多功能巷道修复机在工作面顺槽维修中的应用

陈纲

（山西华阳新材料科技集团机电设备管理中心，山西 阳泉 030499）

1 概 况

随着煤矿生产装备的不断发展进步，采掘工作面的主要生产工艺如落煤、装煤、支护等均已机械化，实现了高效安全生产，并逐步向自动化、智能化方向发展。但巷道卧底、扩帮等一些采掘辅助作业由于空间的限制仍然以人工为主，机械化水平较低。近年来，阳煤一矿随着工作面开采深度和强度的不断增加，巷道变形尤其是工作面两顺槽变形严重，巷道修复工程量急剧增加。采用传统的人工修复方式，不仅费时费力、效率低下，而且冒顶、掉渣时存在安全隐患。因此，研究使用专用的巷道修复设备对煤矿高产高效、安全生产具有重要意义。

2 巷道地质条件

2.1 工作面布置

阳煤一矿8304综采工作面位于+669水平南条带三采区，所采煤层为15号煤，埋深为448.7～707.2 m，煤层厚度为6.73～5.93 m，平均6.29 m。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板岩性Table 1 Coal seam roof and floor lithology

8304工作面东部为三采区辅助回风巷，西部为三采区大巷，北部为8303工作面采空区，南部为设计的8306工作面。工作面倾斜长度206 m，走向长度1 535 m，采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤一次采全厚采煤方法。

工作面两顺槽超前支护采用的是单体柱+π型梁支护，设置两排，支护距离不少于20 m。

2.2 巷道变形特征

8304工作面在回采过程中，两顺槽变形量大，需要对巷道进行维修才能满足生产要求，巷道变形特征主要有以下方面。

（1）巷道变形剧烈。在工作面前方，巷道失稳严重，变形以底鼓和帮鼓为主，根据观测，最大底鼓量可达800～900 mm，帮鼓以回采帮为主，最大可达600 mm，巷道断面收缩率达60%，需要在工作面前方不断进行维修。

（2）支护体损坏严重。工作面顺槽顶板锚杆等支护体出现拉断现象，巷道两帮锚杆被吸入煤体中，金属网被扯断，顶板部分区域网兜现象严重，存在安全隐患。

（3）运输巷变形量大。8304工作面两顺槽的变形具有明显的区别，工作面运输巷变形量显著大于运料巷，运料输巷的维修工程量约为运输巷的70%左右。

2.3 变形原因分析

结合8304工作面的地质条件，分析认为顺槽变形大主要有以下原因。

（1）超前支承压力的影响。工作面回采过程中，工作面前方支承压力重新分布，对巷道围岩的稳定性产生影响，造成巷道变形剧烈。根据工作面来压情况，工作面超前支承压力的影响范围约为26～34 m。

（2）地质构造的影响。8304工作面总体为一单斜构造，圈定的工作面回采范围内有褶曲构造2条，断层7条，地质构造附近岩层破碎，承载能力差，易发生剧烈变形。

（3）顶底板岩性。8304工作面的直接顶底板均为泥岩，自稳能力差，受工作面回采的影响，工作面区域的底板应力向巷道内传递，由于泥岩的强度较低，因此变形严重。

（4）采空区的影响。8304运输巷靠近8303采空区，受临近采空区残余支承压力和该工作面超前支承压力的双重影响，变形量明显增大。

为实现阳煤一矿8304工作面的安全高效生产，除了对原有支护系统进行优化改进外，对已经发生的巷道变形也需要及时修复。传统的人工修复方式费时费力，且存在安全隐患。通过分析研究，决定选用WPZ-55/15/1000L型巷道修复机对8304工作面已经发生的巷道变形进行修复。

3 巷道修复设备

3.1 主要技术参数

WPZ-55/15/1000L型巷道修复机是针对煤矿巷道维修的一款专用设备，该设备集挖掘、破碎、装载于一体，根据不同的现场条件安装不同的装置即可实现不同的功能，主要应用于巷道顺槽的卧底、扩帮以及大巷的维修等，如图1所示。

图1 巷道修复机机械结构Fig.1 Mechanical structure of roadway repairing machine

WPZ-55/15/1000L型巷道修复机尺寸为6 300 mm×1 260 mm×2 240 mm，宽度小，可适应不同尺寸的巷道，可根据不同需要安装破碎锤、铲斗等，实现不同的作业形式，并且该型巷道修复机操作简单，经过简单培训即可上岗，效率高。该设备的主要参数如下：

3.2 主要组成部分

WPZ-55/15/1000L型巷道修复机主要由工作机构、执行机构、液压系统、电控系统等组成。

3.2.1 工作机构

巷道修复机的工作机构主要指工作臂，工作臂前端与执行机构相连，后端与修复机车体相连。WPZ-55/15/1000L型巷道修复机工作臂采用可弯曲设计，由三段组成，可根据巷道尺寸的变化调节，避免与锚杆索及巷道壁接触。工作臂主要由偏转机构、基础臂、油缸等组成，偏转机构可实现机体的左右摆动，以适应不同宽度的巷道；伸缩臂主要实现臂长的改变，适应不同高度的巷道。

