蘇林軍，佟 友

天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部 北京 100013

鐵煤集團(tuán)大興礦(以下簡(jiǎn)稱“大興礦”)2019 年產(chǎn) 240 萬(wàn) t，井田位于鐵法煤田的西南角，火成巖侵入及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層破壞程度嚴(yán)重[1-2]。受火成巖影響，煤層瓦斯含量大幅增加[3-4]，滲透性能差，力學(xué)強(qiáng)度低，煤的含水率低，自然發(fā)火期較短，是煤與瓦斯突出礦井。在采煤過(guò)程中，防治自然發(fā)火是重中之重，綜采設(shè)備在設(shè)計(jì)初期未考慮實(shí)施滅火的操作空間，為此，筆者提出通過(guò)改造綜采設(shè)備增加實(shí)施滅火的操作空間，降低出現(xiàn)自然發(fā)火災(zāi)害時(shí)防治的難度，保證采煤安全。

1 工作面及主要配套設(shè)備情況

大興礦 N1-708 工作面，煤類為氣煤，煤層厚度為 1.22～3.96 m，一般為 3.4 m，工作面配備 ZY6400/23/47 型液壓支架，由于受 4-2 與 7-2 煤層之間火成巖侵入體的影響，7-2 煤層局部有可能被吞蝕或是變質(zhì)形成天然焦。

煤層垂直節(jié)理發(fā)育，走向近東西，煤層呈黑色，由暗亮煤組成，條帶結(jié)構(gòu)。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有夾石，一般在 0.05 m 左右，巖性以泥巖、粉砂巖為主，硬度較小。自然發(fā)火期為 1～3 個(gè)月，較短，煤塵爆炸指數(shù)為 28.79%。

工作面主要配套設(shè)備為：中部支架為 Z Y 6400/23/47 型掩護(hù)式液壓支架；過(guò)渡支架為 ZYG 6400/23/47 型掩護(hù)式過(guò)渡液壓支架；刮板輸送機(jī)為 SGZ1000/2×700 型刮板輸送機(jī)；采煤機(jī)為MG650/1620-WD 型電牽引采煤機(jī)。

2 液壓支架的改造設(shè)計(jì)

2.1 液壓支架改造必要性

ZY6400/23/47 型掩護(hù)式液壓支架中心距為 1.5 m，如圖 1 所示，支架寬度為 1.43～1.60 m。正常情況下，收回支架頂梁及掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板，架間理論最大間隙為 70 mm，向頂板及采空區(qū)鉆孔、灌漿等沒(méi)有操作空間，不能充分實(shí)施滅火措施，若工作面出現(xiàn)自然發(fā)火，滅火工作開(kāi)展起來(lái)十分困難。井下作業(yè)人員嘗試在拉架過(guò)程中，采用支撐千斤頂將相鄰兩支架支撐開(kāi)來(lái)，加大相鄰支架間隙，留出操作空間，但是實(shí)際效果很差。因?yàn)橹Ъ芮岸送ㄟ^(guò)推桿與刮板輸送機(jī)鉸接定位，后部在向兩側(cè)動(dòng)作時(shí)又有其他支架限制，當(dāng)支架支撐間隙達(dá)到 100 mm 左右后就很難增加，該間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了鉆孔、灌漿對(duì)操作空間的需求，欲通過(guò)液壓支架改造來(lái)增大支架間的間隙，進(jìn)而滿足鉆孔、灌漿對(duì)操作空間的需求。

圖1 改造前支架間隙示意

2.2 液壓支架改造思路

ZY6400/23/47 型掩護(hù)式液壓支架為雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)，改造后的支架采用偏置設(shè)計(jì)，將支架左側(cè)加寬 270 mm 并改為固定側(cè)護(hù)板，支架頂梁寬度達(dá)到 1.67 m，安裝活動(dòng)側(cè)護(hù)板后支架寬度為 1.70～1.87 m，如圖 2 所示。在頂梁后端增加 200 mm×300 mm天窗，掩護(hù)梁前端設(shè)置 210 mm×600 mm 天窗，為使正常采煤過(guò)程中不漏貨，用鉸接形式安裝封閉窗口。

圖2 改造后支架間隙示意

改造支架頂梁并將掩護(hù)梁加寬 270 mm 后，支護(hù)強(qiáng)度由原來(lái)的 0.87～0.93 MPa 調(diào)整為 0.73～0.78 MPa，由于工作面每 10 架普通支架配備 1 架改造支架，即每隔 15 m 配置 1 架改造支架，雖然改造支架的支護(hù)強(qiáng)度有所下降，但由于改造支架在整個(gè)工作面所占的比例較小，基本能滿足大興煤礦工作面的支護(hù)需要。

