煤矿高应力工作面快速起底及辅助安装技术研究

李霞 庞新宇

摘要：随着矿业工程的不断发展，煤矿机械化设备投入量增加，大型设备使用率大大提高。煤矿工作面回采巷道围岩强度低、稳定性差，造成底臌现象尤为严重，制约卡轨、齿轨、单轨吊及无轨胶轮车等辅助运输方式的应用。有必要针对煤矿地质生产条件进行底臌治理和快速安装综采设备进行研究和研发。本文通过对煤矿回采巷道的应力分析、工作面辅助安装技术分析，以及底臌治理方式的对比分析，根据煤矿地质生产条件研发了的矿用多功能铲装车，把铲、装、吊、拉等功能的部件结构进行了综合及创新设计，对矿用多功能铲装车稳定性进行了分析并对主要部件进行了强度核算，实现了真正意义上的“一机多用”功能。矿用多功能铲装车提高了煤矿高应力小工作面底臌治理工效，加快了综采工作面快速安装、拆卸中部槽的速率，为进一步研制其他功能型设备提供了研究基础，对煤矿安全生产和现代机械化矿井建设有重要意义。

关键词：底臌；铲装车；多功能；应用

当前煤矿煤层埋深普遍较深，采区地应力场在量值上属于中等偏高应力区，回采巷道围岩强度低、稳定性差，且底臌严重，严重影响了工作面综采设备的运输和安装。采区一般可采期如果较短，在一年内的话，对巷道底板进行高强度支护存在投入产出比不合理、施工难度大的问题。如何快速高效地对巷道底臌进行治理、缩短综采设备安装周期成为了煤矿采区工作面亟待解决的问题。针对这一情况，本文根据煤矿地质生产条件，进行矿用多功能铲装车技术研发，用以解决回采巷道的底板治理成本高、周期长以及综采设备运输困难的问题，进而提高煤矿机械化水平，降低煤矿生产成本。

1 高应力巷道治理研究现状

近年来，我国许多学者对高应力巷道的围岩控制理论与技术展开了研讨，逐渐形成了相应的理论体系，概括起来，即综合整治、强化支护、数据采集、因地制宜。

综合整治：针对具体地质环境进行分析，结合岩性、水质、围岩控制情况等多方面因素进行综合管理，系统性整治，最终达到控制围岩变形的目的。

强化支护：内外结合，提高岩石强度。软岩巷道变形通常很大，且是动态的过程，应灵活采用锚喷与注浆技术相结合的支护方式，提高围岩的自承能力，进行柔刚结合的支护。

数据采集：长期进行巷道位移测量并收集汇总岩层数据，对采集的数据通过数据库以及应力分析软件进行科学分析，有效指导支护设计。

因地制宜：对不同地质条件的软岩，灵活选用不同支护技术。

综上所述，软岩巷道底臌控制方法很多，并在实际工程中取得良好的支护效果。但在实际应用中，由于地质条件复杂等多种因素，导致支护技术具有一定局限性。论文在巷道围岩物理力学参数测定基础上，结合X射线衍生仪矿物成份分析结果，对回风大巷膨胀型底板收缩变形原因进行研究，对支护方案进行设计，实现巷道围岩处于三向应力平衡状态，达到巷道稳定。

2 回采巷道应力情况分析

采区轨道巷、皮带巷相继施工后，由于巷道围岩强度的弱化，导致大巷变形100～300 mm，局部出现开裂、脱落，尤其在火药库、大巷水仓附近交叉口大断面巷道南北方向巷道地面逐渐隆起，底臌量不断增加，后持续出现两帮变形位移，喷浆体裂缝逐步增大至三到五厘米宽的开口，混凝土表面出现脱落现象，特别是火药库南北两侧变形加大。其变形破坏特征表现为：喷浆体混凝土层受地质应力作用后，喷浆体逐渐产生裂缝、开裂、破碎、掉落；墙体内移，巷道空间压缩减小，导致附近等候室和变电所被挤坏；巷道底臌严重，造成巷道高度不够，无法满足正常通风、运输、行人需要。

3 回采巷道快速起底及辅助安装技术研究

3.1 回采巷道底臌治理方案选择

工作面可采储量少于一年时，根据该工作面地质生产条件选择回采巷道底臌治理方案，常用的底臌治理方案主要有底板锚注：

①预注浆：地板破碎较严重时，通过注浆将底板固化，为施工锚杆、锚索提供良好的额条件。

② 加固：施工锚索后进行灌浆处理，并保证锚索拉力符合要求。

③底板硬化工艺流程：交接班——整平底板、清理矸石——配料、搅拌——铺底、浇筑——震动棒震动——抹面。

④底板起底：在巷道加固之前将底板起至低于巷道标准高度 200mm，进行注浆，打锚杆锚索支护，等加固结束之后进行回填浇注止标准高度。

在工作面回采巷道底臌治理时，如果采用底锚支护，则存在施工难度大、施工工期长的问题，造成工作面接续紧张，降低了矿井产能；如果采用底板硬化，则存在成本高，投入产出比不合理的问题，降低了矿井经济效益。经研究现有底臌防治措施，在没有更好、更直接办法控制该类巷道底臌时，起底作业不可避免。现场实践表明，采用巷道起底翻修能满足生产需要。矿井根据生产地质条件，采用传统的人工底板起底的方式进行底臌处理，如图3.1所示，但是传统的人工底板起底方式在解决了底錨支护和底板硬化所引起的施工难度大、投入产出比较高的问题的同时，也存在占用大量设备和劳动力、工人劳动强度大、作业效率低的问题，降低了矿井的机械化水平。本文在原来人工底板起底的基础上进行矿用多功能快速铲装车技术研发，以技术手段解决人工起底与提高煤矿机械化水平相矛盾的问题。

