煤礦大傾角走向長壁綜采工作面布置 “三機”選型與配套淺析

近年來，隨著采礦業(yè)技術(shù)的不斷革新，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用日益出現(xiàn)緊張局勢，為了滿足大型化工工業(yè)用煤需求，不得不對一些煤層賦存不穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件極其復雜的礦山進行開采，進而涌現(xiàn)出一系列大傾角走向長壁綜采工作面。

然而，經(jīng)過個人長期不斷地探索總結(jié)和理論分析，就大傾角綜采工作面“三機”選型與配套回采所存在的問題進行淺析，文中存在不足之處歡迎社會煤炭行業(yè)人士批評指正進一步討論，

目前，大傾角走向長壁綜采工作面回采過程中主要存在以下突出問題：

1.“三機”運行時所固有的支架出現(xiàn)倒滑；

2.采煤機上行牽阻力大且制動困難和刮板機下滑等問題；

3.工作面上端頭巷道維護和管理難度大；

4.采高超過3.5米時，煤壁、架前及架間作業(yè)安全系數(shù)低；

5.支架的工作阻力越大，工作面推進時制約單產(chǎn)的因素較多；

6.工作面下部與機巷之間的位置關系。

為了實現(xiàn)煤礦大傾角綜采面安全高效、平穩(wěn)有序、經(jīng)濟合理回采，歷經(jīng)大批可研與技術(shù)工作者的共同努力，致使我國大傾角煤層現(xiàn)代化開采技術(shù)不斷提高。綜合機械化是難采的大傾角煤層安全高效開采的根本出路。“三機”選型與配套是否合理，直接影響整個礦井的安全生產(chǎn)和各項技術(shù)經(jīng)濟性能指標。

目前，多數(shù)礦井大傾角綜采面的“三機”選型配套仍然基本沿用近水平綜采工作面“三機”選型配套方法，并未針對煤層傾角大、地質(zhì)條件復雜等特殊條件，因地制宜的系統(tǒng)研究“三機”選型配套關鍵技術(shù)，導致選型配套不佳，嚴重制約了礦井安全高效開采。

1.大傾角“三機”選型

大傾角“三機”選型的關鍵是“三機”能適應煤層傾角大這一特殊復雜條件：

1.1 即支架能自身防倒防滑，即使出現(xiàn)滑到也能通過調(diào)整順利及時復位；

1.2 采煤機牽引力足、制動可靠、潤滑效果好；

1.3 刮板機的強度足以滿足采煤運行與制動的要求，況且能夠抑制煤炭自溜，使得煤炭比較均勻運輸。

2.液壓支架

大傾角液壓支架是“三機”選型的重點核心要素，其選型的關鍵在于支架應加裝防倒防滑裝置，便于實現(xiàn)自身的防倒防滑；合理的架型與較高的初撐力以及帶壓移架功能有利于實現(xiàn)支架的穩(wěn)定性；支架連接耳銷等部件強度要高；安全防護系統(tǒng)完善；加裝抬底裝置便于軟底下的移架操作。

2.1 支架架型

大傾角工作面液壓支架隨著工作面傾角增大，支架重力切向分力會隨之增大，而法向分力減小。綜合分析：為實現(xiàn)支架自穩(wěn)，大傾角工作面中，傾角越大，支架重量需越小。在保證支護性能的前提下，應盡可能地減輕支架的重量，一般選用重量較輕的兩柱式掩護支架。

2.2 工作阻力與初撐力

大傾角液壓支架選型時，重點考慮支架的穩(wěn)定性，支架的工作阻力（P=9.8N SγMcosα）應適中（以具體礦的礦壓研究結(jié)果所確定支架的工作阻力為依據(jù)），不應像淺埋近水平煤層大采高支架那樣選擇過高的工作阻力。否則，過高的工作阻力使得支架重量增大，不利于支架在斜面的穩(wěn)定控制。為保證支架的穩(wěn)定性，支架初撐力提高至工作阻力的80%-90%，且配備初撐力保持閥，確保支架達到初撐力。

2.3 防倒防滑裝置

大傾角支架防倒防滑裝置是在相鄰支架頂梁下安裝防倒千斤頂，底座安裝防滑千斤頂或千斤頂一端與上鄰架底座相連，另一端通過錨鏈斜拉與支架頂梁相連接。但安裝防倒防滑千斤頂后，支架的靈活性降低，拉架時操作復雜。一般在排頭排尾3-5架支架安裝防滑防倒千斤頂，以保證排頭排尾支架的整體穩(wěn)定性。

2.4 支架側(cè)護板和底調(diào)裝置

側(cè)護板采用調(diào)護并舉的雙側(cè)雙活箱型結(jié)構(gòu)以提高調(diào)架力，使支架側(cè)護板緊貼并主動防滑，同時加大支架側(cè)護板千斤頂和底調(diào)千斤頂缸徑，使支架具有最大的側(cè)推力以保證支架的側(cè)向穩(wěn)定性。

