特厚較軟煤層開采設(shè)備的改進(jìn)與應(yīng)用

喬建偉

（陽煤集團(tuán)新景礦安監(jiān)處， 山西 陽泉 045000）

引言

我國擁有豐富的煤炭資源，其中特厚煤層資源占有很大的比重。目前，我國主要使用分層開采、放頂煤開采和一次采全高的大采高開采三種開采技術(shù)來開發(fā)厚煤層煤炭資源。為了提高工作面生產(chǎn)效率，近年來綜采放頂煤開采技術(shù)在我國得到快速發(fā)展和應(yīng)用，特別廣泛應(yīng)用于厚度大于7 m的特厚煤層開采中。但由于綜放開采有兩個出煤點的原因，造成其開采設(shè)備配備更加復(fù)雜，特別是對于較軟煤層的開采。

1 地質(zhì)概況

本文選取某采區(qū)2號煤層為研究對象。2號煤層全區(qū)可采且發(fā)育良好，煤層平均厚度為11 m，目前采用綜放開采工藝開采該煤層。2號煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖或細(xì)粒砂巖，頂板厚度為4～5m。底板巖性為砂質(zhì)泥巖或泥巖，底板厚度為2～4 m。2號煤層中煤的堅固性系數(shù)為1.2，屬較軟煤層，且該煤層屬自燃煤層，具有爆炸危險性。

2 存在的問題

2.1 液壓支架存在的問題

根據(jù)近年來對我國有代表性的特厚較軟煤層工作面參數(shù)的考察研究，其工作面傾向長度基本在150～260 m范圍內(nèi)，割煤高度一般為3.5 m左右。而現(xiàn)有液壓支架的高度普遍較低且中心距較小，影響液壓支架的穩(wěn)定性的同時也大幅度增加了液壓支架的總數(shù)量，從而導(dǎo)致移架速度較慢和勞動強(qiáng)度過大。

由于目標(biāo)煤層的煤堅固性系數(shù)較低，在超前支護(hù)時很容易發(fā)生工作面煤壁靠近頂板的上部位置和煤壁與直接頂?shù)慕唤缑婀战翘幨芗兴?、垂直和剪切?yīng)力的破壞，從而引起嚴(yán)重的安全事故。

2.2 大功率刮板輸送機(jī)啟動方式存在的問題

目前主要有雙速電機(jī)驅(qū)動、閥控充液式液力偶合器（TTT）、可控啟動傳輸裝置（CST）和變頻調(diào)速等4種3 300 V供電的輸送機(jī)軟啟動技術(shù)被廣泛采用。其中，雙速電機(jī)驅(qū)動技術(shù)主要被應(yīng)用于功率小于700 kW的設(shè)備啟動中，但當(dāng)設(shè)備功率遠(yuǎn)大于700 kW時，雙速電機(jī)驅(qū)動技術(shù)不再適用，此種技術(shù)下斷鏈和啟動失敗等故障會時常發(fā)生。

2.3 截割采煤機(jī)存在的問題

現(xiàn)有截割采煤機(jī)的搖臂高度需要每次啟動時重新進(jìn)行人工校調(diào)，這不僅耗費(fèi)時間，而且難以完全做到每次搖臂的高度基本一致，不能完全適應(yīng)特厚較松軟煤層割煤和放煤高度較為穩(wěn)定的特性。

3 工作面設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)

3.1 液壓支架的優(yōu)化改進(jìn)

3.1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

由割煤高度可確定液壓支架高度范圍應(yīng)在2.3～4.2 m，同時選擇中心距為1.75 m的支架。該中心距的支架可比中心距為1.5 m支架少布置約20架，在大幅度提高移架速度的同時也可降低井下工人的工作強(qiáng)度[1]。此外，大中心距的支架具有更大的底座承載面積和更加良好的穩(wěn)定性。因此，型號為ZF16000/23/42的支撐掩護(hù)式放頂煤支架被選用。

