一种露天矿端帮工作面无人充填开采装置及开采方法与流程

本发明涉及露天矿端帮采煤技术领域，具体而言，涉及一种露天矿端帮工作面无人充填开采装置及开采方法。

背景技术：

近年来，我国露天煤矿生产与建设快速发展，露天煤矿产量突破7亿吨，占煤炭总产量比例由不足5％增加到17％。国内处于易滑区的露天煤矿占总量的50％以上，易滑区的露天煤矿边坡若采用高陡边坡易造成滑坡等安全事故；另一方面，国内大型露天煤矿的开采深度已达300m至600m。因此，平缓边坡和大采深意味着露天煤矿赋存大量的边帮压煤资源，据相关资料统计我国每年新增边帮压煤超过2000万吨。边帮压煤不仅造成资源浪费，而且严重影响安全生产，降低资源回收率与经济效益。

我国边帮开采技术研究对比发达国外相对滞后，边帮开采长期依赖炮采或掘进机开采等技术。近年来，连续采煤机边帮开采工艺在留设保护煤柱的基础上初步实现了百米级开采，但仍然存在安全性差，资源回收率低、经济效益差的问题。各地政府主管部门出于上述问题考虑陆续出台相关政策文件，明确要求边帮开采需要结合充填技术，实现绿色开采，预防煤层自燃、边帮滑坡等相关安全生产事故与生态环保问题，提高资源回收率与经济效益，但国内充填技术多数应用于金属矿山与煤矿的井工开采，受困于边帮采硐无支护，人员无法进入，管线铺设困难，充实率低，接顶效果差等问题，边帮充填技术与装备基本处于空白状态，鲜有应用案例与相关报道。

因此，如何提出一种适用于露天煤矿端帮充填开采的新方法，以适应端帮开采新形势与技术发展的需求是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提出了一种露天矿端帮工作面无人充填开采方法，无需人员进入、基于流体介质的采后硐内充填方法，先“采硐-煤柱-采硐”到相对应的“充填体-采硐-充填体”，到最终“充填体-充填体-充填体”即全部充填置换，解决探入式端帮开采留设硐间永久煤柱导致资源回收率低、煤柱留设不合理导致边帮不稳定的难题。本发明提供的露天矿端帮工作面无人充填装置通过多功能支架机器人、自移式设备列车的协同作用实现作业，解决采充过程中人员无法进硐、充填管路架设困难、充实率低、接顶效果差、采充不协调、资源回收率低、破坏生态环境、安全性差的问题；本发明在工艺上，将充填作业、端帮开采工序相匹配、互不干涉，实现采充作业“空间上分离、时间上平行”。本发明装备先进、工艺新颖、技术合理，是一种能完全匹配露天煤矿端帮探入式开采要求，实现远程化、无人化作业的充填开采新方法。

有鉴于此，根据本发明的第一个目的提出了一种露天矿端帮工作面无人开采充填装置，包括无人开采装置、无人充填装置、移动控制平台；其中移动控制平台控制无人开采装置和无人充填装置；其中无人开采装置包括运输系统和抽出式通风系统；

无人充填装置包括多功能填充机器人、行走填充设备和压入式通风系统；在移动控制平台的控制下，无人开采装置在完成煤柱开采后；利用多功能填充机器人牵引行走填充设备完成采硐填充。

进一步的，多功能填充机器人包括充填行走支架，支架顶板、液压支柱、推移油缸、挡板、密封气囊和高清可视装置；推移油缸设置在充填行走支架上，与挡板连接；密封气囊设置在挡板的四周；液压支柱设置在充填行走支架上，其上端连接支架顶板；充填行走支架设置高清可视装置包括摄像头和照明灯；摄像头分别为前摄像头、后摄像头和可伸缩探头；前摄像头设置在充填行走支架的端部；后摄像头设置在支架顶板尾部；可伸缩探头设置在支架顶板端部。

优选的，充填行走支架为填充自行走支架，为履带或者胶轮式填充自行走支架。

优选的，多功能机器还包括若干定位装置，分别对管道、电缆等进行固定。

优选的，推移油缸和挡板连接，其中推移油缸为可伸缩液压油缸，为挡板提供向前支撑力其支撑范围和面积可根据采硐断面变化可变。

优选的，照明灯设置在支架顶板前端和后端；其中支架顶板前端和后端还设置有瓦斯传感器、粉尘传感器；可跟随支架顶板升降而升降，用以行走指引、监测前方顶部、两帮的漏浆情况、以及充填距离的控制等功能。

