俄羅斯南方礦綜采成套設(shè)備配套技術(shù)研究與應(yīng)用

于 雷

(中煤科工集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100013)

俄羅斯煤炭?jī)?chǔ)量豐富，根據(jù)2019年BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒披露的信息：俄羅斯煤炭資源儲(chǔ)量為1603.64億t，占世界總儲(chǔ)量的15.2%，居世界第二。近幾年，煤炭產(chǎn)量一直保持在4億t左右。

蘇聯(lián)解體之后俄羅斯經(jīng)歷了“去工業(yè)化”，導(dǎo)致制造業(yè)產(chǎn)值在工業(yè)中的比重從1990年的66.5%降至2014年的32.8%。近年來(lái)，俄羅斯政府雖然深刻覺(jué)察到了“去工業(yè)化”對(duì)國(guó)家發(fā)展所帶來(lái)的嚴(yán)重沖擊，也采取了一系列的補(bǔ)救措施，但長(zhǎng)期形成的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、資源分配結(jié)構(gòu)、人才結(jié)構(gòu)等問(wèn)題難以在短期內(nèi)得以扭轉(zhuǎn)[1]。此外，俄羅斯的煤礦開(kāi)采理念、礦井設(shè)計(jì)規(guī)范、安全規(guī)程、科研技術(shù)水平并沒(méi)有顯著更新和提高，大多仍停留在20世紀(jì)末的水平[2-4]。與此同時(shí)，近40年來(lái)，我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)與制造水平不斷提高，特別是近10年來(lái)，通過(guò)對(duì)智能化開(kāi)采技術(shù)與裝備的創(chuàng)新研發(fā)，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，智能化綜采、特厚煤層智能化綜放開(kāi)采技術(shù)與裝備等方面取得了重要成果[5-12]，這些情況給中國(guó)煤機(jī)企業(yè)走進(jìn)去帶來(lái)了機(jī)遇。然而，中國(guó)煤機(jī)裝備在原材料、加工工藝、服務(wù)理念等方面與國(guó)際知名企業(yè)還存在著一定的差距，特別是中俄兩國(guó)的文化差異、思維方式、工作習(xí)慣也給中國(guó)煤機(jī)企業(yè)走進(jìn)去帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)俄羅斯現(xiàn)階段開(kāi)采理念和設(shè)備使用習(xí)慣，基于俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范、安全規(guī)程以及南方礦煤層產(chǎn)狀走向起伏較頻、傾向有起伏且傾角變化較大的復(fù)雜條件下布置的綜采工作面進(jìn)行了設(shè)備選型配套并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 綜采工作面總體配套的前提條件

1.1 工作面情況概述及綜采主要設(shè)備確定

南方礦位于俄羅斯中部的庫(kù)茲巴斯煤田。礦井現(xiàn)開(kāi)采的煤層最小埋深300m，煤層厚度1.32～3.84m，傾角±25°，走向角度±16°；直接頂為粉砂巖，f=4～6；基本頂為砂巖，f=6～8；直接底為粉砂巖，f=4～6。瓦斯相對(duì)涌出量25m3/t，有煤塵爆炸危險(xiǎn)；工作面最大涌水量500m3/h；采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化全部垮落法開(kāi)采。10L綜采工作面走向長(zhǎng)度2300m，傾斜長(zhǎng)度220m，設(shè)計(jì)產(chǎn)能3.0Mt/a。兩回采巷道斷面形狀均為矩形，回風(fēng)巷寬4.5m，高3.6m；運(yùn)輸巷寬5.1m，高3.6m。

根據(jù)煤層賦存條件以及產(chǎn)能要求采用理論計(jì)算并結(jié)合工程類(lèi)比法確定工作面設(shè)備型號(hào)，設(shè)備選型結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 刮板輸送機(jī)側(cè)卸方式選擇