2.5 支架頂梁與底座

支架頂梁采用整體結(jié)構(gòu)，對頂板載荷的平衡能力較強。支架連桿應具有較強的抗扭性能。底座適當加寬以提高支架的穩(wěn)定性。

2.6 安全防護性能

為確保支架操作安全性，支架采用鄰家操作方式，為解決大傾角綜采面“飛矸”傷人損物問題，支架加設液壓支架升降與開閉的“縱-橫”剛性防護系統(tǒng)；支架設置行人臺階及扶手，并在支架底座前端頂面焊接行人防滑條，以保障行人安全。

2.7 其它

大傾角液壓支架底座采用抬底裝置。當遇到底板松軟或軟巖底座下陷時，移架采用抬底裝置使支架底座前端抬起。這樣既有利于帶壓擦頂移架，保持頂板對支架的約束力，還能抑制移架時底座前端鏟起（底）浮煤；另外在支架底座前端加裝刮板輸送機防滑或上調(diào)千斤頂，可抑制刮板輸送機向下滑移或滑移后上調(diào)。耳銷需要精心縮小銷軸與銷孔間隙，提高銷孔與銷軸壁的強度，以適應大傾角條件下支架承受較大的側(cè)向力。

3.采煤機

大傾角采煤機選型的關鍵在于采煤機制動可靠、牽引力足、潤滑效果好、裝煤效率高和可遙控操作。

4.刮板輸送機

大傾角工作面刮板輸送機宜選用全封底鑄焊結(jié)構(gòu)或者整體鑄造結(jié)構(gòu)，減小煤層對底板比壓降低底刮板和刮板鏈上行與底板摩擦阻力，改善刮板機的防滑性能；因工作面煤層傾角在35°以上，煤炭可自留，大傾角刮板輸送機主要限制煤炭自溜以均勻運出，宜采用單電機驅(qū)動；同時，采用準邊雙鏈，鏈條摩擦阻力小容易更換；在刮板輸送機機尾設置排出回煤的窗口，確保能及時清理底槽回煤，防止回煤堆積影響刮板輸送機正常運行，電纜槽上部應增設可翻轉(zhuǎn)擋煤矸板或者柔性膠帶，減少割煤時煤矸涌入電纜槽，電纜槽內(nèi)幫增設千斤頂控制的可升降縱向擋煤板，防止煤矸飛入行人通道。

5.大傾角“三機”配套

5.1 設備防滑配套

5.1.1 刮板輸送機與液壓支架配套技術(shù)

前部刮板輸送機采用加強型單耳與支架推移桿通過Y形連接件相連，且強度高于Y形連接件，保護單耳不被破壞，最終使液壓支架與刮板輸送機形成一個防滑系統(tǒng)，加強整體的防滑效果；

5.1.2 刮板輸送機與采煤機防滑配套技術(shù)

大傾角工作面管板輸送機以支撐采煤機運行與制動為主，運煤為輔，是采煤機防滑與制動的依托。因此，大傾角工作面刮板輸送機的銷排和銷排座應改為加強型，在刮板機下部焊接楔形板，使采煤機重心向采空區(qū)側(cè)移動，提高采煤機的穩(wěn)定性，減小支撐滑靴的磨損量，采煤機的滑靴采用鍛焊結(jié)構(gòu)，避免因滑靴磨損過快造成行走輪與銷排不能正常嚙合，甚至導致行走輪損壞。

5.2 幾何尺寸配套

大傾角綜采工作面的“三機”幾何關系配套的關鍵是考慮處于大傾角斜面的刮板機、采煤機和液壓支架相互配合尺寸，保證設備運行時相互不發(fā)生干涉，并使其配套設備的效能最大的發(fā)揮。

從安全角度考慮，端面距T應盡可能小，以防止漏頂，特別是大傾角軟煤工作面端面易漏冒并沿著傾斜向上不斷蔓延，護頂難度大、安全隱患多。但是從配套方面考慮，端面距T應盡可能過大，以免滾筒與梁端干涉。通常采用支架伸縮梁和可升平的護幫板來臨時封閉端面距以平衡其既要大又要小的矛盾關系。

在配套時，立柱與支架底座絞結(jié)點到煤壁距離R中包含了端面距，R應盡可能小，但其受設備配套限制：

R=B+E+F+G+J+V+X

式中：B——截深，mm；E——煤壁與鏟煤板之間留設的間隙，mm；F——鏟煤板寬度，mm；G——刮板機中部槽寬度，mm；J——導向槽寬度，mm；V——電纜槽寬度，mm；X——底座與立柱絞結(jié)點到電纜槽的距離，mm。

上述“三機”配套圖在實際具體配套時是嚴格依據(jù)支架與溜槽垂直，且推移步距等于截深，配套尺寸單位為mm并按照比例精確繪制，但在大傾角工作面中，由于支架重心偏后及支架掩護梁受采空區(qū)冒落的矸石滑滾等原因，導致支架尾部下擺，上鄰支架尾部下擺，造成支架尾部擠緊，更為嚴重的是，側(cè)護板掩護梁壓在下鄰架立柱上。