优选的，前摄像头和后摄像头为高清摄像头，用以观察前方底板、跑漏浆，后方同自移列车的距离控制。

优选的，密封气囊为可变任意形状的气囊，具有一定的伸缩弹性和耐磨性，可根据接触面工况实时控制充、排气囊内气体。本发明中在挡板周围镶嵌密封气囊，结合推移油缸为可伸缩液压油缸，保证充填灌浆期间不跑浆。

进一步的，挡板上开设注料孔和排气孔；注料孔设置在挡板上部；排气孔不少于两个，对称设置在注料孔两侧；注料孔和排气孔外分别设置与其相适配的孔塞；可伸缩探头穿过排气孔。

优选的，可伸缩探头为可前探旋转式高清摄像头，可实现自行从排气孔伸入和退出，可通过可伸缩探头伸入排气孔中观察注料情况。

进一步的，注料孔外加设密封圈。

本发明在注料孔外加设密封圈防止接顶漏浆。

进一步的，挡板内外两侧的两边均间隔设置监测条；监测条上间隔布置应力传感器和温度传感器。

本发明中可根据每个监测条上间隔布置应力传感器和温度传感器，根据压力与温度充填过程中用于确定充填体液面高度、初凝。

优选的，充填行走支架上设置伸缩稳定靴，对充填行走支架进行定位和固定。

进一步的，行走填充设备包括内到外依次设置的设备列车，移动绞车、充填泵站，其中若干设备列车依次收尾相连，前端连接多功能填充机器人，尾端连接移动绞车；其中充填泵站通过前端装有注料管的充填钢管进行注料；注料管穿过注料孔；充填钢管前端设置在行走支架装置上；中部设置在设备列车上，尾部与充填泵站连接。

优选的，注料管为伸缩注料管；可实现自行从注料孔伸入和退出。

优选的，充填钢管依次采用高压软管首尾相连，便于拆装和移动；首节充填钢管通过管路吊挂装置悬挂于支架顶板上；末节充填钢管连接充填泵站的管路。

优选的，压入式通风系统包括局部通风机和风筒；若干风筒之间用风筒快速连接器连接；末节风筒连接局部通风机，设置在设备列车上；首节风筒通过管路吊挂装置悬挂于支架顶板上；形成风筒进风、采硐回风的压入式通风系统。

优选的，若干设备列车为之间利用插入式连接销轴固定的方式，自带行走驱动，每隔一段距离安设有可旋转高清摄像头、照明灯，并且有固定充填钢管、风筒、设备电缆、信号传输电缆线、高压气管等装置。

本发明中的多功能填充机器人、自移式设备列车均可通过移动控制平台控制，实现人员均在硐外进行远程干预、操控，硐内无人作业。

进一步的，运输系统包括由内到外依次设置的连续采煤机，速连胶带运输单元，步进式行走平台，移动式卸料部；若干速连胶带运输单元依次收尾相连，首端连接连续采煤机，尾端骑跨于步进式行走平台上；步进式行走平台尾部与移动式卸料部搭接。

优选的，抽出式通风系统为风筒；若干风筒之间用风筒快速连接器连接；首节风筒连接连续采煤机的机载除尘风机出风口；风筒前端吊挂于速连胶带运输单元之上，末节风筒吊挂于步进式行走平台，形成沿采硐进风，风筒回风的抽出式通风系统。

根据本发明的第二个目的提出了一种充填开采露天矿端帮工作面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)端帮开采区域内规划若干采硐与若干煤柱，初采利用探入式采硐回采使得端帮开采区域呈现“初采采硐—煤柱—初采采硐”状；煤柱宽度不小于初采采硐的宽度；

(2)同时对若干初采采硐进行流体介质填充并继续端帮开采，其中开采工作面与充填工作面的数量比为1:2-3；单位时间内开采工作面推进距离等于若干充填工作面充填步距之和；初采初填呈现“充填体—煤柱—充填体”状；

(3)复采复充；对充填体间煤柱采硐回采与充填，形成“充填体—充填体—充填体”状；

(4)重复步骤(1)-(3)，直至将全部端帮煤炭全部回收完毕。

本发明中依据开采推进速度与深度、泵站充填能力、充填材料初凝时间等确定充填步距、注料管长度、充填工作面数量，确保开采速度与充填速度时间匹配，即单位时间内开采推进距离等于若干充填工作面充填步距之和。其中开采方法和充填方法具体为：

