綜采工作面設(shè)備與采煤工序的協(xié)同關(guān)系探討

孫 浩，管守軍

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

引言

改革開放40 年來，中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，煤炭工業(yè)在該背景下也進(jìn)入了高質(zhì)量發(fā)展軌道，促進(jìn)了采煤工藝的一次次變革，實(shí)現(xiàn)了由人工采煤、炮采、普采、高檔普采到綜合機(jī)械化開采、自動化開采的跨越，并逐步向智能化開采邁進(jìn)，同時，工藝的進(jìn)步極大釋放了生產(chǎn)力，原煤產(chǎn)量由1978 年的6.2 億t 增加至2018 年的36.8 億t，增加了近5 倍[1-2]。目前，作為井工煤礦重要的采煤工藝即綜合機(jī)械化采煤工藝（簡稱“綜采”），其中的基本工序破煤、裝煤、運(yùn)煤和頂板支護(hù)全部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。

同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司作為朔南礦區(qū)的一座千萬噸礦井，井巷布置高度集中化，工作面直接在開拓大巷兩翼布置，“一礦兩面”實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)千萬噸的規(guī)模，那么保證工作面正常生產(chǎn)就顯得尤為重要。作為工作面內(nèi)兩大重要組成部分設(shè)備與工序，不同的學(xué)科范疇，如何進(jìn)行銜接？當(dāng)兩者發(fā)生沖突時，一方面采煤工序不能正常循環(huán)，影響工作面產(chǎn)量，不利于實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效；另一方面對設(shè)備損壞嚴(yán)重，增加了配件的更換頻率，加大了工作面的經(jīng)濟(jì)投入。因此，作為一名采礦工程師必須結(jié)合兩者的特性將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，協(xié)同確保工作面的穩(wěn)定生產(chǎn)。目前一些學(xué)者主要在各自的領(lǐng)域分別進(jìn)行研究[3-8]，而針對兩者協(xié)調(diào)關(guān)系的文章較少。王祥生，陳再明等[9]通過建立力學(xué)模型分析了推移千斤頂在推溜工況下的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)推移桿和千斤頂活塞桿的鉸接處所受彎矩較大，容易發(fā)生彎曲破壞；胡登高[10]采用動力學(xué)仿真的手段著重研究了工作面回采過程中刮板輸送機(jī)中部槽的受力狀態(tài)；薛挺[11]研究與探討了厚煤層綜放工作面綜采設(shè)備的選型要素和原則；樊銀輝[12]認(rèn)為綜放開采系統(tǒng)具有大尺度和復(fù)雜的特點(diǎn)，對其進(jìn)行了深入研究，完善了基本理論。

1 工作面綜采設(shè)備及采煤工序

1.1 工作面開采條件

14203-1 工作面主采煤層為二疊系山西組4 號煤，煤層厚度為6.25～12.23 m，平均9.24 m，傾角1°～6°，平均3°，埋深平均600 m。

工作面走向長度2 870 m，可采走向長度1 727 m，傾向長181.5 m，采用雙巷布置，采用一進(jìn)一回，即工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)沿煤層底板布置膠帶運(yùn)輸順槽，用于煤炭運(yùn)輸兼進(jìn)風(fēng)；回風(fēng)側(cè)沿煤層底板布置輔助運(yùn)輸順槽，用于輔助運(yùn)輸兼回風(fēng)。14203-1 膠帶巷斷面尺寸為5.5 m×3.8 m，14203-1 輔運(yùn)巷斷面尺寸為5.0 m×3.8 m，工作面采用走向長壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化放頂采煤，采煤機(jī)割煤高度為3.5 m，放頂煤厚度為5.74 m，采放比為1∶1.64。

1.2 工作面設(shè)備及其技術(shù)特征

工作面共布置1 臺采煤機(jī)、2 臺刮板輸送機(jī)、107套液壓支架（端頭支架1 套、過渡支架8 套（頭3 尾5）、中部支架98 套）、1 臺轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)，設(shè)備的主要技術(shù)特征見下頁表1。

