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★ 科技引领 ★

智能化快速撤架配套技术的研究与应用

王自卫,刘 阳,刘建平

(晋能控股煤业集团综采装备安装分公司,山西省大同市,037001)

摘 要 分析了回撤工作面中传统的撤架工艺流程及其存在的工艺缺陷,为了解决传统撤架工艺中存在的绞车钢丝绳断裂、掩护支架移动困难、撤架效率低以及三角区顶板维护差等难题,创新研究了停采支护、掩护支架自移、回撤支架以及三角区支护智能化快速撤架配套技术,并详细阐述了相关技术内容及其技术优势。通过在晋能控股煤业集团同忻煤矿的实际应用表明,智能化快速撤架配套技术节省了人力、提高了撤架效率、降低了安全隐患,对实施无人化撤架作业具有重要意义。

关键词 回撤工作面;掩护支架;撤架技术;三角区支护;坚硬顶板

在千万吨级煤矿综采设备的回撤过程中,液压支架的安全顺利撤出是整个工程的重要组成部分,而撤架期间掩护支架的移动、撤架工艺以及三角区的顶板维护又是液压支架回撤的关键[1]。因此,改进撤架配套技术对设备的安全回撤以及提高工作效率具有重要意义。

1 传统撤架工艺流程及其存在的缺陷

1.1 传统撤架工艺流程

在传统撤架工艺流程中,主要撤架步骤如下:

(1)根据回采工作面开采情况,提前设定停采线并制定停采支护方案[2]。工作面停采后,按照停采支护方案进行施工,为工作面设备的后期回撤创造良好支护条件;

(2)搬家队伍接收回撤工作面后,进行工作面停采验收,并对支护薄弱地方进行及时整改;

(3)将进风巷的带式输送机、设备列车、转载机、破碎机、端头支架、前后刮板输送机等依次撤出;

(4)将工作面尾部的2~3架液压支架依次调向,布置为双掩护支架或三掩护支架;

(5)在工作面中部位置布置一台回柱绞车,在靠近煤帮的掩护支架底座上固定一个定滑轮,将回柱绞车钢丝绳绕过定滑轮与被撤支架底座连接固定[3]

(6)将被撤支架降下,操作回柱绞车将被撤支架横向撤出;之后回柱绞车钢丝绳脱离定滑轮,将被撤支架调向拉出至装车位置;

(7)每撤出1架液压支架后,及时对三角区域顶板进行“木垛+钢梁”临时支护。

(8)至此完成1架液压支架撤架循环,依次进行其他液压支架撤架施工,直至工作面液压支架全部撤出。

1.2 传统撤架工艺存在的缺陷

传统撤架工艺存在顶板维护差、安全隐患多、撤架成本高等主要缺点,具体如下:

(1)在传统千万吨级煤矿综采工作面撤架过程中,对撤架空间顶板的支护方式通常采用双掩护支架或三掩护支架支护[4],掩护支架架间距较大,对顶板支撑效果较差,顶板易下沉;

(2)传统撤架方式仍然使用回柱绞车进行撤架,撤架效率低,且钢丝绳断裂风险大;

(3)传统撤架方式对三角区空顶通常不支护或者采用“单体+木垛”方式支护,该方式会造成掩护支架上覆顶板支护强度不足,需要在紧随掩护支架后方搭设大量木垛进行支护,特别是三角区空顶面积较大,易造成顶板下沉、采空区压力涌现甚至发生漏煤事故[5]

(4)传统撤架方式支护成本高,单体回收困难,人员作业风险隐患较大。

2 智能化快速撤架配套关键技术

针对传统撤架工艺存在的问题,晋能控股煤业集团综采装备安装分公司提出了智能化快速撤架[6]配套技术方案,该技术方案涵盖了“停采支护、掩护支架自移[7]、回撤支架、三角区支护”4项关键性技术,通过对这4项关键性技术的应用,能够解决传统撤架工艺暴露出的顶板维护差、安全隐患多、撤架成本高等难题。