刮板輸送機(jī)的卸載方式有兩種，分別是交叉?zhèn)刃逗投诵?。交叉?zhèn)刃斗绞绞侵该毫鬟\(yùn)至刮板輸送機(jī)機(jī)頭后經(jīng)犁煤板導(dǎo)向卸入轉(zhuǎn)載機(jī)溜槽。而端卸則是指煤流運(yùn)至刮板輸送機(jī)的機(jī)頭后直接卸載到轉(zhuǎn)載機(jī)上。

表1 綜采面主要設(shè)備明細(xì)

1)交叉?zhèn)刃杜涮追绞降膬?yōu)點(diǎn)：①刮板輸送機(jī)機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾合為一體，降低卸載高度，為端頭支護(hù)和割透三角煤提供了方便；②提高設(shè)備工作效率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；③消除塊煤卸載障礙，提高刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力；④犁煤板將煤流轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)載機(jī)同向，減緩煤流對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)的沖擊，降低了轉(zhuǎn)載機(jī)能耗；⑤交叉?zhèn)刃稒C(jī)頭處不經(jīng)處理就可安裝雙動(dòng)力部，能提高輸送機(jī)運(yùn)輸能力，特別是工作面傾角較大時(shí)，一旦工作面出現(xiàn)上竄下滑，卸載距離保持不變，提供工作效率和安全系數(shù)。交叉?zhèn)刃杜涮追绞降娜秉c(diǎn)是由于刮板機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)之間為固定連接，在工作面設(shè)備發(fā)生上竄下滑時(shí)，調(diào)整比較困難。

端卸的優(yōu)點(diǎn)：①由于刮板機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)無(wú)固定連接，當(dāng)工作面設(shè)備出現(xiàn)上竄下滑時(shí)，調(diào)整比較方便；②設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造。端卸的缺點(diǎn)：①卸載高度大，煤流垂直直接卸載至轉(zhuǎn)載機(jī)上，對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)的沖擊較大；②使用中容易出現(xiàn)搭接不夠或搭接過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致卸煤不暢、積煤等問(wèn)題；工作面出現(xiàn)上竄下滑時(shí)，卸載距離不穩(wěn)定[13-16]。

通過(guò)對(duì)比兩種卸載方式的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合俄羅斯礦井設(shè)計(jì)規(guī)范、煤礦安全規(guī)程等要求以及俄羅斯南方礦綜采工作面的實(shí)際布置情況，決定對(duì)10L綜采工作面刮板輸送機(jī)采用交叉?zhèn)刃兜姆绞健?/p>

2 綜采工作面三機(jī)總體配套

2.1 刮板輸送機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

交叉?zhèn)刃杜涮追绞降淖畲笕秉c(diǎn)就是當(dāng)傾角較大時(shí)工作面設(shè)備一旦發(fā)生上竄下滑，調(diào)整比較困難。本配套刮板輸送機(jī)采用交叉?zhèn)刃督Y(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)搭接，為了保證轉(zhuǎn)載機(jī)平穩(wěn)布置，刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾與巷道底板需要保持水平。10L綜采工作面傾角較大，因此機(jī)頭過(guò)渡處將形成較大的破底開(kāi)采、機(jī)尾過(guò)渡處將形成較大的留底開(kāi)采。為了縮短彎曲段的距離，刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)頭過(guò)渡處(10×878mm+3×878mm+2×1000mm機(jī)頭短槽)、機(jī)尾過(guò)渡處(10×878mm機(jī)尾短槽)均采用了較長(zhǎng)距離的多節(jié)短槽結(jié)構(gòu)。

此外，為了有效地防止因走向起伏較大且較頻繁而引起的輸送機(jī)“漂溜”、“啃底”問(wèn)題，對(duì)刮板機(jī)中部槽與支架推桿的連接方式進(jìn)行了優(yōu)化，如圖1所示。調(diào)斜千斤頂?shù)囊?guī)格為100/70，長(zhǎng)度保證刮板輸送機(jī)可以調(diào)整角度為±5°，千斤頂耳板厚度40mm，銷(xiāo)孔直徑?42mm。刮板輸送機(jī)中部為單耳結(jié)構(gòu)，單耳厚度110mm，連接孔2個(gè)，直徑為62mm，下孔距底板110mm，2孔中心高115mm；刮板輸送機(jī)過(guò)渡段為單耳結(jié)構(gòu)，單耳厚度110mm，孔直徑為62mm，距下端中心高110mm。