3.2 矿用多功能铲装车研发

研发的矿用多功能铲装车机架前端的铲板，可以推铲地上的煤渣，修平底板，能够实现机械化起底、降低工人劳动强度，同时铲装车能够对溜槽及其他小部件进行快速吊运，吊运过程可实现自锁，防止小部件移动和摆动，放在安装的位置并能调整方向，机架下的拉底链机构，可以拉动刮板运输机的底链，对溜槽进行快速拆卸装车，使安装和拆卸溜槽时省时、省力。

矿用多功能铲装车外形见图3.2，该机主要由机架部件、铲板部件、旋转部件、吊臂、旋吊机构、行走部、后支撑部件、前支撑部件、撑顶油缸、电缆挂架、电气系统、液压系统等部分组成。

3.3 矿用多功能铲装车使用流程及工艺

①铲装车割底后，底板要保证平整，两帮要刷齐，割底后巷道高度不小于3.5米。

②每次铲装车割底长度达到2米时，要及时查看原支护质量，如果发现有钢带断裂，锚杆、锚索失效以及有滚帮等危险时，闭锁开关进行处理（若采取顶板补打加强锚索，帮部放下鼓帮煤重新挂网补打锚杆等措施），由安检员与跟班队干确定施工地点无安全隐患后，方可继续作业。

③支棚段割底期间，铲装车司机要掌握好截铲板与棚腿之间的间距，不得在割底过程中使铲板扫到棚腿（棚腿底端要预留200mm的保护台阶），且割底时需以2米进度为一个循环，对棚梁、棚腿进行加固（在距棚腿下端0.2米和1.8米的位置上分别用2米槽钢与锚杆配套压住棚腿；距棚梁两端头1米的位置上分别用2米槽钢与锚索配套压住棚梁）。

④铲装车前方的支棚段棚梁变形、棚腿踢出严重及其他地段的顶板有冒顶危险时，需先进行挑顶或补打锚索加强支护后，方可继续进行割底作业。铲装车割底后的顶板若出现顶板破碎、下沉严重，挑顶作业进度无法及时控制顶板时，需提前根据顶板情况补打锚索或支护木柱加强支护，也有效控制顶板，防止冒顶事故发生。

⑤在施工作业过程中，若出现桥式皮带落道等情况需进行起吊作业时，要用5T倒链起重链将作业地点的桥式皮带等重物捆绑承挂于专用的起吊锚索上，方可进行作业。

⑥在掘机前后40米范围内对顶、帮维护及清理杂物时，掘进机截割头要落地，并闭锁开关；其他作业地点需要同时作业时，必须保证距掘进机作业地点的安全距离大于40米。

3.4 新旧工艺工效对比

人工使用风镐进行起底作业，单班销耗人员较多、工效较慢，尤其是在巷道急需投入使用时，不能尽快有效的进行起底作业，将会制约工作面的正常生产。采用多功能铲装车施工作业，从巷道起底到综采设备的辅助安装等工作可以全部实现了机械化施工和安装，大大提高了单位时间工作效率，节省了人工和时间。

矿用多功能铲装车能够快速的推进整巷施工进度，比人工进行巷修作业更加高效、安全，且巷道成型、安全生产标准化程度高，可以有效缓解采掘衔接紧张造成的生产接替困难。矿用多功能铲装车形成了多功能、新一代的中部槽搬运设备，设计新颖、针对性强、有自己的独创性，具有安全可靠、牵引力大、铲装灵活、行走便捷、操控简洁等特点，在解决煤矿井下综采配套短板设备方面没出了可贵的一步。

4 结语

矿用多功能铲装车实现了高应力工作面底臌治理、中部槽拆装运“一机多用、一机多动”的功能，同时该设备外形尺寸不大，可自行走、爬坡能力强、可连续运输，操作简单、作灵活、容易适应不同的環境、地点、避免了安装和拆卸过程中的安全隐患，矿用多功能铲装车针对性强，成功解决了高应力底臌工作面综采设备安装的难题，在提高煤矿井下机械化程度方面迈出了可贵的一步。从试用样机的情况看，已经可以节省劳动力四分之三，提高工作效率一倍以上。待操作工对设备使用熟练后，工效还会成倍提高。在底臌治理和综采工作面快速安装、拆卸中部槽方面值得推广应用。

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作者简介：李霞（1986），女，山西大同人，2010年毕业于山西大同大学，现于太原理工大学就读在职研究生，工程师，就职于山西大同煤矿集团生活污水处理分公司。