2.1 停采支护技术

2.1.1 技术方案

(1)当回采工作面推进到距离停采线 17 m 时,开始沿工作面顶板从头至尾连续铺设两块123 m 聚酯纤维柔性网[8], 柔性网规格为 JD PET900×800 MS。

(2)在支架主顶梁位置共安装7排支护,包括2排“6.3 m锚索+两眼工字钢” 、1排“铅丝吊挂工字钢”以及4根“Φ15.875 mm钢丝绳”。

(3)在扩刷机道位置共安装8排支护,包括5排“2.8 m锚杆+钢带”、1排“8.3 m锚索+钢带”、1排“组合锚索”、1排 “8.3 m锚索+二眼工钢”(注:由于工作面液压支架型号为ZF21000/27.5/42,支架长度较ZF15000/27.5/42型支架长,故机道宽度由原来的6.25 m扩宽至7.1 m,因此机道支护增加1排“2.8 m锚杆+钢带”支护)。

2.1.2 技术优势

采用新型支护技术后,节省了大量支护材料,同时实现了有效支护强度,使得采空区顶板能够及时垮落,避免以往大面积空顶的风险。支架主顶梁上方改成钢丝绳支护,可以配合支架间的纵向钢丝绳形成经纬网,并能够有效支撑聚酯纤维柔性网,控制三角区的网包。工作面顶板柔性网应用现场如图1所示。

图1 工作面顶板柔性网应用现场

2.2 掩护支架自移技术

2.2.1 技术方案

(1)待工作面尾部过渡支架撤出后,及时安装封口木垛。选用过渡支架之后连续4个普通支架作为掩护支架(重新标号为1号、2号、3号、4号),1号掩护支架靠采煤帮侧(距煤帮0.5 m),2号、3号掩护支架位于中间,4号掩护支架位于靠采空区一侧,四掩护支架的架间距为0.5 m;

(2)将两段推移横梁摆放至2号、3号、4号掩护支架前部,并将其相互铰接,安装铰接销;

(3)依次使用T型连接板将四掩护支架与推移横梁连接,并安装固定销;

(4)将电控箱固定在1号掩护支架内部,并做好防护措施;

(5)由电控箱引出的4路主线依次与1号、2号、3号、4号掩护支架对应电磁阀组[9]接通,并做好调试记录。

2.2.2 技术优势

采用掩护支架自移技术后,四掩护支架手动操作方式改为遥控操作方式,通过推移横梁实现掩护支架自移和掩护支架架间距行走。撤架机构能够实现6 m的撤架距离,一次性撤出能够节省时间,提高撤架效率。作业期间全程通过遥控控制,不仅提高了工作效率,而且降低了安全隐患。四掩护支架推移横梁应用现场如图2所示。

图2 四掩护支架推移横梁应用现场

2.3 回撤支架技术

2.3.1 技术方案

待撤支架撤出后,观察原支架尾部顶板,若有破网及漏煤情况要及时进行补网止漏,若顶板完好则直接进行掩护支架的自移动作。遥控操作人员要提前检查遥控器各按键是否归位,急停按钮是否归位,电池电量情况要时刻掌握,操作时要站在距离掩护支架20 m左右的被撤架内进行操作。以一个工作循环为例,掩护支架自移及撤架工艺流程如下:

(1)第1步:将四掩护支架的推移油缸完全推出,使得推移横梁及撤架机构整体前移0.9 m左右,之后利用撤架机构将被撤支架水平拉出6 m左右,最后使用支架搬运车[10]将被撤支架调向运出;

(2)第2步:将4号掩护支架前后立柱降下,然后收回推移油缸,将4号掩护支架拉前,最后将前后立柱升起保证接顶。其余3个掩护支架依次进行,使得整套装置前移0.9 m左右;

