成莊礦綜采工作面系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

郭曙光

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán)成莊礦，山西 晉城 048021）

1 實(shí)施前的狀況及存在問(wèn)題

1.1 實(shí)施前狀況

成莊礦首個(gè)大采高工作面投產(chǎn)以來(lái)，對(duì)礦井的整體發(fā)展規(guī)劃做出了一些調(diào)整，按高效開采及減人提效的要求，今后成莊礦生產(chǎn)模式為一個(gè)大采高工作面配一個(gè)綜采放頂煤工作面，放頂煤工作面要達(dá)到日產(chǎn)15000 t的保障能力，這就對(duì)放頂煤工作面的設(shè)備配套提出了更高的要求。

成莊礦以往放頂煤工作面在設(shè)計(jì)時(shí)，采面供電系統(tǒng)、支架供液系統(tǒng)、順槽出煤系統(tǒng)等主要系統(tǒng)一直以來(lái)遵循如下設(shè)計(jì)原則：3300 V電壓等級(jí)供電距離、泵站最大供液距離、1.2 m順槽皮帶機(jī)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)為2×200 kW）運(yùn)輸距離均不超過(guò)1200 m，這種方式，在一定程度上保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

1.2 存在問(wèn)題

（1）當(dāng)工作面走向長(zhǎng)度超過(guò)1200 m時(shí)，往往將泵站及移動(dòng)變電站布置在巷道中部，以此來(lái)縮短供電及供液距離[1]。因此，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中需在設(shè)計(jì)位置將80 m范圍內(nèi)的巷道斷面擴(kuò)寬500 mm，以保證設(shè)備安裝并留出行人通道，加大了巷道工程量?；夭蛇^(guò)程中，當(dāng)采至泵站附近時(shí)，需提前將泵站處設(shè)備倒移至巷口設(shè)計(jì)位置，重新形成供電、供液系統(tǒng)，這一過(guò)程將會(huì)導(dǎo)致工作面至少停產(chǎn)一天。

（2）當(dāng)工作面走向長(zhǎng)度超過(guò)1200 m時(shí)，順槽皮帶機(jī)至少布置兩部1.2 m皮帶機(jī)，甚至三部皮帶機(jī)。因此，需在巷道中部皮帶機(jī)頭設(shè)計(jì)位置對(duì)斷面進(jìn)行加寬，保證機(jī)頭驅(qū)動(dòng)布置?；夭蛇^(guò)程中，需將靠近工作面的皮帶機(jī)拆除并回收，同時(shí)延伸第一部膠帶機(jī)，這一過(guò)程也需停產(chǎn)一天。

（3）皮帶機(jī)如果正好跨輔助運(yùn)輸大巷時(shí)，需在機(jī)頭增加一部轉(zhuǎn)載溜，將煤流轉(zhuǎn)運(yùn)至盤區(qū)膠帶機(jī)巷，增加了設(shè)備及崗位人員。

2 改進(jìn)目的

在成莊礦現(xiàn)有放頂煤設(shè)備的基礎(chǔ)上，按照安全高效開采的要求，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)放頂煤工作面供電、供液、出煤等主要系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，改變傳統(tǒng)的供電、供液及順槽皮帶布置方式，以理論計(jì)算為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)加大供電供液距離，將乳化液泵站及移動(dòng)變電站直接布置在采煤工作面巷口的措施巷或運(yùn)輸橫川內(nèi)，滿足2000 m以內(nèi)的供電、供液要求，同時(shí)對(duì)原來(lái)的1.2 m順槽皮帶機(jī)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，使其運(yùn)輸能力分別達(dá)到2000 m，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)一部化，取消順槽膠帶機(jī)布置兩部及以上的方式，在綜采放頂煤工作面實(shí)現(xiàn) “三長(zhǎng)”：長(zhǎng)距離供電、長(zhǎng)距離供液、長(zhǎng)距離運(yùn)輸[2]。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 長(zhǎng)距離供電