3.2.2 执行机构

巷道修复机执行机构负责巷道进行卧底扩帮、围岩破碎以及煤矸装载等工作。根据不同的工作需要，可在工作机构上安装铲斗、破碎锤、切割机等。

3.2.3 行走机构

WPZ-55/15/1000L型巷道修复机采用履带行走，主要由履带梁、轮毂系统、马达系统等组成。轮毂系统中的引导轮引导履带按照指定的方向行走，支重轮主要负责支撑整个巷道修复机的重量，与引导轮共同保证履带不滑脱。行走机构中安装有张紧油缸，使履带维持在一定的张紧度上，防止履带过紧和过松，过紧则磨损过快，过松则容易脱落，影响生产。

3.2.4 液压系统

WPZ-55/15/1000L型巷道修复机液压系统采用3泵串联的方式连接，为工作机构和执行机构等提供动力，其中2个泵为变量泵，1个泵为定量泵。变量泵采用专门管路，流量独立控制，可实现对不同机构、不同压力的精确控制。为防止系统过载，变量泵的最高压力为20 MPa。

3.2.5 控制室

控制室是整个修复机的控制中心，修复机的所有动作都可以在控制室内操作完成。操作室内有压力表、手柄以及安装架等，压力表显示液压系统变量泵的压力，手柄用来操作修复机完成摆臂、举臂、回落等不同的动作。

4 现场应用

4.1 设备配套方案

目前常用的巷道维修设备配套方案有3种。

（1）巷道修复机和矿车。

该方案中，将巷道卧底及扩帮等的出渣直接通过修复机送入到矿车中，多节矿车可实现连续装载，该方案需要设置道岔车场用于倒车，适用于轨道巷，和维修工程量小、出渣量小的巷道。

（2）巷道修复机、转载机和矿车。

与上方案相比，该方案增加了转载机，刮板输送机、胶带输送机均可作为转载设备使用。首先利用巷道修复机将维修中的煤矸等装载到转载机中过渡，然后输送至矿车中。可以在适当位置设置矸石仓，存储一定量的煤矸，然后利用耙岩机运至矿车中，可在一定程度上提高出矸速度。

（3）巷道修复机和胶带输送机。

该方案可实现连续出矸，适用于运输顺槽的巷道维修。随着挖底工作向前进行，可以在胶带输送机和修复机之间增加转载机，例如刮板输送机等，可提高生产效率。

根据8304工作面的实际情况，确定选用方案三的设备配套方案，即在运输顺槽采用修复机进行挖底，煤矸装载在胶带输送机上进行运输。

4.2 施工工序

8304工作面采用WPZ-55/15/1000L型巷道修复机进行维修的工艺流程如图2所示。具体为拆除巷道超前支护的中排点柱；在修复机上安装截割头，对巷道进行扩帮，巷道扩帮后及时进行支护；如果巷道底板较硬或者有大块矸石，截割头难以施工时，更换为破碎锤对巷道进行挖底。挖底完成后，将破碎机更换为铲斗，将煤矸装载到胶带输送机上运出。

图2 巷道修复机施工工艺流程Fig.2 Construction process of roadway repairing machine

4.3 应用效果

与传统的人工挖底、扩帮相比，8304工作面采用WPZ-55/15/1000L型巷道修复机后，巷道修复效率大大提高，并减少了工作人员数量。两种巷 道维修方式的对比见表2。

表2 不同巷道维修方式的对比Table 2 Comparison of different roadway maintenance methods

4.4 变形监测

采用巷道修复机对巷道进行维修后，立即设置测站对巷道底板和两帮的变形进行监测。由于距离工作面较近，观测持续时间为一周左右，观测结果如图3所示。观测结果表明，巷道变形量明显减小，最大底鼓量为30 mm，帮鼓量为22 mm。表明巷道修复机对巷道围岩的扰动较小，维修后巷道迅速进入稳定状态，保证了工作面的正常生产。

图3 巷道变形监测Fig.3 Roadway deformation monitoring

5 结 论

（1）受工作面超前支承压力、地质构造和顶底板岩性等的影响，阳煤一矿8304工作面顺槽变形剧烈，支护体损坏严重，巷道维修量大，采用传统的人工维修方式费时费力。

（2）WPZ-55/15/1000L型巷道修复机可根据不同的现场条件安装不同的装置实现挖掘、破碎、装载等不同的功能，主要应用于巷道顺槽的卧底、扩帮以及大巷的维修等。

（3）8304运输巷巷道修复机的应用表明，WPZ-55/15/1000L型巷道修复机能够适应井下复杂环境，在短时间内即可实现破碎器、切割器和挖斗功能的转换，减少了人工数量和作业强度，为工作面大变形顺槽的快速修复工作提供了装备保障，实现了井下巷道修复的机械化作业，经济和社会效益显著，具有推广应用前景。