露天矿边帮压煤回收自移式充填挡浆设备研究

陈云花，郭志浩，董 辉

(内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

露天煤矿开采后在采掘场四周形成的最终边帮下压覆了大量煤炭资源，极易发火自燃，造成地表塌陷、大气污染和环境污染等。目前国内主要是利用边帮采煤机对压覆煤进行回收，采硐间留设支撑煤柱，回收率约50%左右。为了更多的回收露天矿边帮压覆煤量、减少矿产资源损失，降低边帮压覆煤炭由自燃而引起的污染，确保采硐开采后的边帮稳定性，近年来，我国学者在采煤工艺方面提出了边帮压煤充填开采工艺对露天煤矿边帮压覆煤进行回收，回收率可达到约90%左右。目前，国内已有多家露天煤矿开始实施边帮煤回收，但是实施边帮压煤充填开采的煤矿基本为零。主要存在以下问题：①露天矿边帮煤充填开采工艺要求无人化作业，采硐内不得有人员进入；②根据煤层走向开采角度有下倾、水平、上仰，下倾方式形成的采硐便于充填体的充填；水平及上仰方式形成的采硐则较难实施充填；③要保证充填体有较好的接顶率[1-6]。

基于上述问题，需要一套行之有效的设备来实现采硐充填。本文结合德隆煤矿边帮煤开采现状，研发了一套自移式充填挡浆设备，不仅可以实现下倾采硐的充填也可以实现水平及上仰开采倾角采硐的充填。

1 自移式充填挡浆装置概述

自移式充填挡浆设备可以全自动行走和伸缩，由行走装置、液压支撑装置、可伸缩的挡板装置组成。行走机构前面安装充填挡板装置，上方设置充填体输送管道。当采硐需要实施充填时，所述的自移式充填挡浆设备进入采硐最底端，行走及支撑装置带动充填管道一起进入采硐，此时挡板装置通过液压支撑装置及连杆辅助支撑调节实现倾斜一定角度进入采硐，到达充填位置挡板装置通过液压支撑装置及连杆辅助支撑调节竖直立于采硐底板。充填管道通过在挡板装置上留设的充填孔洞把充填膏体充入采硐。充填区域充填初步完成后，挡浆装置退出一段距离后进行再次充填，直至整个充填区域充填完成。充填时，采硐外设远程控制、定位系统、安全监控及视频监控系统。

2 行走及支撑装置设置

行走及支撑装置包括行走装置、液压支撑装置、辅助支撑连杆。该装置进入采硐，运行需要无人化、全自动化、采硐有煤尘及瓦斯，故选定驱动装置为电驱动或者电液驱动方式。考虑到采硐内有撒煤、冒落，为了便于行走机构更好的进入与退出，同时保证行走机构静止时有足够的重量及摩擦力保证不被充满后的充填体推动，选用履带式的行走方式较合理。

2.1 行走装置配置

矿山常用设备综掘机掘进巷道，与边帮煤采硐工况环境相近、且驱动方式满足边帮充填开采要求，同时可实现自动化控制、无人化作业。在此对综掘机进行改造，将综掘机前方截割部分卸除，在截割部位安装挡板装置，利用原综掘机的自动行走机构及液压系统[7]。EBZ100悬臂式综掘机技术参数为：机长8.8m，机宽2.6m，机高1.45m，机重34t，截割宽度5.0m，截割高度4.1m，总功率181kW，可经济截割煤岩硬度小于等于60MPa，适应巷道坡度±18°，机器供电电压660/1140V，液压缸回路系统压力16MPa，行走回路系统压力22MPa。

机身宽2.6m小于目前常规边帮采硐宽度3.3m；机身高1.45m，截割高度4.1m，支撑综掘机截割部分的液压缸位置正合适支撑替换的挡板装置(本次挡板装置以4m高为例)。行走装置主体利用综掘机改造，在改造后的综掘机两侧配置惯性导航系统，在该导航控制下的综掘机可完全按照预定轨道行进，轨迹偏差很小，保证前端安装的挡板装置在采硐中心位置。挡浆装置到达需充填位置后，竖直挡板，延伸左右两侧与采硐壁紧贴实现对充填体的阻挡作用。