支架尾部下擺直接導致立柱與底座絞結(jié)點到煤壁R、梁端距T變小，有效推移步距減小，引起采煤機滾筒與支架梁端出現(xiàn)干涉。

支架尾部下擺導致支架頂梁下端向煤壁前移，移動量為：

根據(jù)長期現(xiàn)場觀測研究發(fā)現(xiàn)，大傾角綜采工作面尾部經(jīng)常下擺，綜放支架下擺更為越嚴重，導致支架頂梁梁端與煤壁不平行，推移桿與溜槽不垂直，有效推移步距減小，最終造成滾筒與梁端出現(xiàn)干涉。

由于被大傾角綜采工作面采煤機裝煤效果差，特別是沿著真傾斜布置工作面自下向上割煤時裝煤效果最差，導致浮煤量較大，尤其是刮板輸送機頭部和工作面凹陷段浮煤量最大，遇水泥化的浮煤在刮板輸送機與煤壁處淤積，不易清理，推溜受阻。推溜后被擠壓的浮煤寬度L導致刮板輸送機推移步距不足截深。

現(xiàn)場雖然采用拉線移架，僅僅是支架被拉成了一條直線，但刮板輸送機并未掛線，有時拉架時又將推出的刮板機拉回一些距離。

基于上述分析，考慮支架在斜面因重心偏后導致支架尾部下擺，支架縱向軸線與刮板輸送機或煤壁不垂直以及浮煤量大，及拉架時又拉回少許刮板輸送機，致使有效推溜步距減小，大傾角綜采面實際出現(xiàn)滾筒與支架頂梁干涉。具體解決方法是在所繪制的“三機”幾何尺寸配套圖的基礎上，適當加長推移桿（30-50mm），增大端面距以消除干涉。液壓鎖雖然可以保證刮板輸送機不被拉回，但是易出現(xiàn)故障影響拉架推溜不被采用。

雖然可通過調(diào)整支架使得支架尾部上移，頂梁前邊平行煤壁，消除梁下端向煤壁前移量，使得滾筒不再與頂梁干涉，但是現(xiàn)場調(diào)整支架極其頻繁，且難度較大，影響割煤時間。再者由于浮煤量大，導致推溜受阻，難以推溜到位，需要將浮煤人工清理后才能推溜到位，勞動強度大，特別是清煤工受飛煤矸威脅，安全隱患極大。支架推移桿加長簡單易行，但隨之帶來加長后端面距增大，這可通過相應加大伸縮梁行程來彌補，以收到消除干涉和安全可靠之效。

5.3 圓弧段布置“三機”選型配套

大傾角特厚煤層走向長壁綜采工作面為了有效遏制開采設備的整體下滑和支架倒滑，提高支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用“水平—圓弧—斜線”過渡布置方式，簡稱圓弧段布置方式。由于工作面采用了圓弧段過渡布置方式，前部刮板輸送機的上段處于斜面上，下段處于“圓弧—水平”面上，采煤機由斜面向“圓弧—水平”面運行時，采煤機的行走滾輪與銷排未能最佳耦合；當采煤機割煤運行到工作面的“圓弧—水平”水平段時，因適當挑頂提底以保持圓弧段的正常曲率半徑，實現(xiàn)采煤機的行走滾輪與銷排的良好耦合；為此需在采煤機上加裝挑頂以及切底量顯示裝置來提示采煤機司機恰當?shù)靥繇敾蛱岬撞僮?，還需要縱向配套尺寸檢查圖來驗證最小采高時采煤機能順利通過圓弧段。這正是大傾角綜采面圓弧段過渡布置與大傾角直線布置工作面“三機”配套的顯著區(qū)別。

值得注意的是，采煤機在圓弧段割煤時，采高不能低于過機高度，否則采煤機在圓弧段癟卡。

圓弧段布置方式對支架的選型也有特殊的要求。處于圓弧段支架頂梁受擠壓，支架頂梁間呈線接觸，相鄰支架底座間隙較大。因此，直線段的支架不宜適應圓弧段布置方式，圓弧段支架為窄頂梁寬底座支架以便能適應圓弧段曲率，將頂梁線接觸改為面接觸。

目前綜采面所使用的刮板機立面最大彎曲3°，制約了圓弧曲率半徑下限，使得圓弧段布置適應較厚煤層。因此，適當增大刮板輸送機立面最大彎曲度以降低圓弧曲率半徑下限，并統(tǒng)籌考慮采煤機與銷排的耦合，擴大圓弧段過渡布置方式適用范圍，使其能夠適應傾角更大、煤層厚度更薄的煤層。

6.結(jié)論

大傾角工作面“三機”選型與配套主要通過適當加大推移桿長度，有效地解決大傾角綜采固有的因支架尾部下擺導致梁端距變小和架前浮煤量大所致的推溜距離不足而使得采煤機滾筒與支架梁端出現(xiàn)干涉的問題；大傾角特厚煤層走向長壁綜采工作面下部采用圓弧過渡段布置時，需要通過縱向配套尺寸圖檢驗最小采高的采煤機能否順利通過圓弧段；不僅豐富了綜采“三機”選型配套的內(nèi)容，而且提升了“三機”選型配套水平。