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★ 智慧矿山 ★

KLJ7型矿用智能链臂切顶机在小煤柱留设开采技术中的应用

王自卫 刘建平 刘 阳

(同煤集团综采装备安装分公司,山西省大同市,037001)

摘 要 针对传统切顶卸压沿空留巷道无煤柱开采技术和切顶卸压小煤柱留设开采技术这2种开采方式中,双向聚能爆破预裂切顶工艺存在的作业人员安全性较差、人工劳动强度大、工序繁琐等问题,同煤集团研发了KLJ7型矿用智能链臂切顶机代替传统人工切顶工艺。介绍了KLJ7型矿用智能链臂切顶机的装备性能及结构组成,详细阐述了同煤集团塔山煤矿2311巷道的机械切顶技术方案以及顶板切缝后补强支护技术方案,并对2311巷道切顶效果进行了综合效益分析。通过实际应用表明,KLJ7型矿用智能链臂切顶机解决了传统切顶工艺中的“部分预裂孔未打通成缝”及“预裂后顶板垮落不规整导致后期巷道维护困难”等问题,既降低了施工成本,提高了工程质量,又收集了试验数据,为设备后期推广应用打下基础。

关键词 矿用智能链臂切顶机 切顶卸压 爆破预裂 坚硬顶板 巷道维护

切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术[1]是通过人工切顶和护巷工程,切断顶板应力的传递路径,减少采空区侧煤体受到回采动压对巷道产生影响。该技术能够保证巷道使用期间的稳定性,从而将传统的“一面双巷”改变为“一面单巷”采掘模式,减小采掘比,实现无煤柱开采;切顶卸压小煤柱留设开采技术 [2]是通过人工手段将顶板岩梁进行预裂,在周期来压的作用下将悬臂梁切落,以降低悬臂梁上覆荷载以及旋转变形力,从而大大降低岩梁传递到巷道帮和巷道内支护的荷载,从根本上改善巷道的力学环境,保证巷道使用期间的稳定性。

以上2种开采技术主要采用双向聚能爆破预裂切顶工艺 [3],该工艺使用前要确定多种技术参数,特别是爆破钻孔间距[4],间距过大会导致相邻裂缝无法贯通,间距过小会导致相邻裂缝叠加使顶板破碎。此外,爆破预裂顶板还会导致裂缝偏差较大、缝隙不规整、顶板后期下落阻力大以及巷道维护困难等问题。基于此,同煤集团采用最新研发的KLJ7型矿用智能链臂切顶机(以下简称链臂锯),通过智能机械切顶的方式代替爆破预裂工艺。链臂锯在切顶卸压小煤柱留设中具有下述技术优势。

(1)机械化、智能化程度高。采用链臂锯对顶板进行切割,抛弃了定向聚能爆破切顶过程中参数确定、打眼、装药等繁琐工序,工序大幅度简化,机械化、智能化程度大幅提高。同时,可实现远距离遥控操作,提高作业人员的安全系数,降低劳动强度。

(2)成缝效果好。采用链臂锯切顶,切缝贯通率可达95%以上,并且切面光滑,能够有效切断巷道顶板对小煤柱的压力传递,小煤柱受回采动压影响较小。

由于链臂锯在煤炭行业范围内属于首创首用,所以需要选择合适的巷道并对顶板覆岩岩性分析和反复论证设计。经综合考虑,同煤集团决定前期先在井巷道条件较好的塔山煤矿三盘区8311小煤柱开采工作面2311巷道进行机械切顶试验。试验目的为一方面保护相邻6 m煤柱不受破坏,进而减轻2312邻巷道的临空压力;另一方面获取试验数据以便日后对设备进行技术改进及对顶板的应力进行分析,为后期推广应用提供技术支持。

1 工程地质条件

同煤集团塔山煤矿三盘区8311工作面位于三盘区西翼,工作面北部为5311巷道,南部为2311巷道,东部为三盘区西翼盘区巷道,西部与挖金湾井田山4号煤层8201工作面相邻。煤层厚度为3.2~3.6 m,平均厚度为3.4 m,煤层产状变化较小,煤层倾角为2°~4°,平均倾角为2°。煤层中普遍含有2层夹石,夹石厚度为0.1~0.3 m,夹石岩性为灰黑色泥岩、深灰色砂质泥岩、高岭质泥岩。依据2311巷道前期钻孔柱状图与近期钻孔探测获得的柱状图,2311巷道顶板覆岩赋系统分析如图1所示。2311巷道直接顶由泥岩、砂质泥岩、中粒砂岩3层岩层组成,其中,泥岩直接顶厚度为0~3.52 m,砂质泥岩直接顶厚度为0~4.52 m,中粒砂岩直接顶厚度为1.60~5.52 m;老顶由泥岩、中粒砂岩、泥岩三层岩层组成,下层泥岩老顶厚度为1.06~2.69 m,中粒砂岩老顶厚度为0.85~6.50 m,上层泥岩老顶厚度为0~4.40 m。