1.3 工作面采煤工序

采煤工藝為采煤工作面各工序所用方法、設(shè)備及其在時間、空間上的相互配合。14203-1 工作面各工序內(nèi)容為采煤機(jī)SL500AC 割煤和裝煤，前部刮板輸送機(jī)PF6/1142、后部刮板輸送機(jī)PF6/1342 和轉(zhuǎn)載機(jī)PF6/1542 運(yùn)煤，破碎機(jī)SK1118 對大塊煤和矸進(jìn)行破碎，液壓支架（端頭支架ZTZ30000/27.5/42、過渡支架ZFG13000/27.5/42 和中部支架ZF15000/27.5/42）支護(hù)頂板。

工作面各工序在時間上的先后順序是采煤機(jī)端部斜切進(jìn)刀→割煤→移架→推前部刮板輸送機(jī)→放頂煤→拉后部刮板輸送機(jī)，以上工序大致分為進(jìn)刀、端頭停機(jī)等待和工作面正常割煤三個階段，全部完成為一個正規(guī)循環(huán)，割煤循環(huán)如圖1。

表1 設(shè)備主要技術(shù)特征表

圖1 工作面割煤循環(huán)圖

其中，液壓支架在一個工序循環(huán)中起著承上啟下的作用，它的工作狀態(tài)包含六個動作：降柱、移架、升柱、推前溜、放煤、拉后溜，隨著工作面回采，有次序地控制支架不斷完成工序循環(huán)[13]。

2 設(shè)備與工序的協(xié)同關(guān)系

2.1 生產(chǎn)能力協(xié)同

綜采工作面一個正規(guī)循環(huán)內(nèi)各工序的完成需要操作對應(yīng)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，其生產(chǎn)能力的協(xié)同是保證工序循環(huán)、充分發(fā)揮綜合生產(chǎn)效能、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效的關(guān)鍵。采煤機(jī)割煤作為采煤工序的切入點(diǎn)，其生產(chǎn)能力（Q生）必須與工作面日產(chǎn)萬噸的生產(chǎn)任務(wù)要求相適應(yīng)，保證采煤機(jī)有大功率、大截深和較高的運(yùn)行速度。工作面前部刮板輸送機(jī)的輸送能力（Q前運(yùn)）必須大于采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，即Q前運(yùn)＞Q生；后部刮板輸送機(jī)的輸送能力（Q后運(yùn)）要大于放頂煤生產(chǎn)能力（Q放），即Q后運(yùn)＞Q放；轉(zhuǎn)載機(jī)的生產(chǎn)能力應(yīng)能滿足綜采工作面前后兩部刮板輸送機(jī)的卸載要求。

液壓支架作為采場的唯一支護(hù)構(gòu)筑物，乳化液泵站輸出的壓力（MPa）與流量（L/min）一方面要滿足液壓支架對頂板的支護(hù)強(qiáng)度，確保采場圍巖穩(wěn)定；另一方面其移架速度與采煤機(jī)的牽引速度要相適應(yīng)，要能夠完成及時移架、推前部刮板輸送機(jī)和拉后部刮板輸送機(jī)三個工序。

2.2 相對位置關(guān)系協(xié)同

綜采工作面設(shè)備間相互影響牽扯、相關(guān)性強(qiáng)。刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾（電機(jī)、驅(qū)動及減速器）分別與連接槽固定在三角形框架和整體推移橫梁的底座上，連接槽與中部槽、中部槽與中部槽主要通過啞鈴銷連接（轉(zhuǎn)載機(jī)類似）；采煤機(jī)的推進(jìn)輪通過固定在溜槽上的齒桿運(yùn)行；作為綜采設(shè)備的聯(lián)接點(diǎn)液壓支架，一方面通過底座上推移千斤和推移桿與前部刮板輸送機(jī)連接；另一方面拉后溜千斤頂通過環(huán)鏈與后部刮板輸送機(jī)連接。綜采設(shè)備通過剛性連接和軟連接形成一個系統(tǒng)，當(dāng)工作面穩(wěn)裝完成后，設(shè)備間的相對位置與采煤工序是協(xié)同關(guān)系，液壓支架的推移步距與采煤機(jī)截深相適應(yīng)，其最大和最小結(jié)構(gòu)尺寸與采煤機(jī)的采高范圍相適應(yīng)。通過系統(tǒng)控制理論基本內(nèi)容之一的工序控制來實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的相對位置關(guān)系，進(jìn)而保證工序質(zhì)量（工程質(zhì)量）處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)。