2.2 支撑装置配置

综掘机前端的采煤截割部分完全由综掘机主体支撑，旋转、抬升由安装在综掘机前方的液压装置控制，综掘机采煤时液压装置对前方截割部分作用，截割部分受力远大于本次设置的挡板重力(17.5kN)，综掘机对地摩擦力(1020kN)大于充填物的推力(219kN)，用挡板装置替换综掘机截割部分。安装在改造后综掘机前端的挡板装置完全靠综掘机主体支撑，利用原综掘机支撑前方截割部分的液压装置为主要支撑装置，同时辅助改造设置两个连杆装置对整个挡板装置进行支撑作用，暂选用两根∅50mm厚壁钢管作为连杆支撑装置。两根连杆以设置在挡板装置上的一个轴为旋转基点，原综掘机上的液压杆推动挡板装置以该轴为基点旋转。

挡板装置侧压力状态与贮料仓相近，按下式计算挡板装置侧压力[8-14]：

Ph=kγs

(1)

k=tan2(45°-φ/2)

(2)

式中，γ为贮料的重力密度，kN/m3；k为侧压力系数；s为贮料顶面或贮料锥体重心至所计算截面的距离，m；φ为贮料的内摩擦角，(°)。

根据充填材料配比：暂取充填材料重力密度为15kN/m3。挡板装置侧压力最大值Ph=31.61kPa。挡板受力取平均值F=219kN。

3 挡板装置

3.1 挡板装置概述

挡板装置需要和采硐尺寸相配合设置。根据采硐宽度、煤层平均厚度设置基础尺寸，同时留有一定调节范围(初步选定为300mm)。

设计分析挡板装置分别由基础板、侧延伸板、上延伸板、角延伸板、橡胶板、电液推杆等部件组成，挡板装置三维效果如图1所示。

图1 挡板装置三维效果(mm)

挡板装置根据采硐尺寸设置基础板尺寸，在基础板的基础上再延伸达到和采硐壁的紧贴，板四周设置橡胶板，对采硐壁有柔性调节空间，有效防止充填体外溢。

以采硐宽3.3m，平均煤尘厚度4.3m为例进行研发：

设计挡板外形尺寸为3.0m×4.1m，可调节最大尺寸为3.3m×4.4m，设置挡板装置倾斜角度为20°由行走装置移入充填采硐。倾斜设置便于挡板装置进出采硐。

行走装置到达充填位置，液压装置带动挡板装置竖直立于采硐底板上方，两侧延伸板带动背面角延伸板由固定在筋板上方的四个整体直式电液推杆向两侧推出，每侧分别设置两个直式电液推杆。待两侧延伸板顶到采硐侧壁后停止，上延伸板带动背面角延伸板由固定在筋板上方的两个电液推杆向上部推出，通过充填挡浆装置机身上设置的视频设备观察上延伸板动作是否到位，到位后开始充填，待该充填段充填完成，等待充填体凝固。凝固后则上延伸板带动角延伸板收缩，回位后两侧延伸板带动角延伸板收缩归位。待挡板装置完全归位后，行走装置退出一定距离继续分段充填。

3.2 挡板装置零部件选取

基础板、侧延伸板、上延伸板均选用16mm厚Q235钢板。

角延伸板选用20mm厚橡胶板。

四周胶板选用厚20mm，宽30mm橡胶板，橡胶板与钢板胶粘。

电液推杆：根据板延伸长度确定电液推杆最大行程，根据受力选取DYTZ450-1/110型整体直式电液推杆。一共选用6台。

3.3 结构设计

挡板装置的基础板两侧加侧延伸板、基础板上方加上延伸板、侧延伸板与上延伸板对应的角部设置角延伸板，均通过滑槽铆钉连接。

侧延伸板、上延伸板外侧胶粘橡胶板，对采硐壁有柔性调节空间。

侧延伸板、上延伸板通过焊接在基础板上的电液推杆推动实现延伸，角延伸板通过侧延伸板和上延伸板带动实现延伸。

4 结 语

自移式充填挡浆设备可以实现下倾、水平及上仰角度采硐的充填，有效地解决了露天矿边帮煤回收后留下的采硐充填难题，使露天矿边帮煤充填开采工艺得以实现，极大地回收了露天矿边帮压覆的资源，创造了巨大的经济效益和社会效益。