图1 2311巷道顶板覆岩赋存系统分析

2 链臂锯装备性能及结构组成

2.1 装备性能

链臂锯是同煤集团研发的一种新型矿用装备,研发初衷是用机械切顶方式代替切顶卸压沿空留巷道无煤柱开采技术及切顶卸压小煤柱留设开采技术中的爆破预裂顶板工艺。链臂锯主要用于岩石硬度f≤7 的巷道岩顶切割,该设备采用低速刨削形式,具有高效润滑和冷却功能,不易产生火花,切割刀具采用聚晶金刚石,其使用寿命不小于 1000 h,切缝宽度为42 mm,切割面平整,最大切深为6.5 m,纵向工作坡度≤±10°。链臂锯实物图如图2所示。

图2 链臂锯实物图

2.2 结构组成

链臂锯主要由切割部、架体部、联接架部、液压系统、水系统、电气系统、润滑部、行走部等部件组成,链臂锯整机结构如图3所示。

(1)切割部。切割部由链条组件、链臂组件、编码器输出装置、摆臂液压马达、激光定位装置、主轴液压马达、主机箱、摆臂减速器、主轴减速器等附件组成,由主轴液压马达输入动力,经主轴减速器驱动链条组件在链臂组件链道进行切割动作;由摆臂液压马达输入动力,经摆臂减速器和主机箱双重减速驱动链臂组件带动链条组件,实现圆弧进给动作。在切割部中,激光定位装置是链臂与刀具所切割刀缝对正的主要组件,其安装在主机箱上部,工作时通过激光打点油缸推动2个圆形导轨做伸出动作达到最长行程,与链臂对齐,同时启动开关打开两侧光座组件,调整2个激光座组件与所切割刀缝对正,这就保证了链臂与切割刀缝对齐,激光打点油缸回缩进行切割作业。

(2)架体部。架体部由主机架、摆动伸缩组件、回转轴承、行走组件、侧移油缸组件、摆角油缸组件等部门组成,架体部是整个机器的骨架,在机器中起着中心梁的作用,承受着来自切割、行走、支撑的各种负荷力,其前、后各安装1套联接架组件、下部安装行走组件、中间安装摆动伸缩组件,在其上部分别安装油箱、泵站、电控箱。在架体部中,摆动伸缩组件由回转台、滑台、平面自润滑轴承组成,通过回转轴承和高强度螺栓与主架体联接,滑台在回转台内通过侧移油缸做侧向移动,回转台在回转轴承上通过摆角油缸做圆周摆动,进而达到切割部侧伸及调整刀具与切缝位置的作用。

图3 链臂锯整机结构

(3)联接架部。联接架部主要由前联接架、后联接架、稳定油缸架体、稳定油缸、支撑油缸组件等部分组成,前、后联接架分别通过 M24 高强螺栓与架体部相连,2种联接架分别在侧边用 M24 高强螺栓与支撑油缸组件相连, 4 套支撑油缸组件做为整个设备支撑和调平的基础。稳定油缸坐在稳定油缸架体上,采用 M24 高强螺栓固定,其底座通过 M24 高强螺栓固定在前、后联接架的上面,起到整机稳定的作用。

(4)液压系统。本机所有动作均通过液压系统实现,液压系统主要由泵站、马达(行走、切割、喷雾马达)、阀组、油缸、操纵台、油箱、过滤器、仪表、管路辅件等组成。

(5)水系统。水系统承担机器的液压系统、切割链臂的冷却,同时具有降尘作用。水系统主要由泵站、冷却器、阀、过滤器组成,外来水经过滤、减压分为三路,一路经板翅冷却器冷却液压油,一路经吸油冷却管、泄漏箱冷却液压油,这两路汇成一路经机器后端向外流出,第三路经水泵加压,待链臂超温或瓦斯超标时经链臂上喷嘴喷出,对链臂具有冷却及降尘效果。

(6)电气系统。 矿用隔爆兼本质安全型组合开关箱是 KLJ7型智能链臂切顶机电气系统的核心。控制系统使用2个控制器(DX-M302-V和DX-M3580G),具有本地操作和遥控操作2种使用方式,并具备状态显示、参数设置、故障记忆等功能。操作箱液晶屏与开关箱显示仪表同步显示,开关箱与操作箱之间采用 232 串口通讯技术,通讯电缆采用快速插头连接方式。开关箱与遥控器采用先进的 CAN 总线通讯技术。整个电气系统具有设计理念新、保护功能全、显示功能强大、内部元件配置高、结构紧凑、安装方便、可靠性高等特点。

