膠輪車運矸拋矸充填方案的研究與實踐

文/朱良嘉 段建平 王彥武

目前，國內煤礦井下存在大量的廢舊巷道，具有龐大的矸石充填空間。高效安全靈活拋矸充填，尤其是在短巷道通過井下膠輪車運矸轉矸非連續運輸方式來進行充填，是提升充填效率、解決矸石污染、防止地面沉陷的重要舉措。陜西雙龍煤業開發有限責任公司應用上海科煤機電設備制造有限公司研制的可應用于長短廢舊巷道的拋矸充填設備，實現了將大量的掘進矸石在井下回填，取得了良好的實效，助力了綠色礦山建設和企業高效安全生產。

一、研究思路

常見的拋矸充填機主要適用于長巷道帶式輸送機連續轉矸拋矸充填，但不適用于短巷道作業。因此，考慮在矮機身拋矸充填機的基礎上，新設計獨立驅動短上料皮帶，與送料卸載機構（移動機尾）互換，可解決拋矸充填機“一機多用”問題；通過在拋矸充填機后配套新設置收料裝載機，可解決拋矸填充機破碎、扒裝、上料的問題。此外，由于拋矸充填機操作臺靠近送料卸載滾筒，加之拋矸過程需噴霧降塵，為改善操作人員的作業環境，應采用遙控操作，因此，設計開發了視距遙控和遠程控制、地表監控系統，其中視距遙控和遠程控制應均設有一鍵拋矸功能。

二、拋矸充填方案

1.井下條件

雙龍煤業現有廢舊巷道工程1.9萬余m，有些巷道支護完好，有部分巷道變形嚴重，預計可充填30萬m3矸石。雙龍煤業廢舊巷道斷面有兩種規格，分別為5.5m×3.5m和4.5m×2.8m，巷道比較平緩。掘進矸石塊度為250mm以上的占比20%左右。

2.組合方案

雙龍煤業井下采用無軌設備膠輪車運矸，針對巷道長短，提出兩種優化組合方案：

（1）對于長巷道（≥250m），采用收料裝載機+可伸縮帶式輸送機+拋矸充填機的方案，此時拋矸充填機送料卸載機構（移動機尾）不設置驅動，最后40～50m撤去帶式輸送機，將拋矸充填機送料卸載機構換上獨立驅動上料皮帶，用收料裝載機+拋矸充填機方案充填。

（2）對于短巷道（＜250m），采用收料裝載機+拋矸充填機方案充填，此時拋矸充填機上料機構為獨立驅動上料皮帶。

3.遠程控制方案

（1）遠程控制要求。

①系統要具備急停、斷信號停機，即遙控方面具備軟件急停按鈕和相互閉鎖，裝載機司機一人同時控制收料裝載機和拋矸充填機。

②在遙控器和遠程操作臺上要預留硬件急停按鈕。當遙控器和拋矸充填機的無線信號處于斷開狀態時，設備報警停機；當信號自動恢復時，無操作指令不得開機。

③遙控和就地操作要有明顯的斷開點或其他措施，要確保就地檢修的安全。

④視距遙控和視頻遙控要有一鍵自主拋矸功能，即以程序控制拋矸皮帶的左右、上下擺動，左右不能碰到巷道兩幫（依靠距離傳感器），向上擺動不能碰巷道頂板（依靠位移傳感器）。

⑤裝載機和拋矸充填機、拋矸充填機和帶式輸送機之間不允許有控制線，要靠基站傳輸數據和信號。

（2）系統組成。拋矸充填機的遠程控制包括視距遙控、井下遠程視頻控制和地表遠程視頻監控。其中，視距遙控由傳感器、遙控器、接收器和電磁閥組等組成；井下遠程視頻控制由傳感器、攝像儀、光端機、基站、遠控平臺、接收器和電磁閥組等組成；地表遠程視頻監控由攝像頭、監控系統網絡等組成。

三、拋矸充填設備介紹

1.拋矸充填機

（1）拋矸充填機特點。一是拋矸皮帶采用液壓滾筒，拋矸速度為0～3.6m/s，可調節，拋矸效果好，使用壽命長。二是采用變量泵液壓系統，負載敏感比例閥，先導手柄或電液控控制，操作簡單，可靠性高。三是拋矸皮帶在不移機的狀態下，通過伸縮油缸可實現兩個極限狀態拋矸充填，具有升降、回轉、伸縮、推平功能，推進力大，能夠保證巷道的全方位充填。四是送料卸載機構與獨立驅動上料皮帶可互換，具有調平、調斜、調偏、調高的功能，適應巷道底板起伏變化。五是設有甲烷、壓力、液位、溫度、位移、距離和人員靠近報警等傳感器和防爆攝像儀，可近控手動、視距遙控、視頻遠控和一鍵自主拋矸。