开采方法

在工业广场内布置连续采煤机等开采、运输、通风设施并完成连接，由连续采煤机在导航指引下向边帮深部推进，完成破煤、装煤的工序；采硐内无需采取支护；速连胶带运输单元将采出煤炭运出，并通过步进式行走平台与移动式卸料部将煤炭运移至指定区域，完成运煤工序；开采过程中速连胶带运输单元随连续采煤机的前进，前进一定长度之后，用叉车运输速连胶带运输单元，通过增加胶带运输单元数量延长运输长度，同时增加风筒，延长通风系统长度，达到指定采深后撤出采硐内所有开采装备，重复上述步骤，开采下一条采硐。

充填方法

为在工业广场内布置充填行走支架等充填管路、通风设施并完成连接，充填行走支架在导航指引下到达指定位置后撑起液压支柱、伸出稳定靴、对密封气囊充气加压，快速完成充填空间密闭工序；设备列车在充填行走支架牵引下前进，车上布置充填管路、风筒、电缆、信号传输线、高压气管等；开启局部通风机与充填泵站，进行充填工序，充填过程中通过应力传感器、温度传感器、摄像头等监测工况。最后通过推移油缸压实充填体，完成当前工作面的所有充填工序，依次完成第2个和第3个充填工作面。当前工作面充填的同时，清洗前一个工作面充填管路，并准备下一个工作面充填密闭空间，直至采硐完全充满，进行下一组进行充填工作。

本发明中

进一步的，步骤(3)中充填体间煤柱采硐回采的方法为；将充填体间煤柱划分为复采规划采硐和对称分布在复采规划采硐两侧的复采规划窄小煤柱；将复采规划采硐回收完毕后，再依次回收复采规划窄小煤柱。

进一步的，步骤(2)中流体介质为以剥离物为骨料与低标号水泥材料胶结而成的似膏体、膏体，或高水材料。

通过以上技术方案，本发明提出了一种露天矿端帮工作面无人充填开采装置及方法，具有如下技术效果：本发明针对边帮开采过程中人员无法进硐、充填管路架设困难、充实率低、接顶效果差、采充不协调、资源回收率低、破坏矿区生态环境、边坡安全性差的问题，发明一种露天矿边帮无人充填开采方法，提高资源回收率、经济效益、安全性，实现安全、高效、绿色开采，为露天煤矿边帮充填开采提供解决途径。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为露天煤矿边帮探入式初采初充系统布置图；

图2为露天煤矿边帮探入式复采复充系统布置图；

图3为图1与图2中a-a位置的开采系统布置图；

图4为图1与图2中b-b位置的充填系统布置图；

图5为充填工作面设备布置示意图；

图6为充填挡板结构示意图；

图中：1-采硐，2-煤柱，3-煤层，4-上覆岩层，5-充填体，6-窄小煤柱，7-复采规划采硐，8-复采规划窄小煤柱，9-连续采煤机，10-速连胶带运输单元，11-步进式行走平台，12-风筒，13-局部通风机，14-移动式卸料部，15-采出煤炭，16-叉车，17-移动控制平台，18-充填行走支架，19-设备列车，20-充填钢管，21-移动绞车，22-充填泵站，23-挡板，24-伸缩注料管，25-推移油缸，26-前摄像头，27-后摄像头，28-支架顶板，29-伸缩稳定靴，30-液压支柱，31-管路吊挂装置，32-高压软管，33-风筒快速连接器，34-销轴，35-密封气囊，36-应力传感器，37-温度传感器，38-注料孔，39-密封圈，40-排气孔，41-可伸缩探头。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提出了一种露天矿端帮工作面无人充填开采装置及方法，本发明提供的露天矿端帮工作面无人充填装置通过多功能支架机器人、自移式设备列车的协同作用实现作业，解决采充过程中人员无法进硐、充填管路架设困难、充实率低、接顶效果差、采充不协调、资源回收率低、破坏生态环境、安全性差的问题，利用上述充填开采装置无需人员进入、基于流体介质的采后硐内充填方法，先“采硐-煤柱-采硐”到相对应的“充填体-采硐-充填体”，到最终“充填体-充填体-充填体”即全部充填置换，解决探入式端帮开采留设硐间永久煤柱导致资源回收率低、煤柱留设不合理导致边帮不稳定的难题。

实施例1

一种露天矿端帮工作面无人充填开采装置，包括无人开采装置、无人充填装置、移动控制平台17；其中移动控制平台17控制无人开采装置和无人充填装置；其中无人开采装置包括运输系统和抽出式通风系统；

无人充填装置包括多功能填充机器人、行走填充设备和压入式通风系统；在移动控制平台17的控制下，无人开采装置在完成煤柱2开采后；利用多功能填充机器人牵引行走填充设备完成采硐1填充。

