綜采工作面采空區(qū)高效膏體充填液壓支架結(jié)構(gòu)探究

武少鵬

(潞安化工集團(tuán) 安全管理部,山西 長治 046204)

為有效解決“三下”(建筑物下、路下、水體下)壓煤,G煤礦預(yù)采用綜采工作面采空區(qū)膏體充填方式進(jìn)行煤炭開采,鑒于該礦煤層厚6.3 m,因此考慮分層(分兩層)進(jìn)行充填開采,即分頂分層和底分層,并且采用下行方式開采,先采上分層,后采下分層。為了底分層開采能夠利用頂分層工作面的巷道,因此頂分層回采期間需要將巷道進(jìn)行沿空留巷。

所謂綜采工作面采空區(qū)高效膏體充填,就是取消隔離班和凝固班,實現(xiàn)“采煤—充填”二班一循環(huán)充填采煤工藝。需要兩項技術(shù)支撐才能實現(xiàn):一是必須裝備具有高效隔離功能的充填液壓支架,保證在2 h內(nèi)完成隔離,具備充填條件,充填面每次采煤進(jìn)尺達(dá)到充填步距以后,需要沿工作支架后方全部長度作隔離墻,并在端頭和端尾做縱向隔離墻,使液壓支架后方形成一個封閉長條形,進(jìn)而對膏體充填;二是必須裝備添加速凝劑子系統(tǒng),保證膏體充填采空區(qū)能夠在2 h內(nèi)凝固,并達(dá)到自穩(wěn)和承擔(dān)2～3 m直接頂巖石重量的強(qiáng)度要求。

鑒于以上原因,綜采工作面采空區(qū)高效膏體充填可行與否的關(guān)鍵在于充填液壓支架,因此對充填液壓支架的結(jié)構(gòu)研究至關(guān)重要。

1 充填液壓支架的功能

G煤礦結(jié)合實際開采條件,確定在E1306頂分層采用綜采工作面采空區(qū)高效膏體充填開采技術(shù),充填液壓支架需具備以下功能:

1) 對工作面割煤空間支護(hù):及時支護(hù)頂板,有效護(hù)幫。

2) 對工作面鋪網(wǎng):要求充填支架裝備適當(dāng)?shù)木W(wǎng)卷等輔助鋪網(wǎng)機(jī)構(gòu),提高鋪網(wǎng)速度。

3) 對待充填區(qū)支護(hù):每割1刀煤待充填區(qū)即能及時有效支護(hù);隔離不降架、不影響支護(hù);為充填區(qū)工人完成必要工作創(chuàng)造安全空間,提供必要的臨時支護(hù)措施。

4) 隔離功能:能夠在2 h內(nèi)快速完成隔離,隔離輔助材料和輔助工作量少;隔離過程中待充填區(qū)不需要臨時點柱;頂、底和煤幫密封柔性材料固定在支架隔離板上,重復(fù)使用,一般不需要手工填塞草苫等。

2 充填液壓支架設(shè)計方案

2.1 旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架方案

旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架前梁為鉸接式,并帶伸縮式前伸梁,保證支架及時支護(hù)[1](見圖1),具有以下結(jié)構(gòu)特點:

圖1 旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架示意

1) 帶護(hù)幫板機(jī)構(gòu),能夠有效護(hù)幫。

2) 支架主體為帶四連桿機(jī)構(gòu)的四柱支撐式結(jié)構(gòu),保證支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具備良好抗水平力功能,能夠有效控制端面空頂距。

3) 后尾梁為兩級旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu),能夠及時支護(hù)待充填區(qū)頂板。

4) 隔離板固定在短底座上,該短底座與主底座鉸接,隔離板上下伸縮以適應(yīng)不同充填高度需要,柔性條固定在隔離板上下端頭。

充填支架隔離的過程是:平時短底座在千斤頂作用下向采煤區(qū)旋轉(zhuǎn)一定角度,使短底座后端離開底板,避免隔離板下端頭柔性條在移架過程中刮壞;隔離時,由隔離板里向外掛塑料布,塑料布高度大于采高,富裕部分要搭過隔離板上下端頭,通過柔性條將塑料布壓住,以支架底座與底板之間的縫隙;在底板隔離好以后,隔離板向上伸縮,使上端頭通過柔性條把塑料布與頂板貼緊,封閉隔離板與頂板之間的縫隙;工作面支架之間、隔離板上下結(jié)構(gòu)縫隙都要用塑料布封閉,從而在待充填區(qū)形成密閉隔離墻。

2.2 伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架方案

伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架具有以下結(jié)構(gòu)特點(圖2):

圖2 伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架示意

1) 前梁部分與旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式基本相同,即為鉸接式,并帶伸縮式前伸梁,保證支架及時支護(hù),且有護(hù)幫板機(jī)構(gòu),能夠有效護(hù)幫。

2) 支架基本頂梁為前后兩部分鉸接而成,基本前梁與2根前排支柱、四連桿機(jī)構(gòu)和底座組成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),保證支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具備良好抗水平力功能,能夠有效控制端面空頂距[2];基本后梁主要依靠2根后排立柱支撐工作面后部頂板,包括待充填區(qū)支護(hù),基本前后梁之間的水平千斤頂,有效控制基本后梁和后排立柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3) 隔離板通過滑動鉸與支架底座上的隔離支承機(jī)構(gòu)連接,隔離板為上下、左右伸縮式。

4) 設(shè)計柔性條重復(fù)使用,伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架的柔性條不固定在隔離板上下端頭,而是分別有一定拉緊度和活動度的鋼絲或者鏈條將其分別固定在底座后端和基本后梁后端,需要隔離時隔離板能夠頂住上下柔性條。