要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離供電，其技術(shù)難點(diǎn)在于克服供電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的電壓降，以保證大容量設(shè)備可靠啟動(dòng)并正常工作。放頂煤工作面大容量設(shè)備主要是機(jī)組、轉(zhuǎn)載機(jī)、前后刮板輸送機(jī)，其中刮板輸送機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行工況最為惡劣，產(chǎn)生的電壓降最大。其裝機(jī)功率如表1所示。

表1 工作面大容量設(shè)備功率統(tǒng)計(jì)表

（1）合理設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)，合理選擇移動(dòng)變電站及電纜截面。擬定供電系統(tǒng)時(shí)，機(jī)組和刮板輸送機(jī)在采區(qū)變電所分別引自不同的高開，同時(shí)來(lái)自不同的母線段；刮板輸送機(jī)移動(dòng)變電站采用2000 kVA或2500 kVA的大容量移變；移變至開關(guān)架處的供電干線電纜截面不低于95 mm2。

（2）對(duì)供電干線電纜采用一些必要的技術(shù)手段，例如距離較長(zhǎng)時(shí)，可以利用高壓三通并聯(lián)一段干線電纜，降低電纜的等效長(zhǎng)度；在開關(guān)架處將前后刮板輸送機(jī)用一段過(guò)線并聯(lián)起來(lái)，相當(dāng)于電纜截面增粗了一倍。

通過(guò)這些技術(shù)手段，3300 V電壓等級(jí)條件下，經(jīng)核算，供電距在2000 m左右能保證設(shè)備正常啟動(dòng)，可靠運(yùn)行。

長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 長(zhǎng)距離供液

要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離供液，技術(shù)關(guān)鍵在于泵站及高壓管路的選型與布置，保證供液線路上壓力損失在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)供液流量滿足工作面支架動(dòng)作要求。

（1）設(shè)備及管路選型。經(jīng)核算，選用2臺(tái)BRW400/31.5型乳化液泵，配備XR-WS2500乳化液箱一個(gè)，該泵額定流量為400 L/min，額定壓力為31.5 MPa。

（2）經(jīng)過(guò)調(diào)研，決定選用6D-64-35型高壓膠管作為供液管，這種管路內(nèi)壁光滑，壓力損失小，不易產(chǎn)生雜質(zhì)而造成管路堵塞。

（3）主供液管路到工作面后，支架采用環(huán)形供液的方式，這種方式造成的管路壓力損失小。

（4）管路壓力損失及流量校核。按供液距離2000 m計(jì)算，管路沿途壓力損失為2.4 MPa，以支架設(shè)計(jì)初撐力24 MPa計(jì)算，泵站恢復(fù)壓力應(yīng)為24+2.4=26.4 MPa。因此，需調(diào)整卸載閥恢復(fù)壓力使泵站工作壓力范圍為26.4～31.5 MPa，即可滿足工作面支架工作壓力需求。液壓支架的移架速度主要取決于泵站供液流量，經(jīng)計(jì)算實(shí)際需要的流量要求為216 L/min＜400 L/min，滿足要求。

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離供電、供液后，設(shè)備布置方式大大簡(jiǎn)化，移動(dòng)變電站、泵站及相應(yīng)的電氣設(shè)備便可以集中布置在巷口，可以服務(wù)至采面回采結(jié)束。其布置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.3 順槽皮帶機(jī)長(zhǎng)距離運(yùn)輸

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型皮帶機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，加大驅(qū)動(dòng)功率，對(duì)控制程序進(jìn)行修改，保證平穩(wěn)起動(dòng)，對(duì)跨巷段進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，取消機(jī)頭轉(zhuǎn)載溜，實(shí)現(xiàn)順槽皮帶長(zhǎng)距離一部化運(yùn)輸。

