固体充填开采沿充留巷机械化设备与工艺研究

刘建功，封明明，荆保平，杨晓成，王毅颖，史艳楠，赵家巍

(1.河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北省煤炭生态保护开采产业技术研究院，河北 邯郸 056038；3.山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600；4.华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000；5.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

充填开采技术以保护生态环境、保护地面建筑物和处理煤矸石为原则，在获取煤炭资源的同时，主动保护生态环境和基础设施，减少地面沉陷，对生态环境的扰动降低至最小[1]。目前固体充填开采对于长工作面、两侧不留巷的情况下较为有利，导致区段保护煤柱损失，增加巷道掘进量。为了进一步提高资源回收率，减少煤矿生产成本，如何在充填采煤过程中实现沿空留巷是一项重要课题。对此许多学者对做出深入研究。文献[2]在综合机械化固体充填采煤工作面条件下，采用矸石袋堆砌巷旁支护联合巷内加强组合支护实施沿空留巷。文献[3]通过分析固体充填沿空留巷技术存在的不足，提出了固体充填沿空留巷矸石带与充填体注浆加固形成联合巷旁支护体，进一步改善了固体充填留巷技术在深部充填开采条件下的不足。文献[4]通过建立厚硬顶板下充填开采沿空留巷结构力学模型，分析指出提高采空区充实率是控制固体充填留巷变形的主要手段。文献[5，6]针对葫芦岛素煤矿充填开采沿充留巷进行了挡矸系统设计，以巷旁支护、临时挡矸和巷内联合支护3个方面进行围岩控制。文献[7]提出了固体充填采煤沿空留巷新的“承重岩层-充填体-巷旁支护体-巷内支护体-煤体”稳定协同承载结构并分析了其组成要素的支护特性。国内许多专家学者对综合机械化固体充填开采面沿空留巷方式、留巷支护方法工艺以及采空区充实率对留巷的影响做了深入研究，但关于固体充填工作面留巷机械化装备的研究较少。

针对沿着采充区边缘直接对矸石固体材料进行注浆加固，形成一定宽度的高强度巷旁支护体，与密实充填体、侧向实体煤以及巷内支护体协同控顶、维护巷道的固体充填沿充留巷方法[8]，设计了一种“机械化挡矸模板+轨道式随架前移平台”的模块化循环前移式的机械化沿充留巷装备。挡矸模板使散体充填材料在支架推实机构推压下完整成型，同时移动平台实现模板的机械化循环前移，解决了人工搬运，支护作业劳动强度大的问题。沿充留巷专用装备实现了留巷作业与充填作业协同，具有广阔的应用前景。

1 固体充填开采沿充留巷技术

1.1 固体充填开采技术

固体充填开采技术，是将井下巷道掘进和煤炭开采过程中产生的煤矸石，以及地面洗选过程中产生的矸石做为骨料，利用破碎机机械破碎后，配以燃煤电厂主要固废材料粉煤灰和矿区黄土等辅料做为充填材料。采用固体充填材料返井运输系统和固体材料井下输送系统将充填材料连续输送至工作面，加水、搅拌后利用刮板输送机输送至固体充填液压支架后方。充填材料通过充填刮板输送机卸料孔直接充填入顶板未冒落的采空区内，然后利用固体充填液压支架推压装置将矸石材料推实[9-12]。

1.2 固体充填开采沿充留巷技术特点

传统垮落法沿空留巷采用切顶卸压。工作面回采期间，在采空区靠巷道一侧进行充填形成条带。在直接顶自重以及充填体早期强度产生切顶力作用下，采空区顶板与巷道顶板沿充填带断裂。随着工作面的推进，采空区顶板达到极限抗拉强度发生断裂和垮落并伴随周期性的矿压显现象[13-15]。固体充填开采沿充留巷采用护顶控压。由于采空区充填体对上覆岩层起到了支撑作用，使得顶板变形较小，覆岩移动较缓和，充分利用了充填开采减压降沉的功能。根据固体充填采煤顶板运移规律[16]，当充填率达到一定条件后直接顶不会产生断裂和贯穿性裂隙，仍然保持连续特征，形成连续曲形梁，持续地将上覆岩层压力持续地传递至工作面前方煤壁和后方压实的充填体上，减小了支承应力分布范围和峰值，初次来压和周期来压现象不明显[17，18]。

