巷道修复机在赵庄煤矿井下水仓开挖中的应用

李旭涛，郭建卫，史 超

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

井下水仓是防止煤矿水灾确保煤矿安全生产的重要设施，用于矿井水外排的缓冲存储，暂时容纳矿井在开采过程中所出现的涌水和工程用水，防止排水设备发生故障或突然大量涌水时发生水灾，同时还能够沉淀水中的固体颗粒，净化水质[1-2]。但是，煤矿水仓开挖却一直是矿山的一大难题，以往人工开挖既费时费力、效率低下，而且易引起片帮等不安全因素。随着矿井机械化水平的不断提高，用高效的机械装备开挖井下水仓是煤矿发展的必然趋势。

1 巷道地质条件

晋煤集团赵庄煤矿3号煤煤层平均厚度4.5m,倾角5°～10°，采深400～500m。煤层直接顶以砂质泥岩和粉砂质泥岩为主[3]，厚度2.3m，强度主要集中在26.4～35.2MPa之间，单轴抗压强度较小。基本顶为细粒砂岩，厚度4m，坚硬，单轴抗压强度73.2MPa。煤层直接底为黑色泥岩，薄层状，水平层理发育，其下是砂岩，中厚层状，具有水平层理[4]，具体地质情况见表1。

根据矿方生产要求，修复机水仓开挖施工在3号煤北辅运七横川内进行，该巷道为矩形断面，高度4250mm,宽度4800mm,巷道断面20.4m2，巷帮挂设有动力电缆，巷道左侧地面铺设刮板输送机。水仓要求开挖长×宽×高=30m×4.8m×3.2m，为防止出现安全事故，要求边开挖边采用锚网锁具支护。

表1 3号煤顶底板地质情况

2 修复机简介

修复机是一种集凿、挖、运、装于一体的煤矿巷道修复治理施工设备，具有机身窄、解体性好、集成度高、技术性能先进、工艺适应性强、移动搬迁方便等优点，并且液压系统采用LUDV(负载独立流量分配)控制系统，可保障多工作机构的协调运动，操作灵活方便，主要用于巷道修复施工[5-6]，并且，修复机改变了国内巷修设备在工作过程中反复更换挖斗和破碎锤以及在施工过程中多台设备互换工序等造成效率低下的问题。

图1 修复机结构示意

修复机外形结构如图1所示，主要由液压系统、运渣装置、行走机构、操作室和工作机构组成[7]，具体技术参数见表2。

表2 修复机主要技术参数

2.1 液压系统

液压系统是修复机的动力源，由电动机、串泵组、油箱、冷却器等组成。具有交叉传感恒功率控制方式，能感知压力的变化,自动调节相应泵排量，具有抗流量饱和特性，确保各执行机构按比例动作，系统稳定，节能性好，功率损耗低，发热量小。

2.2 运渣装置

运渣装置包括：一运刮板运输装置和二运胶带转载机构。一运刮板运输装置由运输槽、调角油缸、刮板链条及液压马达组成[8]。二运胶带转载机构主要由连接机架、托辊、滚筒、张紧机构、矿用阻燃胶带及液压马达组成,具有结构紧凑、机动性强、运矸平稳、调角范围广等特点。

2.3 行走机构

行走机构采用接地比压小、适应性强、方便灵活、使得整机爬坡、转弯、行走方便灵活的钢制履带行走式底盘。

2.4 操作室

操作室根据人机工程学设计，操作舒适，保护操作人员的作业安全。采用液压先导控制技术，操作灵活简便，有效减小液压阀块占用空间，提高操作人员的活动空间及视野。

2.5 工作机构

工作机构由大臂、小臂、挖斗、破碎装置、各动作油缸及相关液压胶管组成。各结构件之间采用销轴连接，关节轴套采用特殊耐磨缸套，便于维修更换，转动灵活，无卡滞。而且，将破碎锤集成到斗杆上，通过油缸给进和收缩，实现挖掘装运的同时连续进行破碎作业，减少辅助时间，提高施工效率。

3 现场应用

3.1 水仓开挖

根据矿方生产要求，水仓开挖深度约3.2m，因此，技术人员依据3号煤北辅运七横川煤层地质分布情况，采用逐层剥离,逐层锚固、逐步深挖，一运刮板运输装置及二运胶带转载机构协调出矸方式进行施工作业，修复机具体工作流程如图2所示。

图2 修复机工作流程示意

当第一层开挖完成后，需对巷帮进行锚杆支护，支护完成之后进行第二次开挖，然后再次进行锚杆支护，经过3轮连续施工作业，即完成开挖工作，如图3所示。

图3 修复机水仓开挖施工示意

3.2 支护形式

根据赵庄矿地质条件，结合巷道支护设计原则及方法[9]，采用以下锚杆、锚索及钢筋网等组合支护系统。

锚杆采用φ22mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2400mm，锚杆尾部螺纹为M24，排距1500mm，间距950mm,树脂加长锚固，1支K2335，1支Z2360，钻孔直径28mm,锚杆锚固力不小于150kN，预紧力不小于400N·m。

锚索采用φ22-5400mm高强度低松弛预紧力钢绞线、锚索距顶，底板分别为800mm,1500mm,排距1500mm;加长锚固，3支树脂锚固剂，1支K2335，2支Z2360，锚索预紧力不小于250kN。

钢筋网采用φ6.5mm钢筋焊接而成，网孔100mm×100mm,网片规格2700mm×1650mm,钩结长度150mm,每排2片，巷道断面特征及支护形式如图4所示。

W型钢带规格：宽100mm，长4500mm，厚7mm。

3.3 应用效果

修复机自2017年4月19日开始施工作业，于4月23日完成水仓开挖施工作业，除去设备故障，实际修复机连续作业约40h，共挖出矸石约460m3，平均出矸11.5m3/h。此前，赵庄煤矿水仓开挖大多数采用人工开挖方式[10-11]，此次，采用修复机进行水仓开挖尚属首次，人工开挖与修复机开挖参数对比如表3。

图4 锚杆锚索支护示意

人工水仓开挖修复机水仓开挖适用条件无限制巷道高度、宽度满足修复机要求所需设备风镐、刮板输送机修复机、刮板输送机出渣方式人工转矸至刮板输送机一运、二运连续出矸所需人数/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，采用修复机进行水仓开挖明显优于人工水仓开挖，并且随底板硬度增加，修复机水仓开挖优势更为明显，更为重要的是修复机水仓开挖需求人数少，人身安全更有保障。但是2种开挖方式各有优缺点，人工开挖适用条件广，但劳动强度大，工作环境恶劣，效率低下，修复机开挖人工劳动强度小，作业环境好，但是前期投入及各方协调工作量较大。

4 结 论

(1)修复机主要用于巷道修复治理施工，用于煤矿井下水仓开挖施工作业尚属首次。且平均出矸效率约11.5m3/h，相比较人工水仓开挖施工，该段水仓开挖施工节支18万元。

(2)比较发现，修复机开挖效率优于人工开挖，人均方量达到5.75m3/h，是人工开挖效率的10.3倍。

(3)根据现场施工特点，总结出一套利用修复机进行煤矿巷道水仓开挖并补打锚杆锚索施工作业的工艺，为类似条件下煤矿巷道水仓开挖施工提供借鉴。