圖1 刮板輸送機(jī)與支架連接方式

2.2 采煤機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)優(yōu)化后的配套方式中與1750mm常規(guī)槽對(duì)接的機(jī)頭側(cè)短槽、機(jī)尾側(cè)短槽均作為變線(xiàn)的起始點(diǎn)，即變線(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度相同。該起始點(diǎn)也是采煤機(jī)開(kāi)至機(jī)頭或尾極限位置時(shí)后滾筒對(duì)應(yīng)的位置。因此，機(jī)頭和機(jī)尾側(cè)變線(xiàn)對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的影響相似，如圖2所示。

圖2 機(jī)頭及尾極限位相對(duì)的變線(xiàn)起始點(diǎn)相同(mm)

機(jī)頭或機(jī)尾短槽偏轉(zhuǎn)角度為：水平±0.65°、垂直±1.75°，相對(duì)于1750mm常規(guī)槽的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)講，水平方向可形成的彎曲曲率半徑更小，可較好地適應(yīng)傾角較大時(shí)工作面交叉?zhèn)刃斗绞讲⒔鉀Q了輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾垂直彎曲曲率半徑過(guò)大而造成采煤機(jī)在機(jī)頭破底、機(jī)尾破頂量過(guò)大等問(wèn)題。但是，這種短槽的設(shè)計(jì)方式對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴通過(guò)時(shí)影響較大，因此需要對(duì)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠更好地適應(yīng)短槽的配套方式，具體優(yōu)化方式：

1)相對(duì)于常規(guī)導(dǎo)向滑靴，新型導(dǎo)向滑靴的前后連接壁厚適當(dāng)增加(垂直的擺動(dòng)角度適當(dāng)減少)，同時(shí)兩側(cè)外擴(kuò)以便提高前后連接的強(qiáng)度，提高異常受力的能力。

2)增大腰型孔的偏心距，以便提高水平偏轉(zhuǎn)的能力，適應(yīng)過(guò)大的水平彎曲。

3)優(yōu)化耐磨層位置與圓角形式，提高與銷(xiāo)排的接觸效果，減少接觸應(yīng)力與焊接應(yīng)力。

此外，采煤機(jī)在機(jī)頭或機(jī)尾時(shí)，推溜點(diǎn)位置直接影響導(dǎo)向滑靴通過(guò)S彎時(shí)的偏轉(zhuǎn)角，若某點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角大于導(dǎo)向滑靴本身能夠適應(yīng)的最大角度，導(dǎo)向滑靴將出現(xiàn)蹩卡現(xiàn)象。采用彎曲圖檢驗(yàn)法并結(jié)合總體配套的綜合考慮，機(jī)頭、機(jī)尾處推溜作業(yè)時(shí)S彎末端點(diǎn)至巷道煤壁之間平直段需保持35m的距離。

2.3 “三機(jī)”總體配套

工作面具體配套如圖3—圖5所示，相關(guān)參數(shù)及配套主要說(shuō)明：

圖3 工作面中部“三機(jī)”配套(mm)

圖4 機(jī)頭總體布置圖(mm)

圖5 機(jī)尾總體布置圖(mm)

1)刮板機(jī)機(jī)頭過(guò)渡處、機(jī)尾過(guò)渡處均采用了較長(zhǎng)距離的多節(jié)短槽結(jié)構(gòu)，中部槽規(guī)格為1750mm×1000mm×310mm，“短槽”規(guī)格為878mm×1000mm×310mm。

2)中部支架端面距227～394mm；采煤機(jī)機(jī)面高度1206mm，過(guò)煤高度447mm，鏟間距283mm。

3)采煤機(jī)中部臥底量為385mm，挑頂量為200mm；機(jī)頭采煤機(jī)最大臥底量約318mm、機(jī)尾采煤機(jī)最大臥底量約318mm。