2 沿充留巷专用装备

2.1 三段式挡矸液压模板

在进行充填开采时，矸石本身由于重力作用产生重力侧压力，在充填支架夯实压力作用下，又增加了机械夯实侧压力，在这些力的作用下充填体流入巷道导致巷道不完整，墙体不稳定，影响充填率。以往采用“木点柱+金属网”进行采空区挡矸及临时支护，该挡矸支护方式影响回采速度、支护强度较低，安全隐患较大。为解决上述问题研制沿充留巷挡矸液压模板，该挡矸液压模板在留巷作业中的主要设计要求：①临时支护、挡矸并隔离采空区，形成安全作业空间；②煤矿井下环境复杂狭小，要求设备结构简单可靠，便于运输，避免故障率高和不易维修；③模板的使用能与充填开采装备在时间和空间上密切配合。

针对以上问题挡矸液压模板主要由三段挡板和支撑系统组成，挡板用于阻挡巷旁充填体进入巷道，支撑系统用于调整稳定挡板高度以及临时承受顶板载荷。挡板分为上、中、下挡板，采用套接方式连接在一起，收缩状态下体型小可在狭小的空间自由搬运。模板利用移动平台实现循环前移，4个模板为一组，随着工作面的推进循环使用实现与充填开采装备在时间与空间上密切配合。

设备主要技术参数：型式为二级伸缩，高度为1800～3800mm，宽度为1200mm，最大厚度为451mm，重量约为2.5t/件三段式液压挡矸模板总体结构如图1所示，其主要特征：①采用三层挡板设计，在收缩状态下极大减小模板体积以便于在狭小的工作区域内自由运输；②模板用千斤顶控制其高度。当模板处于收缩状态时，上、中、下模板互不干扰。当模板达到最高位置时，上、中、 下模板仍有互相搭接重叠部分，实现不同状态下全封闭挡矸；③模板两排伸缩梁千斤顶由内而外竖直布置，中间两个千斤顶放置在挡板内部，两侧千斤顶放置于挡板外部，保证挡矸模板稳定性的同时减小了模板水平方向的长度。

图1 三段式液压挡矸模板总体结构

2.2 关节式液压机械手

由于模板的搬运在井下巷道内工作空间狭小环境恶劣，要求搬运装置结构简单紧凑、占地面积小安全性强。为了保证挡矸液压模板能够快速稳定的移动，根据液压支架模板的特征结构和循环前移式的搬运方式，研制了与其配套的移动平台，既实现了快速立模和移模又降低了工作人员的劳动强度。

挡矸液压模板移动平台处于巷道内靠采空区侧，主要由轨道和机械手组成。模板的抓取主要依靠移动平台上的关节式液压机械手。其搬运模板水平距离可达到770mm，足以实现模板的搬运。

关节式液压机械手结构如图2所示，其主要特征：①设计为对称结构由两个单独的关节式机械手构成，通过钢板连接，整体结构紧凑，承载能力强，可实现稳定的搬运模板支架；②在机械手设计中采用液压驱动力抵消支架产生的重力矩达到平衡，液压驱动力大而且稳定满足模板液压支架搬运工作需求。

图2 关节式液压机械手结构(mm)

2.3 沿充留巷装备模拟仿真分析

图3 机械手样机模型

为了判断挡矸模板支架与机械手结构设计和设计参数的合理性，采用ADAMS模拟机械手抓取和放回挡矸模板过程，对机械手进行多体运动学特性仿真分析。机械手三维模型如图3所示。在ADAMS软件中对机械手进行材料设置、添加约束和驱动等操作，参数设定为：模拟时长8s，仿真步长500，选用Kinematic Simulation模板进行运动学特性仿真，得到其负载状态下机械手末端位移与速度随时间变化曲线和升举千斤顶驱动力随时间变化曲线，如图4、图5所示，其中实线为末端速度曲线，虚线为末端位移曲线。末端速度与位移变化趋势较为缓慢，没有出现突变，F1、F2分别为底座处和前连杆处升举千斤顶驱动力变化曲线。升举千斤顶驱动力曲线平稳无剧烈变化，满足了机械手规划路径连续性和平稳性的基本要求。

