煤礦井下混凝土攪拌站與地面輸料孔設計

李安寧,薛曉強,丁彥雄,慕健強

(陜煤集團小保當礦業有限公司,陜西 榆林 719300)

0 引言

隨著國家優質煤炭產能不斷釋放,特大型現代化礦井逐步建設投產,井下混凝土使用量也相應增大。大多數煤礦是將成品混凝土通過運送物料的車輛轉運至井下使用地點,采取人力或半自動化的方式在現場對混凝土料進行攪拌,存在混合不均勻,勞動強度大,混凝土地坪質量難以保證的問題[1-3]。也有少數具備條件的煤礦通過地面輸料孔將成品混凝土輸送至井下,再通過車輛運送至使用地點[4-6]。但是將成品混凝土通過各種運輸手段運送至井下使用地點,往往存在運輸距離長導致混凝土變質的情況,尤其是在氣溫較低的情況下更是如此。為了保證混凝土質量,提高礦井建設的工作效率,同時也滿足地面環保的要求,個別煤礦將防爆混凝土攪拌站成套機械裝備應用到了井下,將沙子、水泥、石子等物料通過車輛運送至井下攪拌站并加工為成品混凝土,在保證混凝土質量的同時也改善地面環境[7-8]。但是通過防爆無軌膠輪車等輔助運輸車輛運輸混凝土原材料,運輸工程量很大,尤其是在開拓新盤區的過程中,單程運輸距離能達到9 km以上,車輛排放的尾氣嚴重影響井筒內的空氣質量,同時井下巷道行車過多也為輔助運輸的安全管理帶來困難[9-11]。

可通過輸料孔下料解決混凝土原材料分散運輸造成的浪費問題、車輛運輸距離長問題、污染井巷空氣問題。在井下建設混凝土攪拌站除保證混凝土質量的同時也能持續地進行供應。結合兩者的優點,在充分考慮小保當公司二號煤礦井下巷道、地面場地的情況下,對井下混凝土攪拌站與地面輸料孔進行聯合設計,以高效、環保、減少勞動強度為原則,制造滿足井下施工的高品質混凝土,確保巷道地坪施工、巷道噴漿支護等重點工程建設。

1 工程概況

陜西小保當礦業公司二號煤礦位于榆林神木市西南部,是國內一流大型現代化礦井,主井為斜井開拓,裝備高強度、大功率的膠帶運輸機,副井采用緩坡斜井開拓,長3 600 m,輔助運輸大巷長度3 700 m。從地面到井下各采掘工作面均采用防爆膠輪車運輸,最遠運輸距離可達9 km,為滿足無軌膠輪車運輸的要求,井底巷道底板使用混凝土鋪底硬化,巷道鋪底較長,混凝土用量較多,尤其是快速掘進技術的應用,巷道掘進進尺顯著提升,但也導致巷道混凝土地坪施工及噴漿支護工程明顯滯后。為徹底解決問題,結合小保當二號煤礦地質條件、井下巷道布置和地面場地位置等因素,對輸料孔和井下攪拌站巷道聯合設計,分地面土建、輸料孔鉆孔、井下巷道3大部分進行施工,并成功應用。

2 輸料孔及井下巷道聯合設計

2.1 輸料孔設計施工

地面選擇輸料孔施工位置,布置料場與配套土建工程,應綜合考慮地形、供水、供電、交通運輸、井下巷道位置等條件,以確保輸料孔能順利施工并與井下巷道精準貫通。經現場勘查計算,確定在風井工業場地建設輸料孔,此位置也對應井下盤區集中大巷附近,可縮短運輸距離。

風井場地地面標高+1 322 m,井下聯絡巷頂板標高+954.5 m,輸料孔為垂直鉆孔,孔深369 m。小保當二號煤礦輸料孔結構示意如圖1所示。

圖1 輸料孔鉆孔結構示意Fig.1 Borehole structure of feeding hole

自地面垂直向下96 m為地表松散層及風化基巖段,使用φ241 mm牙輪鉆頭鉆進先導孔,再使用φ560 mm、φ730 mm組合牙輪鉆頭逐級同心擴眼。0～96 m段鉆孔施工完畢后,下入φ610 mm×10 mm螺旋管作為護壁管,下深96 m并采用水泥砂漿固井。96～369 m為正常基巖段,繼續使用φ241 mm鉆頭鉆進先導孔,后使用φ560 mm鉆頭擴眼至輸料孔全段成型。全孔下入φ426 mm×12 mm無縫鋼管作為工作管,下深369 m。最后使用水泥砂漿固井,清理、置換管內泥漿至孔底,封固孔口。

輸料孔施工完畢后在地面和井下兩端分別安裝接料斗和緩沖器,便于沙石等物料下放。在輸料孔地面孔口安裝“方形”接料斗便于下放物料,在料斗接料口用鋼板焊接活動封口盤,用時打開,不用時關閉可避免雜物或雨水倒灌。在輸料孔下口(巷道頂板)安裝專用緩沖裝置,底板鋪設20 mm厚鋼板,可抵抗下放物料的沖擊力,同時也便于裝載機鏟取裝運,如圖2所示。

圖2 輸料孔地面、井下兩端孔口Fig.2 Hole openings at both ends of the ground and underground of the feeding hole

2.2 攪拌站配套巷道設計布置

輸料孔位置對應井下充填區位置,靠近系統大巷,井下攪拌站配套巷道包含:環形行車通道、攪拌站硐室、存料聯巷、存料硐室、專用回風道及檢修行人通道。小保當二號煤礦井下攪拌站配套巷道設計如圖3所示。

圖3 井下攪拌站配套巷道設計布置Fig.3 Design and layout of supporting roadway for underground concrete mixing station

