矸石充填工作面运矸皮带机尾部适应性改造

高浦

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

0 引 言

煤矿充填开采是主动减少采煤造成地面沉降的方法，但多年来受装备、技术、成本等客观条件制约，尤其是应用在不间断充填开采的矿井更是少之又少。冀中能源股份有限公司邢东矿自2002 年起经过20 多年持续的考察调研，不仅在全国率先完成了包括巷道充填、高水充填和矸石充填的技术研究，还经过不断的技术和设备进行优化和改良，于2021 年实现了矿井全面智能化充填开采，形成了基于材料研发、装备革新、工艺升级的充填开采研发与实践示范基地，目前取得较好的经济效益和社会效益[1-9]。

邢东矿自2002 年首次提出，由巷道式矸石充填开采技术处理井下矸石，2011 年提出井下采、选、充一体化构想，开展了综合机械化矸石充填开采工程实践[10]，2019 年在充填开采理论与技术体系建立的基础上，提出区域性矸石处置的智能化矸石充填开采构想，并于2021 年初步实现了矿井全域连续智能化充填开采，形成基于材料研发、装备革新、工艺升级、不断实践的充填开采研发与实践示范基地。

1 工作面概况

12212 工作面是邢东矿一水平二采区第三个采煤工作面，也是首个矸石充填开采工作面，位于1200 集中运料巷以东、断层SF90 以南和井田边界以北之间，工作面以西是1200 集中运料巷和1200集中运输巷。

12212 工作面主采2 号煤层，标高-841—-749 m，走向长463 m，倾斜长55 m，工作面平均推进长度427 m，煤层厚度4.4 ～4.9 m，平均厚度4.58 m，煤层平均倾角11°，可采储量11.9 万t。

2011 年该矿首次提出井下采、选、充一体化构想，并开展了综合机械化矸石充填开采工程实践，2012 年9 月，12212 矸石充填工作面顺利圈出，作为邢东矿首个矸石充填工作面，也是我国首次使用采高为5 m 的一体式矸石充填支架，为今后该矿矸石充填系统的改造和矸石充填工艺的优化提供了宝贵的经验，对该矿矸石充填技术的改良有着重要意义。

1.1 储、装、运系统

储装运系统由翻罐笼、40 t 溜子、破碎机、梭车、临时砟仓、650 皮带等组成。首先将矸石装罐运往1200 集中运料巷翻罐笼处，再经翻罐笼翻砟进入底部40 t 溜子并运往破碎机进行破碎，破碎后的小粒径矸石储存到梭车和临时砟仓内，梭车和临时砟仓储存满后（梭车储存矸石能力25 m3，临时砟仓储存矸石能力70 m3），使用扒岩机将矸石扒到650 皮带（后简称“运矸皮带”“抛矸皮带”） 输送到工作面进行充填，如图1 所示。

图1 12212 矸石充填工作面储装运系统示意Fig.1 Storage and transportation system of No.12212 gangue backfilling face

1.2 矸石输送

在实际的使用过程中，初期阶段该矿利用运矸皮带输送矸石卸载到抛矸皮带，再使用抛矸皮带运至架后充填，使用过程中发现诸多弊端，如抛矸皮带骨架用料单薄强度不足，出煤时整架皮带向外拖移困难，结构复杂且所使用的电滚筒备用件少不利于检修维护等，严重影响出煤效率。

为了解决抛矸皮带出现的各种问题，经技术研讨提出将原有的运矸皮带和抛矸皮带合二为一，对运矸皮带机尾进行了适应性技术改造，研制、加工出了1 套运矸皮带尾部组件，使矸石直接通过带式输送机运输至支架后部的刮板输送机上，去掉抛矸皮带，降低了人工成本，提高了生产效率，矸石充填原理示意如图2 所示。

图2 矸石充填工作原理示意Fig.2 Work principle of gangue backfilling

2 运矸皮带改造

2.1 结构改造

运矸皮带机尾组件主要由2 部分组成，一是吊挂式皮带机尾，二是落地缓冲架。2 部分由普通皮带纵梁进行连接，用于支撑顶皮带，底皮带空载，不设支撑。

吊挂式皮带机尾，由3 节组成，两节之间用φ22 mm 的加强螺丝进行连接。第一节的端头搭接固定于后部刮板运输机，第一二节间、第二三节间、第三节后端头分别用铁链吊挂于支架上。第一节主要用于固定和调节皮带滚筒，由20 mm 厚的铁板制成。将第一节两侧铁板开豁口，皮带滚筒放置在豁口内。在豁口内滚筒两头可以独自前后滑动，用于调节皮带跑偏。第二节由10 号槽钢构成，顶皮带由皮带缓冲辊托起（该种皮带缓冲辊原用于带式输送机重型机尾上），底皮带由普通皮带底辊托起。第三节与第二节结构基本相同，逐步放大顶底皮带的间距，使之与普通皮带H 架相适应。

落地缓冲架为一个整体，高度稍高于普通皮带H 架。其上部纵梁是一整根开口向上的8 号槽钢，这样设计是为了让皮带纵梁可以在槽钢内自由滑动。落地缓冲架上下纵梁上分别焊有可以固定普通皮带顶底辊的卡槽（图3）。