（1）對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，根據(jù)順槽巷道長(zhǎng)度及落差確定驅(qū)動(dòng)功率，將標(biāo)配的雙驅(qū)升級(jí)為三驅(qū)或四驅(qū)，分析驅(qū)動(dòng)部受力情況，對(duì)驅(qū)動(dòng)架及驅(qū)動(dòng)滾筒同步進(jìn)行升級(jí)改造。

圖2 長(zhǎng)距離供電供液系統(tǒng)設(shè)置布置簡(jiǎn)圖

（2）修改控制程序優(yōu)化皮帶機(jī)起車方式[3]。雙驅(qū)時(shí)，皮帶機(jī)起車方式為手動(dòng)控制勺桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)加載，驅(qū)動(dòng)增加后，將本布羅控制系統(tǒng)程序進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多驅(qū)自動(dòng)加載，加載時(shí)間從30 s到180 s，可以根據(jù)皮帶機(jī)工況人為設(shè)定，以達(dá)到多驅(qū)功率平衡及皮帶機(jī)平穩(wěn)加載，減少起車過(guò)程中的沖擊。

（3）皮帶機(jī)跨輔助運(yùn)輸大巷時(shí)，對(duì)跨巷段設(shè)計(jì)龍門架，其跨度在為6 m左右，高度不低于2.3 m，以保證正常運(yùn)輸，達(dá)不到這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以對(duì)輔助運(yùn)輸巷道進(jìn)行起底；對(duì)出煤橫川加工制作延伸架，以連接卸載部和驅(qū)動(dòng)部，從而取消原來(lái)的轉(zhuǎn)載溜。

順槽皮帶機(jī)一部化設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 順槽皮帶機(jī)一部化設(shè)計(jì)示意圖

4 實(shí)施效果

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

綜采放頂煤工作面長(zhǎng)距離供電、供液，順槽皮帶等主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，在井下綜采放頂煤工作面取得了良好的應(yīng)用效果，自2015年6月以來(lái)，已成功在4320、2323、4311、5301等工作面應(yīng)用，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了很好的檢驗(yàn)，下一步還將在4313及其他類似的放頂煤工作面全面推廣應(yīng)用。

4.2 效益分析

（1）在綜采放頂煤工作面實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)距離供電及供液，相關(guān)設(shè)備可以集中布置在采面巷口的運(yùn)輸橫川或措施巷內(nèi)，直接服務(wù)至采面結(jié)束，省掉了繁瑣的拆、運(yùn)、裝等環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了工藝，提高了效率[4]。

（2）在順槽實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，一個(gè)工作面一條皮帶機(jī)，減少了轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，省去了崗位人員及相應(yīng)維護(hù)人員；回采過(guò)程中，無(wú)需拆除及延伸皮帶機(jī)，隊(duì)組可以高效組織生產(chǎn)。

（3）綜采放頂煤工作面系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

① 巷道掘進(jìn)時(shí)，無(wú)需施工設(shè)備硐室，相當(dāng)于節(jié)省進(jìn)尺10 m左右，每米進(jìn)尺成本按2000元計(jì)算，節(jié)約成本為：2000×10=2.0萬(wàn)元。

② 設(shè)備安裝時(shí)，省去了設(shè)備往巷道中部鋪設(shè)、拆除軌道及相應(yīng)的運(yùn)輸環(huán)節(jié)，相當(dāng)于節(jié)約150個(gè)工時(shí)，每個(gè)工時(shí)成本按175元計(jì)算，節(jié)約成本為：175×150=2.6萬(wàn)元。

③ 采面回采過(guò)程，無(wú)需倒移泵站，拆除皮帶、延伸皮帶這兩項(xiàng)工作在實(shí)施過(guò)程中，采面停產(chǎn)各自至少需要一整天時(shí)間，放頂煤工作面按日產(chǎn)10000 t計(jì)算，噸煤平均售價(jià)為650元。按產(chǎn)量核算的經(jīng)濟(jì)效益：20000×650=1300.0萬(wàn)元。

產(chǎn)生的總效益為：2.0+2.6+1300.0=1304.6萬(wàn)元。