煤礦高應力工作面快速起底及輔助安裝技術研究

李霞 龐新宇

摘要：隨著礦業工程的不斷發展，煤礦機械化設備投入量增加，大型設備使用率大大提高。煤礦工作面回采巷道圍巖強度低、穩定性差，造成底臌現象尤為嚴重，制約卡軌、齒軌、單軌吊及無軌膠輪車等輔助運輸方式的應用。有必要針對煤礦地質生產條件進行底臌治理和快速安裝綜采設備進行研究和研發。本文通過對煤礦回采巷道的應力分析、工作面輔助安裝技術分析，以及底臌治理方式的對比分析，根據煤礦地質生產條件研發了的礦用多功能鏟裝車，把鏟、裝、吊、拉等功能的部件結構進行了綜合及創新設計，對礦用多功能鏟裝車穩定性進行了分析并對主要部件進行了強度核算，實現了真正意義上的“一機多用”功能。礦用多功能鏟裝車提高了煤礦高應力小工作面底臌治理工效，加快了綜采工作面快速安裝、拆卸中部槽的速率，為進一步研制其他功能型設備提供了研究基礎，對煤礦安全生產和現代機械化礦井建設有重要意義。

關鍵詞：底臌；鏟裝車；多功能；應用

當前煤礦煤層埋深普遍較深，采區地應力場在量值上屬于中等偏高應力區，回采巷道圍巖強度低、穩定性差，且底臌嚴重，嚴重影響了工作面綜采設備的運輸和安裝。采區一般可采期如果較短，在一年內的話，對巷道底板進行高強度支護存在投入產出比不合理、施工難度大的問題。如何快速高效地對巷道底臌進行治理、縮短綜采設備安裝周期成為了煤礦采區工作面亟待解決的問題。針對這一情況，本文根據煤礦地質生產條件，進行礦用多功能鏟裝車技術研發，用以解決回采巷道的底板治理成本高、周期長以及綜采設備運輸困難的問題，進而提高煤礦機械化水平，降低煤礦生產成本。

1 高應力巷道治理研究現狀

近年來，我國許多學者對高應力巷道的圍巖控制理論與技術展開了研討，逐漸形成了相應的理論體系，概括起來，即綜合整治、強化支護、數據采集、因地制宜。

綜合整治：針對具體地質環境進行分析，結合巖性、水質、圍巖控制情況等多方面因素進行綜合管理，系統性整治，最終達到控制圍巖變形的目的。

強化支護：內外結合，提高巖石強度。軟巖巷道變形通常很大，且是動態的過程，應靈活采用錨噴與注漿技術相結合的支護方式，提高圍巖的自承能力，進行柔剛結合的支護。

數據采集：長期進行巷道位移測量并收集匯總巖層數據，對采集的數據通過數據庫以及應力分析軟件進行科學分析，有效指導支護設計。

因地制宜：對不同地質條件的軟巖，靈活選用不同支護技術。

綜上所述，軟巖巷道底臌控制方法很多，并在實際工程中取得良好的支護效果。但在實際應用中，由于地質條件復雜等多種因素，導致支護技術具有一定局限性。論文在巷道圍巖物理力學參數測定基礎上，結合X射線衍生儀礦物成份分析結果，對回風大巷膨脹型底板收縮變形原因進行研究，對支護方案進行設計，實現巷道圍巖處于三向應力平衡狀態，達到巷道穩定。

2 回采巷道應力情況分析

采區軌道巷、皮帶巷相繼施工后，由于巷道圍巖強度的弱化，導致大巷變形100～300 mm，局部出現開裂、脫落，尤其在火藥庫、大巷水倉附近交叉口大斷面巷道南北方向巷道地面逐漸隆起，底臌量不斷增加，后持續出現兩幫變形位移，噴漿體裂縫逐步增大至三到五厘米寬的開口，混凝土表面出現脫落現象，特別是火藥庫南北兩側變形加大。其變形破壞特征表現為：噴漿體混凝土層受地質應力作用后，噴漿體逐漸產生裂縫、開裂、破碎、掉落；墻體內移，巷道空間壓縮減小，導致附近等候室和變電所被擠壞；巷道底臌嚴重，造成巷道高度不夠，無法滿足正常通風、運輸、行人需要。

3 回采巷道快速起底及輔助安裝技術研究

3.1 回采巷道底臌治理方案選擇

工作面可采儲量少于一年時，根據該工作面地質生產條件選擇回采巷道底臌治理方案，常用的底臌治理方案主要有底板錨注：

①預注漿：地板破碎較嚴重時，通過注漿將底板固化，為施工錨桿、錨索提供良好的額條件。

② 加固：施工錨索后進行灌漿處理，并保證錨索拉力符合要求。

③底板硬化工藝流程：交接班——整平底板、清理矸石——配料、攪拌——鋪底、澆筑——震動棒震動——抹面。

④底板起底：在巷道加固之前將底板起至低于巷道標準高度 200mm，進行注漿，打錨桿錨索支護，等加固結束之后進行回填澆注止標準高度。

在工作面回采巷道底臌治理時，如果采用底錨支護，則存在施工難度大、施工工期長的問題，造成工作面接續緊張，降低了礦井產能；如果采用底板硬化，則存在成本高，投入產出比不合理的問題，降低了礦井經濟效益。經研究現有底臌防治措施，在沒有更好、更直接辦法控制該類巷道底臌時，起底作業不可避免。現場實踐表明，采用巷道起底翻修能滿足生產需要。礦井根據生產地質條件，采用傳統的人工底板起底的方式進行底臌處理，如圖3.1所示，但是傳統的人工底板起底方式在解決了底錨支護和底板硬化所引起的施工難度大、投入產出比較高的問題的同時，也存在占用大量設備和勞動力、工人勞動強度大、作業效率低的問題，降低了礦井的機械化水平。本文在原來人工底板起底的基礎上進行礦用多功能快速鏟裝車技術研發，以技術手段解決人工起底與提高煤礦機械化水平相矛盾的問題。