(3)第3步:依照第2步依次将四掩护支架再次前移0.9 m左右,达到下一个撤架要求,至此完成了一个撤架循环。

2.3.2 控制系统

对四掩护支架及撤架机构进行远程控制设计,掩护支架使用过程中主要涉及到前立柱升降、后立柱升降及推移油缸的伸缩3个功能,撤架机构主要涉及油缸的推移功能。近年来随着智能化工作面的推广,大部分工作面支架已更新为电液控制支架,通过设置控制器、信号发射器,同时使用遥控器来控制多掩护支架的动作。控制电路主要包括主控模块、433信号输入模块、输出模块、电源模块、接触器、控制端等,主控模块一端与433信号输入模块一端连接,另一端与输出模块一端连接,输出模块另一端与掩护支架及待撤架的接触器分别连接,接触器分别与掩护支架及待撤架的控制端连接。

2.3.3 技术优势

采用新型撤架机构替代传统绞车撤架技术,避免了钢丝绳断裂的风险。使用该技术后,能够将液压支架一次性水平拉出,节省了撤架时间。

2.4 三角区支护技术

2.4.1 技术方案

三角区是由掩护支架和被撤支架以及采空区填实区域切顶轮廓线所形成的,该区域对撤架、掩护支架前移以及通风状况具有较大意义,所以对于三角区顶板治理具有较强的专业性[11]。在增加了一个掩护支架的同时机道相应拓宽,三角区的有效控制面积基本不变,因此摈弃以往单点支护形式,采用新型的“单体+工字钢梁”联合支护形式。具体工艺贯穿于掩护支架前移期间,每撤1架布置1组联合支护,始终保持3根单体支护。三角区新型支护应用现场如图3所示。

图3 三角区新型支护应用现场

2.4.2 技术优势

三角区采用新型支护技术后,三角区顶板支护更加可靠[12]。4号掩护支架上方至少有2组“简支梁”支护和1组“悬臂梁”支护,2组“简支梁”支护保证了在4号掩护支架上迁时顶板不下沉,避免4号掩护支架上方顶板随着撤架的进行逐渐下沉并将4号掩护支架压死。同时,单体支柱循环使用避免了浪费,且单体支柱随4号掩护支架上迁,省去了人力搬运,减少了在三角区工作时间,降低了安全风险。

3 应用情况分析

2021年,智能化快速撤架配套技术在晋能控股煤业集团同忻煤矿一盘区8102回撤工作面进行了实地应用。应用目的一方面为了验证在大同矿区坚硬顶板条件下该技术工艺的可行性,另一方面为了获取数据,以便日后对技术工艺改进以及对回撤工作面顶板的应力进行分析,为后期在全集团推广提供技术支持。

在应用了智能化快速撤架配套技术后,通过远程遥控操作掩护支架自移以及回撤支架等功能,提高了操作人员的安全系数;同时,通过停采支护的优化以及三角区支护形式的创新,对撤架区顶板实现了可控化,实现了降本增效。具体应用情况分析如下:

(1)每班撤架数量由6架提升到7架;

(2)掩护支架遥控自移装置保证了掩护支架及时自移,且自移时间比原来缩减了10~20 min;

(3)掩护支架及时自移后紧跟控顶支护,免除了被撤架上覆顶板的下沉风险,创造了良好的撤架空间和撤架条件;

(4)撤架后,新型停采支护技术能够实现采空区顶板及时下沉或塌落进而释放压力,不易造成大面积悬顶风险;

(5)传统撤架工艺中掩护支架移动需要2~3名工作人员进行手动操作和指挥,应用智能化快速撤架配套技术后,只需1名操作人员进行远程遥控操作,节省了人力;

(6)智能化快速撤架配套技术中的四掩护支架按照固定间距进行移动,能够避免挤架事故的发生;同时增加的掩护支架更加靠近采空区侧,人员在对三角区空顶进行支护作业时,可以在掩护支架内进行操作;在回收单体液压支架时,人员可以站在靠采空区侧掩护支架内进行操作,从而减少了安全隐患。

