綜放工作面設(shè)備選型配套研究及工程應(yīng)用

張鵬亮

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)晉城有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

近年來，不論是煤炭開采理論還是相關(guān)設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)，都取得了較大進(jìn)步。先進(jìn)開采設(shè)備的運(yùn)用不僅增強(qiáng)了煤炭開采工作的安全性，還提升了企業(yè)的開采效率。但是單個(gè)采煤機(jī)械設(shè)備并不能顯著地提高生產(chǎn)效率，必須從整體角度出發(fā)更新?lián)Q代開采設(shè)備，其中“三機(jī)”設(shè)備的選型配套最為典型[1]。只有根據(jù)具體工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件選用不同型號的“三機(jī)”設(shè)備，才能有效發(fā)揮先進(jìn)設(shè)備的優(yōu)良性能和提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 綜放面生產(chǎn)系統(tǒng)及厚煤層開采技術(shù)研究

1.1 綜放工作面生產(chǎn)系統(tǒng)研究

綜放面生產(chǎn)體系通常由采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等設(shè)備組成，為了維護(hù)該體系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)根據(jù)綜放工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，在整合各機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上對其運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并作為一個(gè)可維修的系統(tǒng)。根據(jù)綜放工藝情況可以將其分為平行作業(yè)與單行作業(yè)兩種方式，這兩種作業(yè)方式的差異是運(yùn)輸帶布置所造成的。對山西潞安集團(tuán)部分礦井進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，割煤工藝系數(shù)為0.53，而放煤工藝系數(shù)則為0.58，綜放工作面的產(chǎn)量主要由割煤工藝系統(tǒng)及放煤工藝這兩方面構(gòu)成，在進(jìn)行開采作業(yè)時(shí)具有較高的可行性，割煤、放煤與運(yùn)輸互相影響程度不大，通過有序操作可將這些工序進(jìn)行有機(jī)整合。

綜放開采系統(tǒng)中各設(shè)備的獨(dú)立性較低，易受多方面因素影響。雖然機(jī)械設(shè)備、工作環(huán)境與作業(yè)人員彼此相互獨(dú)立，但通過煤炭生產(chǎn)企業(yè)這一平臺進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可逐步完善綜放開采理論和提高開采系統(tǒng)的可靠性[2]。

隨著現(xiàn)代開采技術(shù)的不斷發(fā)展，可以通過計(jì)算機(jī)軟件對綜放開采進(jìn)行全面模擬，對該過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對相關(guān)問題給出針對性改善方案。但計(jì)算機(jī)畢竟具有一定程度的局限性，而且計(jì)算機(jī)受輸入數(shù)據(jù)的影響，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大差異將會導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以必須對輸入進(jìn)行嚴(yán)格分析管理，從而方便企業(yè)對工作管理體系進(jìn)行完善，挖掘整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)潛力，全面考慮各方面影響因素。

1.2 厚煤層開采技術(shù)研究

我國煤炭行業(yè)運(yùn)用厚煤層綜放開采技術(shù)的過程可以分為兩階段。第一階段起源于20世紀(jì)末期，當(dāng)時(shí)我國的煤炭開采行業(yè)正處于世紀(jì)變革當(dāng)中，大量引進(jìn)了國外先進(jìn)管理方式與生產(chǎn)技術(shù)。沈陽蒲河礦首先對綜放技術(shù)進(jìn)行研究，并將該技術(shù)運(yùn)用于烏魯木齊六道灣礦，經(jīng)過初期探索我國煤炭生產(chǎn)企業(yè)積累了大量經(jīng)驗(yàn)。第二階段則是20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對煤炭資源需求量迅猛增加，刺激了相關(guān)技術(shù)的研究與發(fā)展，綜放開采技術(shù)從1992年進(jìn)入了成熟階段。該階段所使用的設(shè)備已經(jīng)完成了國產(chǎn)化，并且部分關(guān)鍵設(shè)備達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)水平，尤其是放頂煤液壓支架技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先，煤炭行業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

