陳綱

（山西華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)機(jī)電設(shè)備管理中心，山西 陽(yáng)泉 030499）

1 概 況

隨著煤礦生產(chǎn)裝備的不斷發(fā)展進(jìn)步，采掘工作面的主要生產(chǎn)工藝如落煤、裝煤、支護(hù)等均已機(jī)械化，實(shí)現(xiàn)了高效安全生產(chǎn)，并逐步向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。但巷道臥底、擴(kuò)幫等一些采掘輔助作業(yè)由于空間的限制仍然以人工為主，機(jī)械化水平較低。近年來(lái)，陽(yáng)煤一礦隨著工作面開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷增加，巷道變形尤其是工作面兩順槽變形嚴(yán)重，巷道修復(fù)工程量急劇增加。采用傳統(tǒng)的人工修復(fù)方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，而且冒頂、掉渣時(shí)存在安全隱患。因此，研究使用專用的巷道修復(fù)設(shè)備對(duì)煤礦高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 巷道地質(zhì)條件

2.1 工作面布置

陽(yáng)煤一礦8304綜采工作面位于+669水平南條帶三采區(qū)，所采煤層為15號(hào)煤，埋深為448.7～707.2 m，煤層厚度為6.73～5.93 m，平均6.29 m。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Coal seam roof and floor lithology

8304工作面東部為三采區(qū)輔助回風(fēng)巷，西部為三采區(qū)大巷，北部為8303工作面采空區(qū)，南部為設(shè)計(jì)的8306工作面。工作面傾斜長(zhǎng)度206 m，走向長(zhǎng)度1 535 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤一次采全厚采煤方法。

工作面兩順槽超前支護(hù)采用的是單體柱+π型梁支護(hù)，設(shè)置兩排，支護(hù)距離不少于20 m。

2.2 巷道變形特征

8304工作面在回采過(guò)程中，兩順槽變形量大，需要對(duì)巷道進(jìn)行維修才能滿足生產(chǎn)要求，巷道變形特征主要有以下方面。

（1）巷道變形劇烈。在工作面前方，巷道失穩(wěn)嚴(yán)重，變形以底鼓和幫鼓為主，根據(jù)觀測(cè)，最大底鼓量可達(dá)800～900 mm，幫鼓以回采幫為主，最大可達(dá)600 mm，巷道斷面收縮率達(dá)60%，需要在工作面前方不斷進(jìn)行維修。

（2）支護(hù)體損壞嚴(yán)重。工作面順槽頂板錨桿等支護(hù)體出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，巷道兩幫錨桿被吸入煤體中，金屬網(wǎng)被扯斷，頂板部分區(qū)域網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴(yán)重，存在安全隱患。

（3）運(yùn)輸巷變形量大。8304工作面兩順槽的變形具有明顯的區(qū)別，工作面運(yùn)輸巷變形量顯著大于運(yùn)料巷，運(yùn)料輸巷的維修工程量約為運(yùn)輸巷的70%左右。

2.3 變形原因分析

結(jié)合8304工作面的地質(zhì)條件，分析認(rèn)為順槽變形大主要有以下原因。

（1）超前支承壓力的影響。工作面回采過(guò)程中，工作面前方支承壓力重新分布，對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，造成巷道變形劇烈。根據(jù)工作面來(lái)壓情況，工作面超前支承壓力的影響范圍約為26～34 m。

（2）地質(zhì)構(gòu)造的影響。8304工作面總體為一單斜構(gòu)造，圈定的工作面回采范圍內(nèi)有褶曲構(gòu)造2條，斷層7條，地質(zhì)構(gòu)造附近巖層破碎，承載能力差，易發(fā)生劇烈變形。

（3）頂?shù)装鍘r性。8304工作面的直接頂?shù)装寰鶠槟鄮r，自穩(wěn)能力差，受工作面回采的影響，工作面區(qū)域的底板應(yīng)力向巷道內(nèi)傳遞，由于泥巖的強(qiáng)度較低，因此變形嚴(yán)重。

（4）采空區(qū)的影響。8304運(yùn)輸巷靠近8303采空區(qū)，受臨近采空區(qū)殘余支承壓力和該工作面超前支承壓力的雙重影響，變形量明顯增大。