图4 械手末端位移与速度时间变化曲线

图5 举千斤顶驱动力时间变化

针对挡矸模板抗压能力采用ANSYS Workbench进行整体静力学分析。根据井下施工要求，挡矸模板自立强度需要1MPa。在ANSYS Workbench中对挡矸模板施加约束条件和受力，整体约束为下挡板处底面位置施加一个固定约束，在上挡板顶面位置施加1MPa应力。通过仿真分析可得挡矸模板整体应力和变形云图，如图6所示。通过仿真结果可得，挡矸模板在抗压条件下，最大变形放生在上模板顶部附近，变形量约为1.7mm，整体变形量较小。最大应力在上模板顶部和下挡板底部附近，应力值为99.816MPa小于结构钢屈服应力。综上所述挡矸模板抗压能力符合要求。

图6 挡矸模板静力学分析

3 固体充填开采沿充留巷工艺

3.1 留巷装备组成及位置

根据固体充填开采沿充留巷工作原理，沿充留巷专用装备主要包括：挡矸液压模板、关节式抓举机械手、移动平台。沿充留巷装备布置如图7所示。

图7 留巷装备布置

留巷支架位于运输巷内部，通过液压缸与工作面输送机连接。循环前移式液压模板4架一组在基本架后方，采空区边缘，临时支护采空区顶板并隔离正在充填的采空区。移动平台与留巷支架连接为一个整体实现移动。关节式机械手安装至移动平台上，通过牵引液压缸连接平台一端，实现机械手在移动平台上的移动。

工作面进刀后，推溜、移架，回采工作面后方形成采空空间，推进一定距离时，可安装移动平台。机械手搬运模板过程如图8、图9所示，将抓手通过抓举千斤顶调节至张开状态，抓取第1液压支架模板，抓取后通过移动平台上移动至采空区巷旁充填外侧合适位置，模板充液自立。待工作面再次推进一个模板的距离后进行第2模板移模立模过程，以此类推，四个液压支架模板为一组。待完成一组液压模板立模后，可将第一模板移动至第4模板之后，以此实现模板支架的循环使用。

图8 液压模板循环搬运

图9 机械手搬运模板过程

3.2 固体充填开采沿充留巷注浆工艺

沿充留巷过程中充入采空区的充填体时以矸石为主的散状固体充填材料，为防止模板撤离后充填材料的散状特性显现，发生滑落，对矸石充填材料注浆，将散体改性为胶结性较好的固体材料，使充填材料形成平整可靠的巷道壁[19，20]。注浆通过模板上留设的注浆孔利用锚杆钻机将自进注浆锚杆钻进开始注浆，模板中注浆孔初步定为2列7行水平间距为0.5m，竖直间距根据工作面高度的不同可做调整。在注浆过程中，根据实际注浆效果进行参数调整，每循环注浆工作结束后，必须用清水将注浆管路的浆液冲洗干净，以免浆液在管路静置凝结充填体成型后模板通过搬运装置搬运，移走后再打单体护帮待浆液凝固后安装锚杆托盘和螺母，沿充留巷注浆工艺如图10所示。

图10 沿充留巷注浆工艺

4 结 论

1)沿充留巷是一种适用于固体充填开采的新型留巷技术具有固体充填开采工作面矿压显现不明显、对地面环境扰动小的特点，且施工简单，结合机械化专用装备减轻工人劳动强度，实现高效留巷。

2)基于沿充留巷技术特征和巷旁充填支护挡矸实际要求，设计“三段式液压挡矸模板+随架前移式轨道+关节式液压机械手”整套装备并介绍了装备的结构特点，根据ADAMS模拟仿真结果，机械手结构设计合理，通过ANSYS分析，液压挡矸模板可在1MPa压力下正常工作。