(7)润滑部。润滑部具有高效润滑、冷却功能以及不易产生火花等特点。主要采用0号锂基润滑脂,链臂有 9 个润滑点,根据现场工况调整润滑油(0号锂基润滑脂)的输出量,正常输出流量为 200 mL/min;通过链臂组移动和摆动销轴的润滑方式将其各自的螺塞拧下,从油杯加入油脂,待油脂从销轴中间溢出即可。

(8)行走部。行走部由液压马达、减速器、驱动轮、支重轮、履带链、张紧轮组、张紧油缸等组成。行走通过液压马达、减速器、驱动轮驱动履带链实现,液压马达与减速器高度集成。行走制动有2种方式:液压一体式多片制动器和行走马达自锁装置,行走不工作时,多片制动器为抱死状态;行走工作时,通过液压力将制动片松开。马达自锁装置为液压锁,行走不工作时,使行走马达油路自锁从而产生制动。通过此种双重措施,保证行走运转和制动的可靠性。

3 机械切顶技术方案

3.1 切割位置的确定

2311巷道和2312巷道均为半煤岩巷道,采用矩形断面,巷道宽度分别为5.0 m和5.3 m,巷道高度为3.4 m。2311巷道和2312巷道之间留设宽度[5]为6.0 m的小煤柱,2311巷道和2312巷道位置关系如图4所示。

基于对2311巷道稳定性与2312巷道卸压效果的综合考虑,结合塔山煤矿三盘区2311巷道和2312巷道的生产地质条件,提出切缝卸压技术方案如下:

(1)方案1,2311巷道内距煤柱0.48 m处切缝;

(2)方案2,2311巷道内距煤柱1.15 m处切缝;

(3)方案3,2311巷道内距煤柱2.00 m处切缝。

通过理论计算,整理出3个方案在2311巷道顶板稳定性分析与2312巷道煤柱稳定性分析见表1。

1 3个方案对比分析

序号方案2311巷道顶板力矩/(N·m)2312巷道煤柱应力/MPa方案12311巷道内距煤柱0.45 m处切缝2.32×1061.42方案22311巷道内距煤柱1.15 m处切缝3.78×1061.60方案32311巷道内距煤柱2.00 m处切缝8.54×1061.83

图4 2311巷道和2312巷道位置关系

由表1可以看出,随着切缝距煤柱距离的增加,2311巷道顶板所受力矩增加,即2311巷道顶板稳定[6]性增加;同时,2312巷道煤柱应力也随切缝距煤柱距离的增加而增加,表明2312巷道围岩稳定性降低,即2311巷道切顶卸压效果减弱。综合考虑2311巷道顶板稳定性与2311巷道切顶卸压效果,建议在2311巷道内距煤柱0.48 m处采用链臂锯进行切缝。

3.2 切顶工艺流程

切割方式采用“矩形法”,因每刀切割出的叠加效果图为近似矩形而得名。链臂锯切顶工艺如图5所示。

图5 链臂锯切顶工艺

具体工艺流程如下:

(1)第1步:调整设备姿态,手动伸出4个支撑油缸,撑地后设置自动调平;

(2)第2步:找准切入点,举起链臂链臂顺时针转动至90°,链条顺时针旋转,切出一条圆弧切缝;

(3)第3步:链臂沿锯缝逆时针返回退出到水平位置,保证链臂要完全退出切缝;

(4)第4步:收缩4个支撑油缸,启动行走部,前进一个步距(4 m);

(5)第5步:重复第1步;

(6)第6步:举起链臂,利用红外定位系统配合操作系统进行对刀。链臂再次顺时针转动,切出近似矩形的区域,留下一个三角盲区;

(7)第7步:链臂沿锯缝返回退出到水平位置,开始下一个循环。

通过辅助计算可得:一刀的有效切割面积为25 m2,切缝深度最高达6.45 m。

4 顶板切缝后补强支护技术方案

因切缝高度大于现有支护条件下的锚索长度(5.3 m和6.3 m),为了防止2311巷道链臂锯切缝处发生台阶下沉,确保2311巷道链臂锯切顶卸压的安全实施,提出在链臂锯切缝远离煤柱帮侧300 mm处布置补强锚索[5],每排1根,直径为ø21.8 mm,距开切眼106 m范围内补强锚索长度L为9500 mm,距开切眼106 m范围外补强锚索长度L为7500 mm,排距3.0 m,预紧力不小于220 kN,配套使用300 mm×300 mm×16 mm的鼓形托盘,2311巷道补强支护后巷道道断面如图6所示。