我國厚煤層綜放開采技術(shù)的典范是陽泉一礦與潞安王莊礦。陽泉一礦通過使用中位后開天窗液壓支架技術(shù)有效提升了資源開采效率，僅在8603面就取得了月產(chǎn)13萬t的成績，而潞安王莊礦則通過高位開天窗液壓支架取得了年開采100萬t的業(yè)績。這些數(shù)據(jù)表明我國厚煤層綜放開采技術(shù)已經(jīng)取得了較大成功，而且具有較高的可行性與安全性。潞安礦區(qū)在1992年完善了低位放煤工藝，在后部刮板輸送機(jī)的推移裝置上設(shè)置液壓支架，在4402工作面進(jìn)行試驗(yàn)開采，日產(chǎn)量增幅達(dá)150%。綜放開采技術(shù)在煤炭開采領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為普遍的運(yùn)用，為我國煤炭開采行業(yè)改良自身生產(chǎn)方式提供了可靠的發(fā)展方向。

2 綜放工作面設(shè)備性能參數(shù)基本要求

2.1 采煤機(jī)性能參數(shù)基本要求

正確選擇和使用采煤機(jī)對工作面生產(chǎn)能力有很大影響，采煤機(jī)型號一般涉及多方面問題，選型時(shí)除與煤層厚度、傾角、地質(zhì)條件等因素有關(guān)外，還應(yīng)考慮與運(yùn)輸機(jī)械和液壓支架的協(xié)調(diào)匹配[4]。因此，選擇采煤機(jī)型號時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，綜合考慮多種因素。

一般采煤機(jī)的滾筒直徑應(yīng)大于工作面切割煤體高度的一半，截深為采煤機(jī)工作時(shí)滾筒可完全截入煤壁的深度。在實(shí)作過程中，對于厚煤層綜放工作面，應(yīng)加大采煤機(jī)滾筒的工作截深，目前常用截深0.8 m。

采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速可直接對單位能耗、粉煤量及裝載能力產(chǎn)生重大影響[5]。當(dāng)同一型號采煤機(jī)的牽引速度和截齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，單位能耗越大，粉煤量占比越多，裝載速度也越快。實(shí)際生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速一般控制在30～50 r/min比較經(jīng)濟(jì)合理[3]。

牽引速度是指滾筒正常切割煤體時(shí)采煤機(jī)沿工作面滑行的速度。采煤機(jī)的電動機(jī)功率、液壓支架移架速度和刮板輸送機(jī)輸送能力是影響牽引速度的外在可控制因素。實(shí)際生產(chǎn)過程中，電牽引采煤機(jī)工作時(shí)的牽引速度選擇10～12 m/min、不工作時(shí)的牽引速度選擇15～36 r/min比較經(jīng)濟(jì)合理。

2.2 刮板輸送機(jī)性能參數(shù)基本要求

中雙鏈刮板輸送機(jī)的工作原理如圖1所示，啟動傳動電機(jī)后，鏈輪組件會在減速器和液力耦合器的帶動下旋轉(zhuǎn)，循環(huán)運(yùn)動的刮板鏈帶動煤體沿溜槽移動至機(jī)頭部并卸載。刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度及單位長度上的貨載重量直接決定其運(yùn)輸能力大小。

圖1 中雙鏈刮板輸送機(jī)工作原理示意圖

綜放工作面“三機(jī)”選型配套時(shí)，液壓支架前部刮板機(jī)的輸送能力應(yīng)滿足采煤機(jī)的割煤速度的要求，保證能夠及時(shí)把采煤機(jī)割落的煤體運(yùn)出工作面；后部輸送機(jī)應(yīng)滿足放煤要求，必須將支架放煤口放落煤體在放煤時(shí)間內(nèi)運(yùn)出采空區(qū)，對提高厚煤層綜采放頂煤工作面的采出率發(fā)揮關(guān)鍵作用[4]。

2.3 液壓支架性能參數(shù)基本要求

在設(shè)計(jì)和制造放頂煤液壓支架時(shí)，其具體的“三機(jī)”配套要求如下：支架在封閉工作空間的同時(shí)，還應(yīng)具有較高的工作阻力和可靠的穩(wěn)定性；為促進(jìn)頂煤冒落和加快放煤速度，應(yīng)盡量縮短掩護(hù)梁的長度；為運(yùn)輸方便，支架高度可調(diào)，配置伸縮前探梁縮短空頂面積，增強(qiáng)護(hù)幫護(hù)頂能力；支架底座設(shè)置抬底機(jī)構(gòu)和較大的移架力，可在底板破碎不平整的條件下快速順利移動[6]；支架前、后安裝噴霧降塵系統(tǒng)。