長期以來，人們采用被動方法來處理工序中出現(xiàn)的問題，一旦其中一個工序出現(xiàn)故障，直接影響到整個割煤循環(huán)，造成停工減產(chǎn)。以推移步距為例，由于工序調(diào)整，推移步距達(dá)不到采煤機(jī)的截深要求，采煤機(jī)在此區(qū)域割煤時防止?jié)L筒割損支架前探梁，兩滾筒只能割底刀，當(dāng)?shù)椎锻瓿珊蠖瓮屏镌俑铐數(shù)?，直接影響生產(chǎn)進(jìn)度。為了最大限度降低工序間的制約，找出關(guān)鍵工序控制點(diǎn)，超前預(yù)控，讓工序管理變被動為主動，最大限度減少工序事故，保證工作面設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)穩(wěn)定，關(guān)鍵工序控制點(diǎn)如圖2 所示[14]。

3 實(shí)例——前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”

3.1 “上竄下滑”原因

圖2 關(guān)鍵工序控制點(diǎn)框圖

刮板輸送機(jī)作為工作面煤流運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要組成部分，當(dāng)其發(fā)生“上竄下滑”現(xiàn)象時，會造成刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的相對位置關(guān)系不協(xié)同，造成液壓支架間“打架”，損壞側(cè)護(hù)板、推溜千斤頂和推移框架，甚至導(dǎo)致工作面處于停產(chǎn)或半停產(chǎn)狀態(tài)，嚴(yán)重影響工作面的產(chǎn)量[15]。工作面地質(zhì)條件（煤層傾角）和生產(chǎn)條件（頭尾巷存在高差）作為影響刮板輸送機(jī)“上竄下滑”的因素[16]，其作為先天因素可以超前預(yù)控，但決定性因素就是設(shè)備與工序間的不協(xié)同造成的。

當(dāng)設(shè)備與采煤工序關(guān)系協(xié)同時，刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的相對位置關(guān)系是合理的，如圖3 中①所示，其標(biāo)志是工作面頭部2 號液壓支架的1/3～2/3 在巷道內(nèi)，其中②為上竄，③為下滑。

圖3 刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的相對位置關(guān)系示意圖

圖4 為刮板輸送機(jī)推溜簡化模型，設(shè)備與采煤工序關(guān)系協(xié)同時，支架推移桿推進(jìn)方向垂直刮板輸送機(jī)，當(dāng)支架推移桿發(fā)生一定量的左（或右）偏移（夾角為α），刮板輸送機(jī)單節(jié)溜槽受力不平衡，會在其合力方向F 上偏移△x，最終導(dǎo)致整體“上竄”（下滑原理一樣）。

圖4 刮板輸送機(jī)推溜簡化模型

3.2 綜采設(shè)備與采煤工序的協(xié)同處置

工作面多采用調(diào)斜方式來解決“上竄下滑”，其調(diào)斜的過程實(shí)質(zhì)就是將設(shè)備與采煤工序間的不協(xié)同變成協(xié)同的過程，如圖5 所示。

當(dāng)設(shè)備有“上竄”跡象時，工作面仍采用正規(guī)采煤工序時，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)“上竄”，為①；此時應(yīng)調(diào)整采煤工序，將正規(guī)循環(huán)改成調(diào)斜開采，多割機(jī)頭或采用單向推移刮板輸送機(jī)，使采煤工序適應(yīng)設(shè)備間相對位置的改變，達(dá)到協(xié)同，為②；當(dāng)調(diào)斜完成后再刷正工作面，使其正規(guī)循環(huán)，為③。

4 結(jié)論

圖5 設(shè)備與采煤工序關(guān)系協(xié)同處置

1）綜采工作面設(shè)備與采煤工序的協(xié)同關(guān)系包括生產(chǎn)能力協(xié)同和相對位置關(guān)系協(xié)同，其既能超前預(yù)控，讓工序管理變被動為主動，最大限度減少工序事故，保證工作面設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)穩(wěn)定，又能提高經(jīng)濟(jì)效益，最終實(shí)現(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)高效。

2）刮板輸送機(jī)的竄滑是由其受力不平衡造成的，設(shè)備與工序的協(xié)同可作為處理該問題的頂層設(shè)計(jì)。