巷道修復機在趙莊煤礦井下水倉開挖中的應用

李旭濤，郭建衛，史 超

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

井下水倉是防止煤礦水災確保煤礦安全生產的重要設施，用于礦井水外排的緩沖存儲，暫時容納礦井在開采過程中所出現的涌水和工程用水，防止排水設備發生故障或突然大量涌水時發生水災，同時還能夠沉淀水中的固體顆粒，凈化水質[1-2]。但是，煤礦水倉開挖卻一直是礦山的一大難題，以往人工開挖既費時費力、效率低下，而且易引起片幫等不安全因素。隨著礦井機械化水平的不斷提高，用高效的機械裝備開挖井下水倉是煤礦發展的必然趨勢。

1 巷道地質條件

晉煤集團趙莊煤礦3號煤煤層平均厚度4.5m,傾角5°～10°，采深400～500m。煤層直接頂以砂質泥巖和粉砂質泥巖為主[3]，厚度2.3m，強度主要集中在26.4～35.2MPa之間，單軸抗壓強度較小?；卷敒榧毩Ｉ皫r，厚度4m，堅硬，單軸抗壓強度73.2MPa。煤層直接底為黑色泥巖，薄層狀，水平層理發育，其下是砂巖，中厚層狀，具有水平層理[4]，具體地質情況見表1。

根據礦方生產要求，修復機水倉開挖施工在3號煤北輔運七橫川內進行，該巷道為矩形斷面，高度4250mm,寬度4800mm,巷道斷面20.4m2，巷幫掛設有動力電纜，巷道左側地面鋪設刮板輸送機。水倉要求開挖長×寬×高=30m×4.8m×3.2m，為防止出現安全事故，要求邊開挖邊采用錨網鎖具支護。

表1 3號煤頂底板地質情況

2 修復機簡介

修復機是一種集鑿、挖、運、裝于一體的煤礦巷道修復治理施工設備，具有機身窄、解體性好、集成度高、技術性能先進、工藝適應性強、移動搬遷方便等優點，并且液壓系統采用LUDV(負載獨立流量分配)控制系統，可保障多工作機構的協調運動，操作靈活方便，主要用于巷道修復施工[5-6]，并且，修復機改變了國內巷修設備在工作過程中反復更換挖斗和破碎錘以及在施工過程中多臺設備互換工序等造成效率低下的問題。

圖1 修復機結構示意

修復機外形結構如圖1所示，主要由液壓系統、運渣裝置、行走機構、操作室和工作機構組成[7]，具體技術參數見表2。

表2 修復機主要技術參數

2.1 液壓系統

液壓系統是修復機的動力源，由電動機、串泵組、油箱、冷卻器等組成。具有交叉傳感恒功率控制方式，能感知壓力的變化,自動調節相應泵排量，具有抗流量飽和特性，確保各執行機構按比例動作，系統穩定，節能性好，功率損耗低，發熱量小。

2.2 運渣裝置

運渣裝置包括：一運刮板運輸裝置和二運膠帶轉載機構。一運刮板運輸裝置由運輸槽、調角油缸、刮板鏈條及液壓馬達組成[8]。二運膠帶轉載機構主要由連接機架、托輥、滾筒、張緊機構、礦用阻燃膠帶及液壓馬達組成,具有結構緊湊、機動性強、運矸平穩、調角范圍廣等特點。

2.3 行走機構

行走機構采用接地比壓小、適應性強、方便靈活、使得整機爬坡、轉彎、行走方便靈活的鋼制履帶行走式底盤。

2.4 操作室

操作室根據人機工程學設計，操作舒適，保護操作人員的作業安全。采用液壓先導控制技術，操作靈活簡便，有效減小液壓閥塊占用空間，提高操作人員的活動空間及視野。

2.5 工作機構

工作機構由大臂、小臂、挖斗、破碎裝置、各動作油缸及相關液壓膠管組成。各結構件之間采用銷軸連接，關節軸套采用特殊耐磨缸套，便于維修更換，轉動靈活，無卡滯。而且，將破碎錘集成到斗桿上，通過油缸給進和收縮，實現挖掘裝運的同時連續進行破碎作業，減少輔助時間，提高施工效率。

3 現場應用

3.1 水倉開挖

根據礦方生產要求，水倉開挖深度約3.2m，因此，技術人員依據3號煤北輔運七橫川煤層地質分布情況，采用逐層剝離,逐層錨固、逐步深挖，一運刮板運輸裝置及二運膠帶轉載機構協調出矸方式進行施工作業，修復機具體工作流程如圖2所示。

圖2 修復機工作流程示意

當第一層開挖完成后，需對巷幫進行錨桿支護，支護完成之后進行第二次開挖，然后再次進行錨桿支護，經過3輪連續施工作業，即完成開挖工作，如圖3所示。

圖3 修復機水倉開挖施工示意

3.2 支護形式

根據趙莊礦地質條件，結合巷道支護設計原則及方法[9]，采用以下錨桿、錨索及鋼筋網等組合支護系統。

錨桿采用φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2400mm，錨桿尾部螺紋為M24，排距1500mm，間距950mm,樹脂加長錨固，1支K2335，1支Z2360，鉆孔直徑28mm,錨桿錨固力不小于150kN，預緊力不小于400N·m。

錨索采用φ22-5400mm高強度低松弛預緊力鋼絞線、錨索距頂，底板分別為800mm,1500mm,排距1500mm;加長錨固，3支樹脂錨固劑，1支K2335，2支Z2360，錨索預緊力不小于250kN。

鋼筋網采用φ6.5mm鋼筋焊接而成，網孔100mm×100mm,網片規格2700mm×1650mm,鉤結長度150mm,每排2片，巷道斷面特征及支護形式如圖4所示。

W型鋼帶規格：寬100mm，長4500mm，厚7mm。

3.3 應用效果

修復機自2017年4月19日開始施工作業，于4月23日完成水倉開挖施工作業，除去設備故障，實際修復機連續作業約40h，共挖出矸石約460m3，平均出矸11.5m3/h。此前，趙莊煤礦水倉開挖大多數采用人工開挖方式[10-11]，此次，采用修復機進行水倉開挖尚屬首次，人工開挖與修復機開挖參數對比如表3。

圖4 錨桿錨索支護示意

人工水倉開挖修復機水倉開挖適用條件無限制巷道高度、寬度滿足修復機要求所需設備風鎬、刮板輸送機修復機、刮板輸送機出渣方式人工轉矸至刮板輸送機一運、二運連續出矸所需人數/人8～102人均方量/(m3·h-1)0.565.75

由表3可以看出，就人均方量而言，采用修復機進行水倉開挖明顯優于人工水倉開挖，并且隨底板硬度增加，修復機水倉開挖優勢更為明顯，更為重要的是修復機水倉開挖需求人數少，人身安全更有保障。但是2種開挖方式各有優缺點，人工開挖適用條件廣，但勞動強度大，工作環境惡劣，效率低下，修復機開挖人工勞動強度小，作業環境好，但是前期投入及各方協調工作量較大。

4 結 論

(1)修復機主要用于巷道修復治理施工，用于煤礦井下水倉開挖施工作業尚屬首次。且平均出矸效率約11.5m3/h，相比較人工水倉開挖施工，該段水倉開挖施工節支18萬元。

(2)比較發現，修復機開挖效率優于人工開挖，人均方量達到5.75m3/h，是人工開挖效率的10.3倍。

(3)根據現場施工特點，總結出一套利用修復機進行煤礦巷道水倉開挖并補打錨桿錨索施工作業的工藝，為類似條件下煤礦巷道水倉開挖施工提供借鑒。