4)運(yùn)輸巷內(nèi)配套設(shè)備最寬處與巷道下幫之間的最小行人空間為1038mm。

5)為保證割透機(jī)頭、尾三角煤，輸送機(jī)采用變線(xiàn)設(shè)計(jì)。頭、尾各有5節(jié)變線(xiàn)，變線(xiàn)量150mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

成套綜采設(shè)備于2018年12月—2019年2月進(jìn)行了井下試生產(chǎn)，采用端頭斜切進(jìn)刀雙向割煤回采工藝。試生產(chǎn)期間整體傾向角度基本維持在22°左右且傾向有起伏，走向起伏急劇變化情況經(jīng)歷了多起，變化范圍±16°。在此期間重點(diǎn)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的刮板機(jī)、采煤機(jī)關(guān)鍵部件或組件進(jìn)行了觀(guān)測(cè)，結(jié)果如下：

1)試生產(chǎn)期間共有5件刮板發(fā)生了彎曲變形，齒軌、啞鈴銷(xiāo)未見(jiàn)異常。

2)“短槽”槽間搭接舌板并未見(jiàn)明顯磨損現(xiàn)象，槽間啞鈴銷(xiāo)窩變形可控。刮板機(jī)其他關(guān)鍵部件檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 刮板機(jī)關(guān)鍵部件磨損檢測(cè)數(shù)據(jù) mm

3)“短槽”聯(lián)接的液壓支架平穩(wěn)有效推進(jìn)，未見(jiàn)支架十字頭出現(xiàn)異常，沒(méi)有聯(lián)接裝置發(fā)生彎曲變形或焊道開(kāi)裂，也未出現(xiàn)啞鈴銷(xiāo)彎曲事件，彈簧銷(xiāo)依舊保持完全的彈性勢(shì)能。

4)中部槽和支架間的姿態(tài)校正小油缸保證了平穩(wěn)渡過(guò)推進(jìn)過(guò)程中走向出現(xiàn)的“大鍋底”。

5)優(yōu)化后的采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴適應(yīng)性較好，未出現(xiàn)短時(shí)間開(kāi)裂現(xiàn)象；滾筒與刮板機(jī)鏟未出現(xiàn)干涉的情況。

綜上觀(guān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明：“短槽”設(shè)計(jì)槽長(zhǎng)878mm合理，槽間的連接裝置穩(wěn)定可靠，受力力臂較??；“短槽”槽間的垂直彎曲角度控制在±2°范圍內(nèi)，能夠滿(mǎn)足傾角25°以下的綜采工作面采用交叉?zhèn)刃兜氖褂靡螅恢胁坎酆椭Ъ荛g的姿態(tài)校正油缸能夠滿(mǎn)足適應(yīng)走向起伏急劇變化的使用條件。

2019年10月，10L綜采工作面完成回采并順利進(jìn)入回撤階段。在煤層賦存條件復(fù)雜條件下，工作面實(shí)現(xiàn)了最高日進(jìn)尺13.6m、最高日產(chǎn)12000t的可喜成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了安全高效開(kāi)采?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到了業(yè)主的認(rèn)可。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)俄羅斯南方礦預(yù)回采的綜采工作面煤層走向起伏較頻、傾向有起伏且傾角變化較大的復(fù)雜條件，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)關(guān)鍵部件或組件，實(shí)現(xiàn)了傾角25°以下綜采工作面采用交叉?zhèn)刃兜姆绞剑焕弥Ъ芘c中部槽之間的姿態(tài)校正油缸精確控制仰俯采角度的技術(shù)及配套關(guān)系，保證中部槽仰、俯采角度在±5°范圍內(nèi)能夠精確控制，有效地防止了因走向起伏較頻而引起的輸送機(jī)“漂溜”、“啃底”問(wèn)題，提高了工作效率，降低了含矸率。該套綜采設(shè)備在俄羅斯礦井成功應(yīng)用，提升了中國(guó)煤機(jī)企業(yè)的國(guó)際知名度，樹(shù)立了中國(guó)煤機(jī)企業(yè)的品牌形象，為中國(guó)煤機(jī)企業(yè)“走出去”奠定了基礎(chǔ)。