3.2 礦用多功能鏟裝車研發

研發的礦用多功能鏟裝車機架前端的鏟板，可以推鏟地上的煤渣，修平底板，能夠實現機械化起底、降低工人勞動強度，同時鏟裝車能夠對溜槽及其他小部件進行快速吊運，吊運過程可實現自鎖，防止小部件移動和擺動，放在安裝的位置并能調整方向，機架下的拉底鏈機構，可以拉動刮板運輸機的底鏈，對溜槽進行快速拆卸裝車，使安裝和拆卸溜槽時省時、省力。

礦用多功能鏟裝車外形見圖3.2，該機主要由機架部件、鏟板部件、旋轉部件、吊臂、旋吊機構、行走部、后支撐部件、前支撐部件、撐頂油缸、電纜掛架、電氣系統、液壓系統等部分組成。

3.3 礦用多功能鏟裝車使用流程及工藝

①鏟裝車割底后，底板要保證平整，兩幫要刷齊，割底后巷道高度不小于3.5米。

②每次鏟裝車割底長度達到2米時，要及時查看原支護質量，如果發現有鋼帶斷裂，錨桿、錨索失效以及有滾幫等危險時，閉鎖開關進行處理（若采取頂板補打加強錨索，幫部放下鼓幫煤重新掛網補打錨桿等措施），由安檢員與跟班隊干確定施工地點無安全隱患后，方可繼續作業。

③支棚段割底期間，鏟裝車司機要掌握好截鏟板與棚腿之間的間距，不得在割底過程中使鏟板掃到棚腿（棚腿底端要預留200mm的保護臺階），且割底時需以2米進度為一個循環，對棚梁、棚腿進行加固（在距棚腿下端0.2米和1.8米的位置上分別用2米槽鋼與錨桿配套壓住棚腿；距棚梁兩端頭1米的位置上分別用2米槽鋼與錨索配套壓住棚梁）。

④鏟裝車前方的支棚段棚梁變形、棚腿踢出嚴重及其他地段的頂板有冒頂危險時，需先進行挑頂或補打錨索加強支護后，方可繼續進行割底作業。鏟裝車割底后的頂板若出現頂板破碎、下沉嚴重，挑頂作業進度無法及時控制頂板時，需提前根據頂板情況補打錨索或支護木柱加強支護，也有效控制頂板，防止冒頂事故發生。

⑤在施工作業過程中，若出現橋式皮帶落道等情況需進行起吊作業時，要用5T倒鏈起重鏈將作業地點的橋式皮帶等重物捆綁承掛于專用的起吊錨索上，方可進行作業。

⑥在掘機前后40米范圍內對頂、幫維護及清理雜物時，掘進機截割頭要落地，并閉鎖開關；其他作業地點需要同時作業時，必須保證距掘進機作業地點的安全距離大于40米。

3.4 新舊工藝工效對比

人工使用風鎬進行起底作業，單班銷耗人員較多、工效較慢，尤其是在巷道急需投入使用時，不能盡快有效的進行起底作業，將會制約工作面的正常生產。采用多功能鏟裝車施工作業，從巷道起底到綜采設備的輔助安裝等工作可以全部實現了機械化施工和安裝，大大提高了單位時間工作效率，節省了人工和時間。

礦用多功能鏟裝車能夠快速的推進整巷施工進度，比人工進行巷修作業更加高效、安全，且巷道成型、安全生產標準化程度高，可以有效緩解采掘銜接緊張造成的生產接替困難。礦用多功能鏟裝車形成了多功能、新一代的中部槽搬運設備，設計新穎、針對性強、有自己的獨創性，具有安全可靠、牽引力大、鏟裝靈活、行走便捷、操控簡潔等特點，在解決煤礦井下綜采配套短板設備方面沒出了可貴的一步。

4 結語

礦用多功能鏟裝車實現了高應力工作面底臌治理、中部槽拆裝運“一機多用、一機多動”的功能，同時該設備外形尺寸不大，可自行走、爬坡能力強、可連續運輸，操作簡單、作靈活、容易適應不同的環境、地點、避免了安裝和拆卸過程中的安全隱患，礦用多功能鏟裝車針對性強，成功解決了高應力底臌工作面綜采設備安裝的難題，在提高煤礦井下機械化程度方面邁出了可貴的一步。從試用樣機的情況看，已經可以節省勞動力四分之三，提高工作效率一倍以上。待操作工對設備使用熟練后，工效還會成倍提高。在底臌治理和綜采工作面快速安裝、拆卸中部槽方面值得推廣應用。

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作者簡介：李霞（1986），女，山西大同人，2010年畢業于山西大同大學，現于太原理工大學就讀在職研究生，工程師，就職于山西大同煤礦集團生活污水處理分公司。