胶轮车运矸抛矸充填方案的研究与实践

文/朱良嘉 段建平 王彦武

目前，国内煤矿井下存在大量的废旧巷道，具有庞大的矸石充填空间。高效安全灵活抛矸充填，尤其是在短巷道通过井下胶轮车运矸转矸非连续运输方式来进行充填，是提升充填效率、解决矸石污染、防止地面沉陷的重要举措。陕西双龙煤业开发有限责任公司应用上海科煤机电设备制造有限公司研制的可应用于长短废旧巷道的抛矸充填设备，实现了将大量的掘进矸石在井下回填，取得了良好的实效，助力了绿色矿山建设和企业高效安全生产。

一、研究思路

常见的抛矸充填机主要适用于长巷道带式输送机连续转矸抛矸充填，但不适用于短巷道作业。因此，考虑在矮机身抛矸充填机的基础上，新设计独立驱动短上料皮带，与送料卸载机构（移动机尾）互换，可解决抛矸充填机“一机多用”问题；通过在抛矸充填机后配套新设置收料装载机，可解决抛矸填充机破碎、扒装、上料的问题。此外，由于抛矸充填机操作台靠近送料卸载滚筒，加之抛矸过程需喷雾降尘，为改善操作人员的作业环境，应采用遥控操作，因此，设计开发了视距遥控和远程控制、地表监控系统，其中视距遥控和远程控制应均设有一键抛矸功能。

二、抛矸充填方案

1.井下条件

双龙煤业现有废旧巷道工程1.9万余m，有些巷道支护完好，有部分巷道变形严重，预计可充填30万m3矸石。双龙煤业废旧巷道断面有两种规格，分别为5.5m×3.5m和4.5m×2.8m，巷道比较平缓。掘进矸石块度为250mm以上的占比20%左右。

2.组合方案

双龙煤业井下采用无轨设备胶轮车运矸，针对巷道长短，提出两种优化组合方案：

（1）对于长巷道（≥250m），采用收料装载机+可伸缩带式输送机+抛矸充填机的方案，此时抛矸充填机送料卸载机构（移动机尾）不设置驱动，最后40～50m撤去带式输送机，将抛矸充填机送料卸载机构换上独立驱动上料皮带，用收料装载机+抛矸充填机方案充填。

（2）对于短巷道（＜250m），采用收料装载机+抛矸充填机方案充填，此时抛矸充填机上料机构为独立驱动上料皮带。

3.远程控制方案

（1）远程控制要求。

①系统要具备急停、断信号停机，即遥控方面具备软件急停按钮和相互闭锁，装载机司机一人同时控制收料装载机和抛矸充填机。

②在遥控器和远程操作台上要预留硬件急停按钮。当遥控器和抛矸充填机的无线信号处于断开状态时，设备报警停机；当信号自动恢复时，无操作指令不得开机。

③遥控和就地操作要有明显的断开点或其他措施，要确保就地检修的安全。

④视距遥控和视频遥控要有一键自主抛矸功能，即以程序控制抛矸皮带的左右、上下摆动，左右不能碰到巷道两帮（依靠距离传感器），向上摆动不能碰巷道顶板（依靠位移传感器）。

⑤装载机和抛矸充填机、抛矸充填机和带式输送机之间不允许有控制线，要靠基站传输数据和信号。

（2）系统组成。抛矸充填机的远程控制包括视距遥控、井下远程视频控制和地表远程视频监控。其中，视距遥控由传感器、遥控器、接收器和电磁阀组等组成；井下远程视频控制由传感器、摄像仪、光端机、基站、远控平台、接收器和电磁阀组等组成；地表远程视频监控由摄像头、监控系统网络等组成。

三、抛矸充填设备介绍

1.抛矸充填机

（1）抛矸充填机特点。一是抛矸皮带采用液压滚筒，抛矸速度为0～3.6m/s，可调节，抛矸效果好，使用寿命长。二是采用变量泵液压系统，负载敏感比例阀，先导手柄或电液控控制，操作简单，可靠性高。三是抛矸皮带在不移机的状态下，通过伸缩油缸可实现两个极限状态抛矸充填，具有升降、回转、伸缩、推平功能，推进力大，能够保证巷道的全方位充填。四是送料卸载机构与独立驱动上料皮带可互换，具有调平、调斜、调偏、调高的功能，适应巷道底板起伏变化。五是设有甲烷、压力、液位、温度、位移、距离和人员靠近报警等传感器和防爆摄像仪，可近控手动、视距遥控、视频远控和一键自主抛矸。