多功能填充机器人包括履带式填充自行走支架，支架顶板28、液压支柱30、可伸缩液压油缸、挡板23、密封气囊35、瓦斯传感器、粉尘传感器和高清可视装置；推移油缸25设置在充填行走支架18上，与挡板23连接；密封气囊35设置在挡板23的四周；液压支柱30设置在充填行走支架18上，其上端连接支架顶板28；充填行走支架18下方设置伸缩稳定靴29；充填行走支架18上设置高清可视装置包括高清摄像头和照明灯；瓦斯传感器、粉尘传感器和照明灯设置在支架顶板28前端和后端；可跟随支架顶板28升降而升降；摄像头分别为前摄像头26、后摄像头27和可前探旋转式高清摄像头；前摄像头26设置在充填行走支架18的端部；后摄像头27设置在支架顶板28尾部；可伸缩探头41设置在支架顶板28端部。挡板23上开设注料孔38和排气孔40，注料孔38外加设密封圈39，注料孔38设置在挡板23上部；排气孔40不少于两个，对称设置在注料孔38两侧；注料孔38和排气孔40外分别设置与其相适配的孔塞；可前探旋转式高清摄像头能自行从排气孔40伸入和退出。挡板23内外两侧的两边均间隔设置监测条；监测条上间隔布置应力传感器36和温度传感器37。

行走填充设备包括内到外依次设置的设备列车19，移动绞车21、充填泵站22，其中若干设备列车19利用插入式连接销轴34固定的方式依次收尾相连，自带行走驱动，首节设备列车19前端连接多功能填充机器人，末节设备列车19连接移动绞车21每隔一段距离安设有可旋转高清摄像头、照明灯，并且有固定充填钢管20、风筒12、设备电缆、信号传输电缆线、高压气管等装置；其中充填泵站22通过前端装有伸缩注料管24的充填钢管20进行注料；伸缩注料管24穿过注料孔38；充填钢管20依次采用高压软管32首尾相连，首节充填钢管20通过管路吊挂装置31悬挂于支架顶板28上；末节充填钢管20连接充填泵站22的管路。

压入式通风系统包括局部通风机13和风筒12；若干风筒12之间用风筒快速连接器33连接；末节风筒12连接局部通风机13，设置在设备列车19上；首节风筒12通过管路吊挂装置31悬挂于支架顶板28上；形成风筒12进风、采硐1回风的压入式通风系统。

运输系统包括由内到外依次设置的连续采煤机9，速连胶带运输单元10，步进式行走平台11，移动式卸料部14；若干速连胶带运输单元10依次收尾相连，首端连接连续采煤机9，尾端骑跨于步进式行走平台11上；步进式行走平台11尾部与移动式卸料部14搭接。

抽出式通风系统为风筒12；若干风筒12之间用风筒快速连接器33连接；首节风筒12连接连续采煤机9的机载除尘风机出风口；风筒12前端吊挂于速连胶带运输单元10之上，末节风筒12吊挂于步进式行走平台11，形成沿采硐1进风，风筒12回风的抽出式通风系统。

利用上述装置充填开采露天矿端帮工作面的方法：

(1)端帮开采区域内规划若干采硐1与若干煤柱2，初采利用探入式采硐1回采使得端帮开采区域呈现“初采采硐—煤柱2—初采采硐”状；煤柱2宽度不小于初采采硐的宽度；

(2)同时对若干初采采硐进行流体介质填充并继续端帮开采，其中开采工作面与充填工作面的数量比为1:2-3；单位时间内开采工作面推进距离等于若干充填工作面充填步距之和；初采初填呈现“充填体5—煤柱2—充填体5”状；

(3)复采复充；将充填体5间煤柱2划分为复采规划采硐7和对称分布在复采规划采硐7两侧的复采规划窄小煤柱8；将复采规划采硐7回收完毕后，再依次回收复采规划窄小煤柱8，对充填体5间煤柱2采硐1回采与充填，形成“充填体5—充填体5—充填体5”状；

(4)重复步骤(1)-(3)，直至将全部端帮煤炭全部回收完毕。

结合附图1～6所示，对本发明的具体实施方式做进一步说明。

规划工作面、协调采充关系：如图1所示，边帮开采区域划分若干区段，区段内依据地质条件、连续采煤机9截割宽度、复采时留设窄小煤柱6宽度等因素规划，上覆岩层4、采硐1、煤柱2。完成开采规划后依据开采推进速度与深度、泵站充填能力、充填材料初凝时间等确定充填体5的长度，伸缩注料管24的长度，充填工作面数量，确保开采速度与充填速度匹配，即单位时间内开采推进距离与数个充填工作面充填体5长度之和相等。如图2所示，区段内初采完成后，开采装备立即返回区段首采采硐遗留煤柱2位置进行复采工作，依次回收煤柱2，此时复采规划采硐7，两侧留设复采规划窄小煤柱8，充填工作面完成初充工作后立即返回区段开始位置，依次完成复充工作。