图6 2311巷道补强支护后巷道道断面示意图

5 切顶效果分析

通过对2311巷道顶板切割位置的科学确定以及对链臂锯的合理操作,该种机械切顶方式既取得了切缝平直、切割面光滑平整、卸压效果理想等较好的应用效果,又克服了爆破预裂时裂缝不通、裂缝歪曲及顶板塌落阻力大等难题。2311巷道切顶效果如图7所示。

6 综合效益分析

6.1 技术效益

8311工作面成功实现了由链臂锯机械切顶卸压小煤柱留设目标,减少了对8312工作面的临空压力,保护了小煤柱不受破坏。通过对比链臂锯机械切顶方式和爆破预裂顶板方式产生的效果,链臂锯切顶优势明显且效果更好。

图7 2311巷道切顶效果

6.2 经济效益

以往采用爆破切顶方式,平均成本为4286元/m2;而采用链臂锯切顶方式,平均成本约为1500元/m2。2311巷道共切顶438 m,产生的直接经济效益为122万元。与以往留煤柱护巷道开采相比,采用机械切顶卸压小煤柱留设开采可缩短护巷道煤柱。按原来20 m护巷道煤柱计算,该工作面可多回收一条长度为554 m、宽度为14 m、高度为3.4 m的煤柱,总共可多采煤炭约37472 t,按市场价400元/t计算,可间接创收1499万元。

7 结语

链臂锯的创造为顶板预裂提供了新方案,克服了以往爆破预裂切顶的弊端,降低了施工成本,提高了工程质量。为切顶沿空留巷无煤柱开采技术及切顶卸压小煤柱留设开采技术提供了新思路。同时,作为首台链臂锯,对其做了详尽的技术分析和技术论证,为以后采用切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术及其设备改进提供了很多可参考的数据和工程范例。

参考文献:

[1] 蔡洪林,尹贤坤,汤朝均,等.切顶卸压沿空留巷道无煤柱开采技术研究与应用[J].矿业安全与环保,2012,39(5):15-18.

[2] 申佳佳,程占博,陈才文.综采工作面小煤柱留巷道巷道支护技术研究[J].煤炭技术,2016,35(1):28-30.

[3] 武颜璋.切顶爆破在小煤柱沿空掘巷道中的应用研究[J].煤矿现代化,2020(4):171-173.

[4] 蔡峰.坚硬顶板切顶卸压无煤柱开采技术研究[J].矿业安全与环保,2017,44(5):1-5,9.

[5] 秦永洋,许少东,杨张杰.深井沿空掘巷道煤柱合理宽度确定及支护参数优化[J].煤炭科学技术,2010,38(2):15-18.

[6] 关崇伟.切顶卸压技术在小煤柱沿空掘巷道中的应用[J].山西焦煤科技,2019,43(12):32-35.

Application of KLJ7 mine intelligent chain-arm top-cutting machine in mining technology with retaining small coal pillar

Wang Ziwei, Liu Jianping, Liu Yang

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

Abstract In view of the problems existing in the bidirectional shaped charge blasting presplitting and roof-cutting technology in two mining modes of traditional roof-cutting and pressure-relief gob-side entry retaining mining technology without coal pillar and roof-cutting and pressure-relief mining technology with retaining small coal pillar, such as poor safety of operators, high labor intensity and tedious process, Datong Coal Mine Group developed KLJ7 mine intelligent chain-arm roof-cutting machine instead of traditional manual roof-cutting technology. The authors introduced its equipment performance and structure composition, elaborated the mechanical roof-cutting technology scheme and the reinforce support technical scheme after roof cutting applied in 2311 roadway of Tashan Coal Mine of Datong Coal Mine Group, and analyzed the comprehensive effects of roof-cutting in 2311 roadway. The practical application showed that the KLJ7 mine intelligent chain-arm roof-cutting machine could solve the problems of difficult roadway maintenance at later period caused by unopened pre-splitting holes in traditional roof-cutting technology and irregular roof caving after pre-splitting, and reduced the construction cost, improved the engineering quality, and collected the test data, which laid a foundation for the later application of the equipment.

Key words mine intelligent chain-arm roof-cutting machine, roof cutting and pressure relief, pre-splitting blasting, hard roof, roadway maintenance

中图分类号 TD4.66

文献标识码 A

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引用格式:王自卫,刘建平,刘阳. KLJ7型矿用智能链臂切顶机在小煤柱留设开采技术中的应用[J].中国煤炭,2020,46(7):46-52.

Wang Ziwei, Liu Jianping, Liu Yang.Application of KLJ7 mine intelligent chain-arm top-cutting machinein mining technology with retaining small coal pillar[J].China Coal, 2020,46(7):46-52.

作者简介:王自卫(1977-),男,山西原平人,高级工程师,现任职于同煤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。

(责任编辑 路 强)