為實(shí)現(xiàn)陽(yáng)煤一礦8304工作面的安全高效生產(chǎn)，除了對(duì)原有支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)外，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的巷道變形也需要及時(shí)修復(fù)。傳統(tǒng)的人工修復(fù)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且存在安全隱患。通過(guò)分析研究，決定選用WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)對(duì)8304工作面已經(jīng)發(fā)生的巷道變形進(jìn)行修復(fù)。

3 巷道修復(fù)設(shè)備

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)是針對(duì)煤礦巷道維修的一款專用設(shè)備，該設(shè)備集挖掘、破碎、裝載于一體，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件安裝不同的裝置即可實(shí)現(xiàn)不同的功能，主要應(yīng)用于巷道順槽的臥底、擴(kuò)幫以及大巷的維修等，如圖1所示。

圖1 巷道修復(fù)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of roadway repairing machine

WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)尺寸為6 300 mm×1 260 mm×2 240 mm，寬度小，可適應(yīng)不同尺寸的巷道，可根據(jù)不同需要安裝破碎錘、鏟斗等，實(shí)現(xiàn)不同的作業(yè)形式，并且該型巷道修復(fù)機(jī)操作簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上崗，效率高。該設(shè)備的主要參數(shù)如下：

3.2 主要組成部分

WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)主要由工作機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。

3.2.1 工作機(jī)構(gòu)

巷道修復(fù)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)主要指工作臂，工作臂前端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，后端與修復(fù)機(jī)車體相連。WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)工作臂采用可彎曲設(shè)計(jì)，由三段組成，可根據(jù)巷道尺寸的變化調(diào)節(jié)，避免與錨桿索及巷道壁接觸。工作臂主要由偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、基礎(chǔ)臂、油缸等組成，偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)體的左右擺動(dòng)，以適應(yīng)不同寬度的巷道；伸縮臂主要實(shí)現(xiàn)臂長(zhǎng)的改變，適應(yīng)不同高度的巷道。

3.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

巷道修復(fù)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)巷道進(jìn)行臥底擴(kuò)幫、圍巖破碎以及煤矸裝載等工作。根據(jù)不同的工作需要，可在工作機(jī)構(gòu)上安裝鏟斗、破碎錘、切割機(jī)等。

3.2.3 行走機(jī)構(gòu)

WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)采用履帶行走，主要由履帶梁、輪轂系統(tǒng)、馬達(dá)系統(tǒng)等組成。輪轂系統(tǒng)中的引導(dǎo)輪引導(dǎo)履帶按照指定的方向行走，支重輪主要負(fù)責(zé)支撐整個(gè)巷道修復(fù)機(jī)的重量，與引導(dǎo)輪共同保證履帶不滑脫。行走機(jī)構(gòu)中安裝有張緊油缸，使履帶維持在一定的張緊度上，防止履帶過(guò)緊和過(guò)松，過(guò)緊則磨損過(guò)快，過(guò)松則容易脫落，影響生產(chǎn)。

3.2.4 液壓系統(tǒng)

WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)液壓系統(tǒng)采用3泵串聯(lián)的方式連接，為工作機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等提供動(dòng)力，其中2個(gè)泵為變量泵，1個(gè)泵為定量泵。變量泵采用專門管路，流量獨(dú)立控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同機(jī)構(gòu)、不同壓力的精確控制。為防止系統(tǒng)過(guò)載，變量泵的最高壓力為20 MPa。

3.2.5 控制室

控制室是整個(gè)修復(fù)機(jī)的控制中心，修復(fù)機(jī)的所有動(dòng)作都可以在控制室內(nèi)操作完成。操作室內(nèi)有壓力表、手柄以及安裝架等，壓力表顯示液壓系統(tǒng)變量泵的壓力，手柄用來(lái)操作修復(fù)機(jī)完成擺臂、舉臂、回落等不同的動(dòng)作。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 設(shè)備配套方案

目前常用的巷道維修設(shè)備配套方案有3種。

（1）巷道修復(fù)機(jī)和礦車。

該方案中，將巷道臥底及擴(kuò)幫等的出渣直接通過(guò)修復(fù)機(jī)送入到礦車中，多節(jié)礦車可實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝載，該方案需要設(shè)置道岔車場(chǎng)用于倒車，適用于軌道巷，和維修工程量小、出渣量小的巷道。