2.2 工作原理

（1） 在矸石充填过程中，由于省去了1 台抛矸皮带，因此在运输矸石的时候，直接由1 条皮带运送矸石至支架后部的刮板运输机上，省去了中间环节。

（2） 采煤过程中，由于吊挂式皮带机尾固定在支架上，因此会随支架一排一前移，固定在皮带机尾上的纵梁也是一排一前移。这样只需将落地缓冲架加长就可增加其预留量，从而减少移动落地缓冲架的次数。提高出煤效率，在采煤过程中显现出其优越性。

12212 工作面每循环推进2.1 m（采煤机截深为0.7 m，每循环产煤3 刀），在运矸皮带设计初期，参照皮带纵梁长度4 m，皮带机尾第三节和煤壁的距离2.5 m，每个生产循环采煤2.1 m，再考虑到地质条件的不确定因素，所以将落地缓冲架的梁设定为4 m。这样就可充分保证皮带纵梁在槽钢内可以滑动一个循环，即一个产煤循环只需将落地缓冲架前移一次。并且在采煤过程中只需将皮带松弛，待落地缓冲架前移后再将皮带张紧，整个过程皮带基本保持原样，恢复起来相当容易。

2.3 内部小件

为了加强皮带在皮带机尾部运转时的稳定性，在吊挂式皮带机尾内部加工了诸多小件。同时，为了保证带式输送机在运转过程中不跑偏，在吊挂式皮带机尾第一节内、第三节端头和落地缓冲架前端分别加设了防跑偏辊，由于顶底皮带前后间距不同，分别使用了普通皮带顶辊中间节和普通皮带底辊。同时，将机尾滚筒轴两端和2 个小千斤顶连接，这样就可以迅速调节机尾滚筒状态，调整皮带防止跑偏。

为了保证在皮带运行过程中，底皮带不会因皮带过紧而掀起，在机尾的前两节中各加设1 个压带辊，在机尾的第三节中加设2 个压带辊。

为了有效清理附着在皮带上的矸石碎渣，在机尾滚筒正下方，设计了1 个可配合皮带使用的条状清扫器。在之前使用抛矸皮带时发现，皮带底辊上也会附着矸石碎渣。为了解决这一问题，该矿调节了底辊和横梁的固定位置，让底辊和横梁的间距很小，使底辊在旋转过程中就将附着其上的矸石碎渣，在横梁上刮蹭下来。经过实际的实验，二者间距2 cm 为宜，过大则起不到刮蹭矸石碎渣的作用，过小容易因加工精度不足而使两者相互磕绊。

由于这套皮带机尾部组件横跨工作面，人员需要在其下来回经过，所以在设计时，在吊挂式皮带机尾底部加设挂钩，必要时可以加设护网，防止掉落矸石伤人。

矸石充填运矸皮带机尾成果如图4 所示。

图4 矸石充填运矸皮带机尾成果图Fig.4 Transformation results of gangue filling conveyor belt

3 应用效果

改造后皮带机尾部组件的优越性主要体现在以下4 个方面。

（1） 由于设计时就考虑到带式输送机和产煤的关系，该套皮带机尾部组件可以做到一个循环拉移一次设备，甚至多个循环拉移一次设备，有效地提高了产煤效率，降低了劳动强度。

（2） 由于省去了1 台设备，降低了设备检修压力、备件储备压力、电源负载压力，同时由于省去了1 个皮带司机和1 个皮带机尾部看护工，也减少了施工人数，提高了施工效率。

（3） 系统简洁，结构简单，2 个组件分工明确，原来的抛矸皮带拉移一次需要5 人配合，现在如果有绞车2 个人就可以完成拉移工作，即便没有绞车，4 人抬着，也可以完成该项工作。

（4） 皮带机尾部组件，易于加工，用的均是普通的槽钢、铁板、通用的皮带零部件，只需要电焊和气割即可完成加工。目前正在使用的这套皮带机尾部组件整体的加工费用仅为1 万余元。

4 经济效益

按照每天1 个班充填，每天节省检修用工、运转工各1 个，全年预计可充填300 d，预计节省人工费用：2 工/d×200 元/工×300 d=12 万元；按照每天1 个班充填6 h 计算，节省1 部抛矸皮带，节约用电6 h×80 kW=480 kW·h，按照每度电0.5元计算，180 天节省电费480 kW·h×0.5 元/kW·h×180 d=4.32 万元。

安装1 部抛矸皮带（800 胶带输送机） 所需人工费用约为8 000 元/台。

按照以上计算，对运矸皮带机尾改造完成后，预计每年可节约资金17.12 万元。

5 结 语

目前，邢东矿矸石充填工作面已实现自动化集中控制管理，在我国已处于遥遥领先的位置，面对当前煤矿行业日益严峻的环保压力和巨额的安拆费用，充填采煤工艺依然具有广阔的发展空间，仍然需要在日常的充填开采工作中不断的发现问题和解决问题。此次运矸皮带机尾部适应性改造正是在这一过程中发现并解决的重大难题，也是众多攻坚克难环节中至关重要的一环，近年来该皮带机尾部组件运行良好，其应用有效地提高了整个矸石充填工作面的产煤效率，为邢东矿今后的矸石充填各项工作的改革创新提供了巨大的参考依据，也为该矿更快更好的实现矸石充填工作面的自动化进程奠定了坚实的基础。