5) 伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式充填液壓支架的隔離過程與旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式類似,首先用隔離布包裹住隔離板后面,隔離布搭過隔離板上端和下端,然后伸出隔離板,隔離板伸出過程中,在滑動鉸機(jī)構(gòu)作用下,先是隔離板下端頭帶動固定在底座上的柔性條壓緊底板,最后是隔離板上端帶動固定在基本后梁后端的柔性條壓緊頂板,完成頂?shù)装蹇p隙的封閉;工作面支架之間、隔離板上下結(jié)構(gòu)縫隙仍然都用隔離布封閉,從而在待充填區(qū)形成密閉隔離墻。

2.3 方案對比

對比上述兩個支架設(shè)計方案,可以看出,二者都具備高效隔離膏體充填支架所需要的功能,主要區(qū)別是:

1) 伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式對待充填區(qū)支護(hù)強(qiáng)度更大,旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式后旋轉(zhuǎn)尾梁受結(jié)構(gòu)限制旋轉(zhuǎn)力臂長度較短,對待充填區(qū)頂板支護(hù)強(qiáng)度較小。

2) 旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式待充填區(qū)支護(hù)收回時需要旋轉(zhuǎn),占用高度大,需要隔離板向后傾斜讓出一定空間,這樣頂和底隔離都要在待充填區(qū)支護(hù)收回后完成,隔離工作難以提前安排;而伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式待充填區(qū)支護(hù)為伸縮梁結(jié)構(gòu),占用高度小,伸縮梁收回前可以先做好底板隔離,這在采煤班最后一刀煤割后可追機(jī)完成,伸縮梁收回后只需要做頂隔離。

3) 旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式液壓支架柔性條包裹在隔離布內(nèi),隔離布只能選柔軟布料;伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式液壓支架柔性條在隔離布外面,隔離布選材不受限制,有條件實現(xiàn)隔離布重復(fù)利用,可以進(jìn)一步加快隔離速度和降低隔離材料費(fèi)用。

4) 伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式液壓支架隔離板在上下端頭設(shè)立左右伸縮機(jī)構(gòu),圖3是三架支架隔離板排在一起的情況,隔離板上下的伸縮機(jī)構(gòu)高度小,容易保證架間側(cè)面搭接效果,形成對頂、底密封的柔性條連續(xù)擠壓,防漏無死角。

圖3 伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式液壓支架隔離板后視示意

綜上所述,伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式液壓支架更具優(yōu)越性。

3 充填支架機(jī)械化鋪頂網(wǎng)功能

根據(jù)現(xiàn)行綜采工作面停采前鋪頂網(wǎng)經(jīng)驗,如果是手工鋪頂網(wǎng),工作量大,占用人員多,并且為了鋪網(wǎng)人員安全,只能在采煤機(jī)和前刮板輸送機(jī)停止工作條件下進(jìn)行,鋪網(wǎng)工作嚴(yán)重影響采煤面生產(chǎn),在“三采一準(zhǔn)”條件下每天割煤4刀都非常緊張。如果仍然采用人工鋪頂網(wǎng),實行“二采二充”,采煤班6 h難以完成割煤2刀的設(shè)計任務(wù),所以,必須考慮具備機(jī)械化鋪頂網(wǎng)功能的充填支架。

現(xiàn)行液壓支架自動鋪網(wǎng)技術(shù),一般采用網(wǎng)卷和聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動鋪網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng),通常鋪底網(wǎng)為下分層假頂創(chuàng)造條件。按照聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)設(shè)置位置分為前鋪網(wǎng)支架和后鋪網(wǎng)支架兩種類型,所謂前鋪網(wǎng)支架就是聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)設(shè)在底座之前的支架,后鋪網(wǎng)支架則是聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)設(shè)在底座之后的支架[3]。

頂分層膏體充填鋪網(wǎng)的目的是為了保證頂板煤巖穩(wěn)定不漏頂,必須鋪頂網(wǎng),自動鋪頂網(wǎng)的網(wǎng)卷和聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)可以借鑒現(xiàn)有自動鋪底網(wǎng)技術(shù),初步考慮采用主副架配合,金屬網(wǎng)兩側(cè)帶網(wǎng)鉤,網(wǎng)寬適當(dāng)大于架寬,主、副架網(wǎng)卷錯開布置,使其在移架過程中相互不干擾,主、副架再按順序伸出前伸縮梁,實現(xiàn)網(wǎng)片之間搭接,然后按順序移架,移到位以后升架過程中利用支架前鉸接頂梁壓倒網(wǎng)鉤達(dá)到聯(lián)網(wǎng)目的。

4 結(jié) 語

1) 伸縮尾梁結(jié)構(gòu)式液壓支架與旋轉(zhuǎn)尾梁結(jié)構(gòu)式液壓支架相比,具有充填空間大、待充區(qū)支護(hù)強(qiáng)度高、隔離速度快、隔離費(fèi)用低等優(yōu)點。

2) 充填支架機(jī)械化鋪頂網(wǎng)采用主副架配合,金屬網(wǎng)兩側(cè)帶網(wǎng)鉤,網(wǎng)寬適當(dāng)大于架寬,主架、副架網(wǎng)卷錯開布置,使其在移架過程中相互不干擾,主、副架再按順序伸出前伸縮梁,實現(xiàn)網(wǎng)片之間搭接,然后再按順序移架,移到位以后升架過程中利用支架前鉸接頂梁壓倒網(wǎng)鉤達(dá)到聯(lián)網(wǎng)目的。