（2）巷道修復(fù)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和礦車。

與上方案相比，該方案增加了轉(zhuǎn)載機(jī)，刮板輸送機(jī)、膠帶輸送機(jī)均可作為轉(zhuǎn)載設(shè)備使用。首先利用巷道修復(fù)機(jī)將維修中的煤矸等裝載到轉(zhuǎn)載機(jī)中過(guò)渡，然后輸送至礦車中?？梢栽谶m當(dāng)位置設(shè)置矸石倉(cāng)，存儲(chǔ)一定量的煤矸，然后利用耙?guī)r機(jī)運(yùn)至礦車中，可在一定程度上提高出矸速度。

（3）巷道修復(fù)機(jī)和膠帶輸送機(jī)。

該方案可實(shí)現(xiàn)連續(xù)出矸，適用于運(yùn)輸順槽的巷道維修。隨著挖底工作向前進(jìn)行，可以在膠帶輸送機(jī)和修復(fù)機(jī)之間增加轉(zhuǎn)載機(jī)，例如刮板輸送機(jī)等，可提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)8304工作面的實(shí)際情況，確定選用方案三的設(shè)備配套方案，即在運(yùn)輸順槽采用修復(fù)機(jī)進(jìn)行挖底，煤矸裝載在膠帶輸送機(jī)上進(jìn)行運(yùn)輸。

4.2 施工工序

8304工作面采用WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)進(jìn)行維修的工藝流程如圖2所示。具體為拆除巷道超前支護(hù)的中排點(diǎn)柱；在修復(fù)機(jī)上安裝截割頭，對(duì)巷道進(jìn)行擴(kuò)幫，巷道擴(kuò)幫后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)；如果巷道底板較硬或者有大塊矸石，截割頭難以施工時(shí)，更換為破碎錘對(duì)巷道進(jìn)行挖底。挖底完成后，將破碎機(jī)更換為鏟斗，將煤矸裝載到膠帶輸送機(jī)上運(yùn)出。

圖2 巷道修復(fù)機(jī)施工工藝流程Fig.2 Construction process of roadway repairing machine

4.3 應(yīng)用效果

與傳統(tǒng)的人工挖底、擴(kuò)幫相比，8304工作面采用WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)后，巷道修復(fù)效率大大提高，并減少了工作人員數(shù)量。兩種巷 道維修方式的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同巷道維修方式的對(duì)比Table 2 Comparison of different roadway maintenance methods

4.4 變形監(jiān)測(cè)

采用巷道修復(fù)機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行維修后，立即設(shè)置測(cè)站對(duì)巷道底板和兩幫的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于距離工作面較近，觀測(cè)持續(xù)時(shí)間為一周左右，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。觀測(cè)結(jié)果表明，巷道變形量明顯減小，最大底鼓量為30 mm，幫鼓量為22 mm。表明巷道修復(fù)機(jī)對(duì)巷道圍巖的擾動(dòng)較小，維修后巷道迅速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，保證了工作面的正常生產(chǎn)。

圖3 巷道變形監(jiān)測(cè)Fig.3 Roadway deformation monitoring

5 結(jié) 論

（1）受工作面超前支承壓力、地質(zhì)構(gòu)造和頂?shù)装鍘r性等的影響，陽(yáng)煤一礦8304工作面順槽變形劇烈，支護(hù)體損壞嚴(yán)重，巷道維修量大，采用傳統(tǒng)的人工維修方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

（2）WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)可根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件安裝不同的裝置實(shí)現(xiàn)挖掘、破碎、裝載等不同的功能，主要應(yīng)用于巷道順槽的臥底、擴(kuò)幫以及大巷的維修等。

（3）8304運(yùn)輸巷巷道修復(fù)機(jī)的應(yīng)用表明，WPZ-55/15/1000L型巷道修復(fù)機(jī)能夠適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境，在短時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)破碎器、切割器和挖斗功能的轉(zhuǎn)換，減少了人工數(shù)量和作業(yè)強(qiáng)度，為工作面大變形順槽的快速修復(fù)工作提供了裝備保障，實(shí)現(xiàn)了井下巷道修復(fù)的機(jī)械化作業(yè)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用前景。