3.1.2 結(jié)構(gòu)形式

由于該煤層相對較低煤堅固性系數(shù)，因此選用如下頁圖1所示的具有伸縮梁結(jié)構(gòu)的前端的超前支護(hù)。在該支護(hù)形式下，兩個0.1 m缸徑的伸縮梁千斤頂被采用，其行程與工作面0.8 m的循環(huán)步距相同。由于工作面煤壁靠近頂板的上部位置和煤壁與直接頂?shù)慕唤缑婀战翘幰蛩?、垂直和剪切?yīng)力較為集中會容易被破壞，因此與水平方向呈夾角為3°的上翹伸縮梁被設(shè)計，保證了伸縮梁在伸出過程中與頂板的大面積接觸，提高了其與頂板的接觸性。

由于采高范圍在3.5～4 m之間時會在距頂板約1.2 m的煤壁處出現(xiàn)最大水平位移，由此確定1.4 m為護(hù)幫板防護(hù)的最大高度，并采用最大護(hù)幫力為387 kN、直徑為125/85 mm護(hù)幫千斤頂[2]。同時護(hù)幫板可以通過挑平來使其具備護(hù)幫以及護(hù)頂兩種功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 前端伸縮梁結(jié)構(gòu)

圖2 護(hù)幫板結(jié)構(gòu)

此外，由于砂質(zhì)泥巖或泥巖底板巖性遇水易膨脹軟化，具有抬底機(jī)構(gòu)的支架設(shè)計可避免較軟底板對工作面回采的影響，因此采用抬底力為485 kN、直徑為140/105 mm的抬底千斤頂。

3.2 大功率刮板輸送機(jī)啟動方式的優(yōu)化改進(jìn)

基于目前主要采用的雙速電機(jī)驅(qū)動、閥控充液式液力偶合器（TTT）、可控啟動傳輸裝置（CST）和變頻調(diào)速等4種3 300 V供電的輸送機(jī)軟啟動技術(shù)的優(yōu)缺點分析及其適用條件，有必要對大功率刮板輸送機(jī)啟動方式進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以避免遠(yuǎn)大于700 kW設(shè)備功率運(yùn)用現(xiàn)有的雙速電機(jī)驅(qū)動技術(shù)啟動時頻繁發(fā)生斷鏈和啟動失敗等故障。此外，雖然這些問題可以被另外三種技術(shù)有效解決，但由于對水質(zhì)和油質(zhì)的要求較高，且維護(hù)成本高，TTT和CST兩種方式并不適用。因此，在綜合考慮變頻調(diào)速技術(shù)在設(shè)備控制、設(shè)備節(jié)能和設(shè)備啟動性能等方面的突出優(yōu)勢，選用變頻調(diào)速技術(shù)驅(qū)動和控制前后部的刮板輸送機(jī)[3]。

3.3 截割采煤機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)

由于特厚較松軟煤層割煤和放煤高度較為穩(wěn)定，因此搖臂傳感器和位置傳感器可被用來定位采煤機(jī)搖臂的高度，從而固定割煤高度。搖臂傳感器通過數(shù)據(jù)采集得到滾筒高度和臥底量，采煤機(jī)搖臂的精確位置則通過位置傳感器來確定。二者相互配合以實現(xiàn)特定工作面設(shè)定的采高和牽引速度的功能。此外，還可以實現(xiàn)采煤機(jī)的采高自動記憶功能和自動調(diào)高功能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

優(yōu)化改進(jìn)后的采煤設(shè)備在特厚較軟煤層綜放工作面中的應(yīng)用顯示，其工作面生產(chǎn)效率明顯提升，工人的生命安全得到了極大保障，且煤炭生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。此外，改進(jìn)后采煤設(shè)備的成功應(yīng)用也極大地降低了開采成本，且大幅度提高了特厚較軟煤層綜放工作面回采中的煤炭回采率，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)語

針對特厚較軟煤層特殊的地質(zhì)條件，選用大中心距的液壓支架、采用變頻調(diào)速啟動技術(shù)控制大功率刮板輸送機(jī)并對截割采煤機(jī)增設(shè)傳感器，可以解決現(xiàn)有特厚較軟煤層綜采工作面液壓支架、大功率刮板輸送機(jī)啟動方式和截割采煤機(jī)存在的問題?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)后的采煤設(shè)備生產(chǎn)效率明顯提升，工人的生命安全得到了極大保障，且煤炭生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。