4 效益分析

4.1 安全效益

智能化快速撤架配套技术能够及时自移掩护支架,避免了传统撤架工艺使用回柱绞车移动掩护支架的断绳风险。智能化快速撤架配套技术能够一次性将被撤架拉出,提高了撤架效率,对顶板支护的时效性增强,降低了顶板下沉风险。智能化快速撤架配套技术利用推移横梁、撤架机构、电液阀、控制器及遥控装置实现多掩护支架的动作集成化,实现掩护支架自移,替代了传统撤架工艺人工手柄操作的繁琐,提高了作业效率,规避了人员在危险区进行作业的风险。

4.2 经济效益

按照回撤工作面136架液压支架计算,传统撤架工艺每天可回撤12架液压支架,需要工期约11 d。智能化快速撤架配套技术成功应用后,每回撤1架液压支架至少节约工时20 min ,使单架回撤时间降至40 min左右,每天可回撤16架液压支架,只需要工期8.5 d,比传统撤架工艺工期少了约2.5 d。智能化快速撤架配套技术能够节约人工费用约4.8万元、特种车及其他机械折旧费和维修保管费约2万元、管理费约0.6万元,每年按照回撤10个工作面计算,可节约资金约74万元,直接经济效益明显。按照每年对矿井累计节省25 d生产时间、平均产煤5万t/d计算,则累计增产原煤125万t/a,间接经济效益可观。

5 结语

智能化快速撤架配套技术是通过多年实践经验累积出的结果,该技术能够很好地替代传统撤架工艺,并且完全实现遥控控制,安全系数进一步提高,优势明显。该项技术能够将撤架危险区变成安全稳定区,将苦重繁累变成轻便省力,并且极大地降低撤架过程中的材料消耗。

参考文献:

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[5] 李晓刚,张占胜.复杂地质条件下综采工作面回撤工艺探索[J].煤炭技术, 2019,38(12):20-23.

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[12] 兰永平.干河煤矿大采高综采工作面回撤支架三角区顶板控制[J].煤矿现代化,2021,30(4):7-8,12.

Research and application of supporting technology for intelligent rapid removal of hydraulic supports

WANG Ziwei, LIU Yang, LIU Jianping

(Fully Mechanized Mining Equipment Installation Branch Company, Jinneng Holding Coal Industry Group, Datong, Shanxi 037001, China)

Abstract The traditional hydraulic supports removal process flow and its existing process defects in the withdrawal working face were analyzed. In order to solve the problems existing in the traditional hydraulic supports removal process, such as winch wire rope fracture, difficult shield support migration, low removal efficiency and poor roof maintenance in the triangle area, the supporting technologies for intelligent rapid removal of hydraulic supports were innovatively studied, including stop mining support, shield support self-moving, withdrawal support and triangle area supporting, and the relevant technical contents and technical advantages were described in detail. The practical application in Tongxin Coal Mine of Jinneng Holding Coal Industry Group showed that the supporting technology for intelligent rapid removal of hydraulic supports saved manpower, improved the hydraulic supports removal efficiency and reduced potential safety hazards, which was of great significance for the implementation of unmanned removal operation of hydraulic supports.

Key words withdrawal working face; shield support; hydraulic supports removal technology; triangle area support; hard roof

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引用格式:王自卫,刘阳,刘建平. 智能化快速撤架配套技术的研究与应用[J].中国煤炭,2022,48(4):61-65.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.04.010

WANG Ziwei, LIU Yang, LIU Jianping. Research and application of supporting technology for intelligent rapid removal of hydraulic supports[J].China Coal,2022,48(4):61-65.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.04.010

作者简介:王自卫(1977-),男,山西原平人,高级工程师,现任职于晋能控股煤业集团综采装备安装分公司总工程师,主要从事煤矿机电设备安装、煤矿顶板治理等方面的研究。E-mail:smqwzw@163.com

中图分类号 TD355.4

文献标志码 A

(责任编辑 路 强)