為保證各硐室作業區域及裝車路線的空氣質量,在輸料孔孔底施工一條專用回風通道與回風大巷連通,輸料孔下放物料、攪拌站作業產生的粉塵會進入回風流中,同時打開噴霧水幕降塵,獨立的通風系統保證了作業區域和行車路線的空氣質量。圖3中①區域為混凝土裝車運輸通道,空車從輔運大巷駛入,通過行車聯巷到攪拌站硐室裝車,空車駛入到重載駛離實現環形行車,提高裝車效率,保證裝車安全。②區域為輸料孔接料、存料、及攪拌站上料區域,存料聯巷中間設置一堵分隔墻,沙子、石子可分別存放。裝載機將輸料孔下放的物料倒運至存料聯巷儲存,水泥在水泥硐室中存放,裝載機將物料裝運至攪拌機制造成品混凝土。①區域和②區域以攪拌站硐室為界分左右兩側單獨作業,膠輪車在左側區域裝運成品混凝土,裝載機在右側區域倒運原材料,互不干擾。③區域為行人檢修通道,是工作人員進入攪拌站硐室、存料聯巷硐室的專用通道,為人員通行、設備檢修等提供便利。

3 混凝土攪拌站安裝及應用

3.1 攪拌站設備配套及安裝

井下選用礦用防爆MJS-750型雙臥軸強制式攪拌機,與SDD-400型配料機組成混凝土攪拌站,攪拌機外形尺寸4.6 m×3.5 m×4.3 m,分別由物料輸送系統、物料稱量系統、攪拌系統、控制系統等5大系統以及其他附屬設施組成。配料機外形尺寸5.5 m×2.1 m×3.3 m,分別由接料儲料斗、帶式配料總成、給料儲料斗、帶式給料總成等組成。攪拌站配套設備安裝于井下攪拌站硐室,混凝土攪拌站配套示意如圖4所示。

圖4 井下混凝土攪拌站配套示意Fig.4 Supporting diagram of underground concrete mixing station

礦井根據各生產單位施工安排,按計劃把井下混凝土用沙子、碎石、水泥等材料提前集中存放在攪拌站儲料場。負責運行攪拌站的單位根據各班提報的混凝土用料計劃,按配比、足量攪拌,然后再由運輸車隊按時送到各用料點。首先用裝載機將沙子、石子分別裝至配料機的2個接料斗,接料斗下方安裝有2條可調速給料皮帶,以控制皮帶的帶速來控制配料的比例,將配比好的混合料運至攪拌機的提升料斗內,啟動上料系統,料斗由提升機拖動并沿滑軌向上運動到一定位置后斗門自動打開,物料經漏斗卸入攪滾筒正轉攪拌物料,反之則傾倒出加工好的混凝土物料,車輛通過行車聯巷進入攪拌站硐室接料并運輸至施工地點,如圖5所示。實現混凝土材料的量化生產也保證了混凝土的配比質量。

圖5 井下混凝土攪拌站配套設備安裝現場Fig.5 Supporting equipment installation of underground concrete mixing station

3.2 應用效果分析

井下混凝土攪拌站與地面輸料孔配套聯合使用,減少了副斜井輔助運輸壓力,同時不受地面天氣影響可保證24 h連續供應混凝土料,以保證巷道地坪的正常有序施工。

通過輸料孔下料,在井下存料聯巷及硐室及時存放石子、沙子及水泥,保證全天用量。MJS-750型攪拌機每小時出料約25 m3,開機率按0.8計,單班8 h可供料160 m3。

無軌膠輪車翻斗容量為3 m3,車輛在攪拌站硐室與掘進工作面之間來回行駛一趟約1.5 h(包括巷道內會車、接料、卸料的等待時間),1輛無軌膠輪車的單班運輸量約15 m3,在攪拌站持續供料的情況下單班需要10輛膠輪車。

以順槽巷寬6 m、地坪厚度0.2 m為例,攪拌站單班供料160 m3,理論可施工地坪133 m。煤礦井下現有2個快速快掘工作面,單頭單班進尺可達30 m,兩班掘進一班檢修日進尺約120 m,攪拌站單班的混凝土供應量可滿足全天的順槽地坪施工。自投入使用以來,無論是混凝土材料的集中管理還是車輛的調度環節,都顯著提高了施工效率。通過現場的工業性試驗進一步驗證地面輸料孔配合井下攪拌成套設備的聯合使用,順利實現下料、儲料、上料、攪拌和出料功能,不僅工作效率提高,而且輸料孔與井下攪拌站配合使用,能夠滿足日常生產工作的需要。

4 結論

(1)創新性設計輸料孔、井下混凝土攪拌站及配套巷道工程,將混凝土攪拌站安裝至井下,井下施工專用存料聯巷便于原材料的集中管理,同時改變地面露天存放方式,符合環保工作的相關要求。

(2)采用地面輸料孔向井下輸料的方式,改變以往從井口經過大巷運輸車往返工作面運輸的模式,極大地節約運輸成本,減少往返大巷和井口的距離,減少大巷及井口運輸物料的密度,避免因集中緊湊高密度運料導致的井下運輸安全事故,對保證施工安全有著重要的作用。

(3)井下施工的攪拌站配套巷道工程,作為獨立的生產單元具有高效的運輸、通風系統,從下料、存料、運送、上料、攪拌都在專用巷道和硐室中進行,大大降低粉塵和噪聲污染,不僅降低工人的勞動強度同時也改善了作業環境。

(4)根據井下的實際需求,所選的攪拌裝置能夠順利實現上料和出料功能,與其他設備實現良好匹配,所生產的混凝土滿足煤礦井下的施工要求,攪拌站單班混凝土供應量可滿足煤礦井下全天的順槽地坪施工。