本发明中的开采方法和填充方法如下：

如图3所示，安装开采装备，在边帮外围的工业广场安装开采装备，由开采工作面往外依次是连续采煤机9，速连胶带运输单元10，步进式行走平台11，风筒12，移动式卸料部14，移动控制平台17。首节速连胶带运输单元10前端连接连续采煤机9的运输部尾部，中部速连胶带运输单元10首尾相接，末节速连胶带运输单元10骑跨于步进式行走平台11的运输部的轨道上，步进式行走平台11的运输部尾部与移动式卸料部14搭接，由此构成完整的运输系统。风筒12吊挂于速连胶带运输单元10之上，风筒12间相互连接，首节风筒12前端连接连续采煤机9机载除尘风机出风口，末节风筒12后端吊挂于步进式行走平台11，形成沿采硐1进风，风筒12回风的抽出式通风系统。

进行边帮开采：开采时依次启动移动控制平台17、移动式卸料部14、步进式行走平台11、速连胶带运输单元10、连续采煤机9除尘风机后，连续采煤机9升起截割滚筒，由上往下截割煤层3，采硐1不进行支护。完成截割循环后，连续采煤机9向前推进，速连胶带运输单元10同步前进，探入开采一定距离后，当步进式行走平台11的运输部上可容纳速连胶带运输单元10时，停止采煤作业，由叉车16将速连胶带运输单元10放至步进式行走平台11的运输部轨道上，并与前部速连胶带运输单元10连接，延长运输系统。同时在速连胶带运输单元10上吊挂风筒12，并与前后风筒12快速连接，延长通风系统。采出煤炭15通过卡车或装载机等辅助运输设备将采出煤炭15运往指定存储位置。到达指定采深后，停止开采，撤出开采装备，开采下一条采硐1。

如图4所示，安装充填装备：由充填工作面往外依次是充填行走支架18，设备列车19，局部通风机13，移动绞车21，充填泵站22。首节设备列车19前端连接连续采煤机9的尾部，中部设备列车19首尾相接，用销轴34固定，末节设备列车19连接移动绞车21。设备列车19上放置充填钢管20、风筒12、设备电缆、信号传输线、高压气管。充填钢管20之间用高压软管32连接，便于拆装和移动，首节充填钢管20通过管路吊挂装置31悬挂于支架顶板28，并在前端装有伸缩注料管24，末节充填钢管20连接充填泵站22的管路22。风筒12之间用风筒快速连接器33连接，便于拆装，首节风筒12通过管路吊挂装置31悬挂于支架顶板28，末节风筒12连接局部通风机13，形成风筒进风、采硐1回风的压入式通风系统。

采硐1充填：依据采充协调规划，在工业广场内布置充填工作面，此处以3个充填工作面为1组说明。如图5和图6所示，充填行走支架18为履带式行走，在导航指引下进入采硐1，行进过程中逐个连接设备列车1918及充填管路20、风筒12，到达指定位置后撑起液压支柱30、伸缩稳定靴29、通过推移油缸25调整挡板23、对密封气囊35充气加压，快速形成密闭的充填空间。充填泵站22将充填材料通过充填钢管20、高压软管32、伸缩注料管24注入密闭空间。伸缩注料管24通过注料孔38，并与挡板23间增加密封圈39，防止接顶漏浆。充填过程中伸缩注料管24缓慢伸缩运动，保证充填材料分布均匀。在挡板23上的两侧安装监测条，每个监测条上间隔布置应力传感器36和温度传感器37，根据压力与温度充填过程中用于确定充填体5液面高度，充填完成后用于确定材料初凝情况。在上述整个过程中，局部通风机13一直处于供风状态，通过前摄像头26和后摄像头27监测设备运行情况，所有监测图像、数据通过信号传输线发送至移动控制平台17。充填接顶后停止充填工作，通过推移油缸25压实充填体5。当前采硐1充填工作完成后，依次完成第2个和第3个充填工作面。在第2个充填工作面充填的同时，清洗前1个工作面充填管路。在第3个充填工作面充填的同时，清洗第2个工作面充填管路的同时准备下一循环充填工作，即利用移动绞车21后撤第1个充填工作面的行走充填支架18，拆卸设备列车19、充填钢管20、风筒12，准备充填密闭空间。组内重复该操作步骤，直至完全充满3条采硐1，之后进行下一组进行充填工作。

重复上述边帮开采和采硐1充填工作，直至完成整个边帮所有区段的采充工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。