（2）结构与原理。

①总体结构。由送料卸载、抛射皮带、行走三大机构和液压、喷雾、电气三大系统组成，通过底架总成调平机构，调偏架、回转工作台，将各执行机构有机组合于一体，并设有后支撑，以增加机器的稳定性。

②工作原理。抛矸充填机以800mm带宽带式输送机为运输工具。800mm带宽带式输送机反向运转，机头位于巷道口，作为受料端；机尾位于巷道内，作为卸料端。抛矸机的卸载滚筒组代替800mm带宽带式输送机的机尾，与800mm带宽带式输送机的标准H架采用间隙衔接。800mm带宽带式输送机将矸石运到抛矸充填机的卸载滚筒，卸载滚筒再将其卸到抛矸皮带上，抛填到巷道。当前面填满后，抛矸充填机向后退移一个步距，这时带式输送机储带与自动胀紧装置能将松弛的800mm带宽带式输送机自动胀紧。通过调偏、调向、水平调整和前后调整，能使卸载滚筒始终与800mm带宽带式输送机的机头驱动滚筒保持轴线平行。

抛矸皮带架后下部的两个支撑耳与回转工作台台面上的两耳相联，竖板上的两耳与升降油缸的上端联接。抛矸皮带前部设有推平器、中部设有伸缩油缸，具有伸缩和推挤功能。当收料装载机直接给抛矸充填机上料时，抛矸充填机送料卸载机构换上独立驱动上料皮带，收料装载机收料到刮板输送机再转载到抛矸充填机上料皮带，由上料皮带卸载到抛矸皮带，抛矸皮带左右上下摆动，将矸石填满巷道。

2.收料装载机

（1）设备组成。收料装载机由星轮铲板、工作臂、刮板输送机、行走机构、本体和液压系统、电气系统、水系统等组成，在成熟掘进机基础上去掉截割臂，换上带扒斗和破碎锤的多节工作臂，矮巷道用三节臂、高巷道用两节臂。

（2）收料装载机特点。一是刮板机采用滚子链直刮板机，深入铲板内，边双链设计，矸石不卡链，刮板机卸载端高度可调。二是采用星轮铲板，上料均匀，铲板两侧边缘有挡矸板，可满足连续转矸，减轻司机操作强度。三是工作臂扒斗与破碎锤一体化设计，采用三节臂方案，增大扒取范围，适应矮巷道工作环境，破碎锤工作时伸出、不工作时收回，使用简便。四是采用成熟行走机构，牵引力大，能实现边铲边装，可靠性高。五是液压油采用风冷/水冷散热，喷雾降尘。六是采用变量泵液压系统，负载敏感比例阀，先导手柄控制。

四、井下工业性试用

选择双龙煤业井下西北旧回风巷三条巷道做试验，第一条巷道长150m，断面4.5m×2.5m；第二条巷道长100m，断面4.5m×2.5m，中间有联巷；第三条巷道长380m，断面5.5m×3.5m。两端往联巷后退式抛矸充填，第一、第二条巷道充填时，由于巷道矮，用铲斗装载机转矸，收料装载机扒渣上料，先把特大块矸石挑选出来，用铲斗装载机单独运到充填工作面两侧。

抛矸充填机加装了视频遥控远控系统，克服了井下安装调试的难点，实现了视距遥控、视频遥控和地表监控。遥控器和视频远控平台上设有一键抛矸功能键，通过抛矸充填机抛射皮带前方左右侧雷达传感器和油缸上的位移传感器实现程序化左右上下摆动，实现了收料装载司机一人操控收料装载机和抛矸机。在抛矸充填机后方设有人员靠近传感器，实现了人员靠近报警；通过AI摄像头可发现异常人员靠近，进而强制干预停电停机，实现了地表监控。

在试验中，由于加大了抛矸皮带前部推平器的推进力（18t）和推铲面积，推挤效果较好，结顶率可达98%以上。由于抛矸速度可调，抛矸适应能力强，抛矸液压滚筒运行稳定，达到了高可靠性的目的。

智能化抛矸充填设备在双龙煤业使用了7个多月，每天可充填矸石150m3，已充填5条巷道、巷道长度1100多m，累计充填矸石23129m3，抛矸充填达效果到了预期。