车，滑动小车位于刮板输送机溜槽上，可随挖掘式装载机前后移动。2.2.2桥式转载皮带机改造桥式转载皮带机与挖掘式装载机配合使用初期，容易出现掉道、后退困难、矸石下滑拉不走等问题。先后通过增减转载皮带机架（最终确定由 5 节变为 3 节，共计长 15 m）、将普通胶带更换为“人”字形防滑胶带、更换加深沟槽的小车轮等，使问题得以解决。2.3刮板输送机最初所研究的配套出矸作业线方案是“挖掘式装载机+桥式转载皮带机+带式输送机”。因该巷道顶板有倾角，所设计断面尺寸及断面内猴车、风筒、风水管路等布置方式，容易出现刮蹭顶板锚杆、锚索及风筒的现象，上述配套出矸作业线并不适用。因此决定保留迎头 1 部跟窝 SGB-620/40 型刮板输送机，并对该刮板输送机进行了改进。将刮板输送机缩短，共计留 12 节溜槽（18 m）的长度；溜槽全部更换为封闭式，以便将刮板输送机连成一个整体，但为不影响桥式装载皮带机上的滑动小车骑在溜槽上运行，在不影响封闭式溜槽连接的情况下，对其连接部位进行割豁口处理。刮板输送机使用封闭式溜槽连成整体后，为避免喝回矸，在机头及机尾溜槽下设有回矸口，用以回矸。2.4带式输送机对后路出矸系统的优化，除保留迎头 1 部跟窝刮板输送机外，后路其余 3 部刮板输送机改用 1 部DSJ-250 型大功率带式输送机出矸，并搭配 1 m 宽的“人”字形防滑胶带。采用该运输方式简化了出矸工序，有效提高了后路出矸速度和斜巷运输效率。2.5一体化快速挪移装置设计2.5.1存在问题针对所采用的配套出矸作业线，迎头跟窝 1 部刮板输送机后，需每天随掘进向前延接刮板输送机溜槽，掘够刮板输送机的最大运行距离（斜巷一般5060 m）后，又需将刮板输送机拆除并重新挪移至迎头进行安装，再将带式输送机机尾向前延接，不仅增加了施工工序，费时、费力，且跟机挪移不方便、灵活。2.5.2优化设计方案为实现掘进矸石的连续高效运输，方便下一个工序的正常运行，根据现场实际情况对配套出矸作业线方案中的挪移环节进行研究设计。设计出一套可将刮板输送机与带式输送机尾整体快速挪移的一体化装置，如图 3 所示。该装置设计思路：简单地说是在刮板输送机与带式输送机的搭接处，将迎头跟窝的刮板输送机的机头抬高架与带式输送机的机尾固定在一块整体移动的滑靴上，连成整体，保持刮板输送机机头与带式输送机机尾的正常搭接。掘进时不需再每天卧底清理向前延接刮板输送机溜槽，需挪移刮板输送机和带式输送机机尾时，可随挖掘式装载机的拉移而整体向前挪移，进一步简化了工序，提高了工效，取得了较好的效果。（a）正视图（b）俯视图1.站腿；2.滑靴；3.横撑；4.带式输送机机尾图 3一体化快速挪移装置2.5.3一体化快速挪移装置加工该一体化快速挪移装置主要由站腿、横撑、滑靴 3 部分组成。为便于运输、安装和拆除，各部件间采用螺栓连接进行固定。滑靴上预留螺栓固定孔，用于固定站腿与带式输送机机尾架，固定在滑靴上的站腿使用 11#工字钢加工，前高后低，高度分别为 900、700 mm；横撑使用 16#槽钢加工，长度分为1.5 m 和 2 m，通过加工卡槽与钻孔后，搭接并用螺栓固定在站腿上组成框架，框架上用以安装固定刮板输送机机头；滑靴使用 1020 mm厚的钢板加工，规格为长宽=3 000 mm2 000 mm。3作业流程3.1施工方式采用钻爆法掘进，挖掘式装载机配合桥式装载皮带机、刮板输送机、带式输送机出矸，使用 JY-6型绞车进出料。其主要打眼、支护设备为 5 台MQT-130 气动锚杆钻机、5 台 MQTB-65/2.1 支腿11234224323能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1952023 年 2 月Feb.,2023支撑手持式气动钻机及 5 台 7655 气腿式凿岩机，均为 3 用 2 备。采用“三八”循环制，即早班进行检修、防冲及掘进 1 个循环，循环进尺 800 mm；中、夜班各掘进 1个循环，循环进尺 1 600 mm。迎头采用挖掘式装载机后，因装载能力强，由原分台阶爆破成巷改用全断面爆破一次成巷，炮眼数量每循环减少 13 个；帮部支护分台阶施工，上台阶帮部支护 1#3#锚杆，下台阶锚杆支护滞后迎头距离 4.8 m（6 排）；爆破前锚索支护到规定位置。3.2施工工序挖掘式装载机能充分利用前臂进行敲帮问顶，且能处理人工敲帮问顶过程中不易找掉的 大块矸石。迎头爆破落矸后由原使用撅顶道（5 用 2 备）进行临时支护，改为使用玻璃钢单体（3 用 2 备）进行临时支护。施工顺序：破岩 1 个循环、出矸敲帮问顶、找掉矸石临时支护支护上台阶（挂网、钢带、打锚杆眼、安装锚杆）锚杆螺母二次紧固支护下台阶（挂网、钢带、打锚杆眼、安装锚杆）进行下一循环。3.3快速高效装、运、挪工艺该作业线从迎头到后巷依次分为扒矸、装矸、运矸 3 个出矸流程。迎头爆破后，采用挖掘式装载机连续扒矸、装矸，后巷的桥式装载机皮带机、刮板输送机及带式输送机实现矸石的连续转载和运输，即形成了倾斜半煤岩巷道矸石高效装运配套出矸作业线。该作业线实现了排矸的连续化，即扒、装、运的一体化，做到了迎头施工和后巷运输的平行化作业。（1）迎头出矸。迎头采用挖掘式装载机实现快速扒矸、装矸。出矸时由履带推进、运输槽集料，先利用扒斗上下左右移动，将挖掘式装载机前方2.3 m范围内的浮矸初步清理装运后，再通过前后行走来调整挖装距离，实现全断面