2.3 液壓支架的改造

按照該方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并試驗(yàn)改造 1 架支架，實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的基本功能：預(yù)留作業(yè)空間。但是實(shí)際開(kāi)合窗口操作時(shí)，存在極大的安全隱患。支架支護(hù)高度為 3.2～4.5 m，從底座蓋板到頂梁及掩護(hù)梁封閉窗口距離為 2.7～4.0 m，沒(méi)有輔助支架無(wú)法拆下一側(cè)鉸接銷軸。此操作至少需要兩人同時(shí)作業(yè)，一人開(kāi)合活動(dòng)窗口(活動(dòng)窗口質(zhì)量至少 15 kg)，一人拔開(kāi)插銷。增加輔助支架后，操作人員站在窗口下方，開(kāi)合過(guò)程中從天窗孔下落的煤塊等可能對(duì)操作工人造成人身傷害?；谝陨显?，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了二次改進(jìn)。

將天窗開(kāi)合由手動(dòng)改為液壓操作，窗口設(shè)計(jì)成伸縮滑窗模式。在側(cè)板和主肋板上設(shè)置滑道，將滑窗安裝在滑道內(nèi)，并通過(guò)伸縮千斤頂推拉滑窗開(kāi)合窗口。操作者僅需要在液壓支架的安全操作空間內(nèi)操作換向閥手柄即可開(kāi)合窗口，動(dòng)作簡(jiǎn)單，無(wú)安全隱患。該方案最大的難度在于加寬側(cè)僅 300 mm 寬，既要保留滑道動(dòng)作空間，又要預(yù)留千斤頂安裝位置，另外由于加寬支架不可避免使支架偏載，還要使改造部分有足夠強(qiáng)度。對(duì)加寬部分進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，將加寬部分頂板與頂梁及掩護(hù)梁原頂板搭接 100 mm，滑動(dòng)天窗設(shè)計(jì)成不可拆卸結(jié)構(gòu)。頂梁天窗處在立柱支護(hù)區(qū)域，受到的壓力最大，為保證強(qiáng)度，在立柱支撐前端封閉固定側(cè)護(hù)板箱體，增加抗扭、抗壓強(qiáng)度，提高抗變形能力。

2.4 焊接和安全性

為了保證改造支架結(jié)構(gòu)件焊接強(qiáng)度，清除煤泥后，采用噴砂的方法對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行除銹、除漆處理。在固定側(cè)護(hù)板及滑道結(jié)構(gòu)裝配組對(duì)時(shí)，必須保證加寬頂板與原頂板的所有搭接處都能形成連續(xù)焊縫，保證焊接強(qiáng)度。焊接前對(duì)焊道進(jìn)行預(yù)熱，焊后保溫緩冷，消除應(yīng)力。焊接過(guò)程中，須控制好焊接參數(shù)，減少變形量，保證滑道運(yùn)行順暢。

頂梁及掩護(hù)梁天窗孔采用液壓操作，開(kāi)合天窗時(shí)，只需要搬動(dòng)換向閥手柄即可。天窗較長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，可將滑動(dòng)天窗上的鎖銷插上固定。改造后的支架達(dá)到了使用操作的安全可靠。

3 配套刮板輸送機(jī)的改造

根據(jù)配套技術(shù)要求刮板輸送機(jī)中部槽長(zhǎng)度與液壓支架的中心距保持一致。改造后的液壓支架中心距加大，應(yīng)相應(yīng)地加大與其配套溜槽的長(zhǎng)度。配套刮板輸送機(jī)原中部槽為 1.5 m，將其與 0.375 m 寬的調(diào)節(jié)槽組焊連接為 1.875 m，如圖 3 所示。配套制作加長(zhǎng)銷排，保證了整個(gè)工作面的配套和運(yùn)輸。

4 設(shè)備的配置

工作面每 10 架普通支架，配置 1 架改造支架；每 10 節(jié)普通中部槽，配置 1 架加長(zhǎng)中部槽。保證工作面每隔 15 m，有一處可通向頂板及采空區(qū)的打鉆、注水孔。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，改造支架已經(jīng)在大興礦 N1-708 工作面投入使用，操作簡(jiǎn)單，安全可靠，保障了采空區(qū)埋管間距，方便了埋管時(shí)期的拉架操作，更好地保證了埋管質(zhì)量和延接管路操作。通過(guò)架間埋管對(duì)采空區(qū)充填或注氮?dú)猓行ьA(yù)防內(nèi)因火災(zāi)，操作簡(jiǎn)便、易行[5-6]。

圖3 改造后的刮板輸送機(jī)與液壓支架配套

應(yīng)用加寬支架的采煤工作面，在支架后部對(duì)采空區(qū)實(shí)施鉆孔充填、注氮、注水等作業(yè)時(shí)[7-8]，提供了有效的作業(yè)空間和便利條件。將鉆機(jī)架設(shè)在工作面后，可以通過(guò)加寬處天窗，直接向目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┿@孔，與順槽或工作面開(kāi)鑿專用硐室比較，效果更好。