從巖層控制角度考慮，綜放開采要取得理想的效果，就需要控制頂煤在支架上和架前保持完整性，而在支架后方破碎并及時(shí)冒落放出。因此，厚煤層綜采放頂煤工作面選用的液壓支架在具有一般支架功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具備可控的破煤功能。在破碎頂煤時(shí)，需要煤層頂板和液壓支架相互配合，使頂煤在有時(shí)間限制的情況下沿切頂線冒落。綜放支架需要承受的靜載主要由控頂區(qū)冒落帶的頂板巖塊重量、頂煤重量、掩護(hù)梁上松散煤體壓力以及頂板變形壓力四部分組成。綜放采場結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

圖2 綜放采場結(jié)構(gòu)剖面圖

3 綜放工作面設(shè)備選型配套研究及應(yīng)用

基于設(shè)備尺寸的綜采放頂煤工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套原則是[5]：采煤機(jī)要適應(yīng)煤層地質(zhì)條件變化，滿足工作面生產(chǎn)能力要求；“三機(jī)”設(shè)備幾何尺寸、性能、生產(chǎn)能力和壽命相互匹配；“三機(jī)”都具有良好的技術(shù)性能和保護(hù)功能，工作可靠，使用和維護(hù)過程便捷。

基于生產(chǎn)能力要求的“三機(jī)”配套原則是：采煤機(jī)要達(dá)到工作面對回采生產(chǎn)能力的要求標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)能力必須超過綜放工作面的割煤任務(wù)；液壓支架前部刮板輸送機(jī)的輸送能力一定要大于采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，而后部刮板輸送機(jī)的輸送能力和頂煤的放煤能力相協(xié)調(diào)；液壓支架的移架速度和刮板輸送機(jī)的推溜速度與采煤機(jī)和放頂煤的工作速度互相匹配。

設(shè)備選型配套一定要注重各單機(jī)之間能力與性能相適應(yīng)，“三機(jī)”選型配套一般指空間幾何關(guān)系配套，使三種機(jī)器設(shè)備的尺寸相互匹配協(xié)調(diào)，確保在工作過程中互不影響。配套設(shè)備應(yīng)滿足的尺寸要求為：過煤空間充足，確保采煤機(jī)具有合適的機(jī)面高度；采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)之間具有一定的安全距離；采煤機(jī)滾筒與液壓支架頂梁間具有一定的距離，且刮板機(jī)的電纜槽要與液壓支架底座及立柱保持安全距離；刮板輸送機(jī)的鏟板、槽幫與采煤機(jī)的支撐滑靴之間也應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g距[6]。

根據(jù)上述設(shè)備配套原則，針對某綜放工作面走向長（推進(jìn)長度）為1 300 m、傾向長（切割長度）為180 m、礦井生產(chǎn)能力為400萬t/a、綜采放頂煤工藝回采厚度為5.6 m的8號煤，該煤層埋深約350 m，傾角小于8°，頂?shù)装鍘r層情況如下頁表1所示。

表1 8號煤頂?shù)装鍘r層情況

根據(jù)前文所述“三機(jī)”設(shè)備選型配套原則，針對該工作面8號煤層賦存條件及礦井生產(chǎn)能力，確保工作面配套設(shè)備基本性能及生產(chǎn)能力要求，確定配套設(shè)備能力大致按“喇叭口”方式拓展。按照保證設(shè)備安全高效、經(jīng)濟(jì)可靠目標(biāo)確定的配套設(shè)備選型為KSW-1500EU電牽引采煤機(jī)、前后部SGZ1000/2X 1200中雙鏈鑄焊封底式刮板輸送機(jī)、ZF 15000-23/43綜采放頂煤液壓支架。綜放工藝采高為2.8 m，循環(huán)進(jìn)度（截深）為0.8 m，采用采放結(jié)合、一采一放工序作業(yè)，割煤、放煤步距0.8 m?；夭蛇^程統(tǒng)計(jì)該綜放工作面實(shí)際平均出煤量為5 200 t/班，月產(chǎn)量平均突破40萬t，年產(chǎn)量達(dá)到了500萬t，開機(jī)率為57%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等綜采設(shè)備是一個(gè)整體系統(tǒng)，相互聯(lián)系，任何一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都會對工作面的工作造成很大影響，工作面各系統(tǒng)的關(guān)系是相互串聯(lián)的。配備綜放工作面設(shè)備，主要指的是匹配綜放面生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種設(shè)備，以及前后部刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、液壓支架間的能力。設(shè)備配套一旦出現(xiàn)意外，綜放面的生產(chǎn)能力將會受到直接影響，不能發(fā)揮各設(shè)備的最大效能，無法實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的目標(biāo)。