（2）結構與原理。

①總體結構。由送料卸載、拋射皮帶、行走三大機構和液壓、噴霧、電氣三大系統組成，通過底架總成調平機構，調偏架、回轉工作臺，將各執行機構有機組合于一體，并設有后支撐，以增加機器的穩定性。

②工作原理。拋矸充填機以800mm帶寬帶式輸送機為運輸工具。800mm帶寬帶式輸送機反向運轉，機頭位于巷道口，作為受料端；機尾位于巷道內，作為卸料端。拋矸機的卸載滾筒組代替800mm帶寬帶式輸送機的機尾，與800mm帶寬帶式輸送機的標準H架采用間隙銜接。800mm帶寬帶式輸送機將矸石運到拋矸充填機的卸載滾筒，卸載滾筒再將其卸到拋矸皮帶上，拋填到巷道。當前面填滿后，拋矸充填機向后退移一個步距，這時帶式輸送機儲帶與自動脹緊裝置能將松弛的800mm帶寬帶式輸送機自動脹緊。通過調偏、調向、水平調整和前后調整，能使卸載滾筒始終與800mm帶寬帶式輸送機的機頭驅動滾筒保持軸線平行。

拋矸皮帶架后下部的兩個支撐耳與回轉工作臺臺面上的兩耳相聯，豎板上的兩耳與升降油缸的上端聯接。拋矸皮帶前部設有推平器、中部設有伸縮油缸，具有伸縮和推擠功能。當收料裝載機直接給拋矸充填機上料時，拋矸充填機送料卸載機構換上獨立驅動上料皮帶，收料裝載機收料到刮板輸送機再轉載到拋矸充填機上料皮帶，由上料皮帶卸載到拋矸皮帶，拋矸皮帶左右上下擺動，將矸石填滿巷道。

2.收料裝載機

（1）設備組成。收料裝載機由星輪鏟板、工作臂、刮板輸送機、行走機構、本體和液壓系統、電氣系統、水系統等組成，在成熟掘進機基礎上去掉截割臂，換上帶扒斗和破碎錘的多節工作臂，矮巷道用三節臂、高巷道用兩節臂。

（2）收料裝載機特點。一是刮板機采用滾子鏈直刮板機，深入鏟板內，邊雙鏈設計，矸石不卡鏈，刮板機卸載端高度可調。二是采用星輪鏟板，上料均勻，鏟板兩側邊緣有擋矸板，可滿足連續轉矸，減輕司機操作強度。三是工作臂扒斗與破碎錘一體化設計，采用三節臂方案，增大扒取范圍，適應矮巷道工作環境，破碎錘工作時伸出、不工作時收回，使用簡便。四是采用成熟行走機構，牽引力大，能實現邊鏟邊裝，可靠性高。五是液壓油采用風冷/水冷散熱，噴霧降塵。六是采用變量泵液壓系統，負載敏感比例閥，先導手柄控制。

四、井下工業性試用

選擇雙龍煤業井下西北舊回風巷三條巷道做試驗，第一條巷道長150m，斷面4.5m×2.5m；第二條巷道長100m，斷面4.5m×2.5m，中間有聯巷；第三條巷道長380m，斷面5.5m×3.5m。兩端往聯巷后退式拋矸充填，第一、第二條巷道充填時，由于巷道矮，用鏟斗裝載機轉矸，收料裝載機扒渣上料，先把特大塊矸石挑選出來，用鏟斗裝載機單獨運到充填工作面兩側。

拋矸充填機加裝了視頻遙控遠控系統，克服了井下安裝調試的難點，實現了視距遙控、視頻遙控和地表監控。遙控器和視頻遠控平臺上設有一鍵拋矸功能鍵，通過拋矸充填機拋射皮帶前方左右側雷達傳感器和油缸上的位移傳感器實現程序化左右上下擺動，實現了收料裝載司機一人操控收料裝載機和拋矸機。在拋矸充填機后方設有人員靠近傳感器，實現了人員靠近報警；通過AI攝像頭可發現異常人員靠近，進而強制干預停電停機，實現了地表監控。

在試驗中，由于加大了拋矸皮帶前部推平器的推進力（18t）和推鏟面積，推擠效果較好，結頂率可達98%以上。由于拋矸速度可調，拋矸適應能力強，拋矸液壓滾筒運行穩定，達到了高可靠性的目的。

智能化拋矸充填設備在雙龍煤業使用了7個多月，每天可充填矸石150m3，已充填5條巷道、巷道長度1100多m，累計充填矸石23129m3，拋矸充填達效果到了預期。