特厚軟煤大采高綜放工作面成套裝備技術研究

楊正凱，張金虎，張 寧

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083；3.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；4.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；5.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；6.濟寧礦業(yè)集團有限公司 安居煤礦，山東 濟寧 272100)

煤炭作為我國主體能源為國民經(jīng)濟發(fā)展提供了重要支撐，其中，厚及特厚煤層的儲量和產(chǎn)量分別約占全國的43%和45%，因此，實現(xiàn)厚及特厚煤層的安全、高效、高采出率開采對我國煤炭工業(yè)的發(fā)展和國家能源安全具有重要意義[1-3]。綜放開采作為我國煤炭開采在世界上的標志性技術和成果為厚及特厚煤層開采提供了可靠的解決方案[4，5]，大采高綜放集合了大采高一次采全厚和綜放開采的優(yōu)勢，進一步提高了綜放開采的生產(chǎn)能力、開采效率和對14m以上特厚煤層的適應性，但對“三機”裝備的能力、配套性能及可靠性提出了更高的要求，特別是對于硬度較小的特厚煤層，協(xié)調(diào)煤壁頂煤穩(wěn)定和提高頂煤采出率的矛盾，研究并確定液壓支架、采煤機、前后部刮板輸送機的技術特征參數(shù)和智能化控制系統(tǒng)對于發(fā)揮大采高綜放開采效能具有重要意義[6，7]。

1 工程概況

永隴礦區(qū)園子溝礦井首采101盤區(qū)2#煤頂板一般為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖(偶見中粗砂巖)，厚度一般2.0～5.0m。開采厚度為3.1～15.8m，平均約11.1m，煤層賦存穩(wěn)定，夾矸0～3層，單層夾矸厚度0.1～0.7m，平均夾矸厚度0.4m，夾矸巖性以炭質(zhì)泥巖為主，結構簡單。煤層抗壓強度12.6～18.4MPa，平均約15.3MPa，煤層硬度較小，屬于特厚軟煤。

園子溝礦井首采盤區(qū)工作面設計長度為200m，采高約為3.5～3.8m，放煤約7.5～12.0m，采用多輪間隔放煤的方式，采放比約1∶2～1∶3，屬于大采放比綜放開采。根據(jù)國產(chǎn)采煤機配套滾筒尺寸，考慮煤體強度較低和厚度較大，為改善端部頂煤控頂效果、提高頂煤回收率，確定截深為800mm。

2 大采高綜放支護裝備關鍵技術

根據(jù)園子溝礦井2#煤賦存條件，該煤層具有3個典型特征，即特厚、較軟且底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖。因此，針對上述特點對液壓支架進行針對性的設計和優(yōu)化。

1)大采高綜放液壓支架參數(shù)優(yōu)化?；谝簤褐Ъ芘c圍巖耦合力學模型[10]，以特厚軟煤大采高綜放液壓支架架型、支架中心距、頂梁結構等主要技術參數(shù)為優(yōu)化變量，以支架合力作用點、支架尖端比壓等為目標函數(shù)，分析確定綜放支架主要技術特征參數(shù)。對于2#煤層來說，約10m以上的特厚頂煤放出后，冒放空間大，頂板及上覆巖層運動范圍較大，隨著頂煤的放出支架的合力作用點不斷發(fā)生變化，根據(jù)已有特厚煤層綜放開采經(jīng)驗[5]，10m以上特厚煤層綜放工作面周期來壓期間會交替出現(xiàn)前、后立柱增阻的現(xiàn)象，因此設計整體頂梁帶鉸接前梁結構，增強對合力變化范圍及頻率的適應性?；谝簤褐Ъ軇討B(tài)優(yōu)化設計軟件優(yōu)化綜放支架四連桿機構，實現(xiàn)梁端距變化小，有利于防止架前冒頂和煤壁片幫，提高支架的支撐能力和穩(wěn)定性。

2)強力抗沖擊立柱設計。配置大缸徑(360mm)雙伸縮立柱提高頂板控制效果，支架工作阻力達16000kN；提高支架初撐力，使得支架主動支撐頂板的能力加強，可有效地保證頂板的完整性；保證加工工藝，減小軸孔間隙和徑向間隙，選用高強度板材，提升支架質(zhì)量，綜合保障工作面支護效果。

3)護幫機構優(yōu)化設計。特厚軟煤大采高綜放工作面煤壁穩(wěn)定性的控制關乎綜放開采的成敗，以往大量研究及現(xiàn)場生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，煤壁最大水平位移點距頂煤的距離約為0.35倍的采高，此區(qū)域應為支架護幫板的重點支護區(qū)域[8，9]，根據(jù)采高不低于3500mm確定護幫高度不小于1300mm。通過結構優(yōu)化設計大缸徑千斤頂護幫機構，護幫高度大于1400mm，護幫力大于380kN，且護幫板可挑平，當冒頂時可挑平護頂，全方位提高工作面空頂處及煤壁穩(wěn)定性。

四柱綜放支架的典型問題是容易出現(xiàn)前后立柱受力不均，支架無法充分發(fā)揮工作能力。根據(jù)煤體較軟宜降低支架反復支撐對頂煤的破壞，用鉸接式頂梁設計，同時為保證采煤機截割后及時護頂，頂梁前端設計伸縮梁結構；配置2個100mm缸徑伸縮梁千斤頂，伸縮梁與水平呈3°水平夾角上翹，使伸縮梁在伸出過程中，充分與頂板接觸，接頂性好[10]。

3 大采高綜放工作面設備配套

3.1 大運量運輸系統(tǒng)

1)運量及功率。綜放工作面刮板輸送機的主要功能是運載采煤機割落的煤炭和回收上部頂煤，因工作面煤層厚度大且硬度低，前部易發(fā)片幫冒頂，后部易煤量過大。根據(jù)煤流在刮板輸送機內(nèi)的運行特征，刮板運輸機其運煤斷面A主要由四部分構成，即A=A1+A2+2A3，A1=bh1，A2=bh2，2A3=bh3，式中，b為槽寬，mm；h1為中部槽上槽口高度，mm；h2為運輸狀態(tài)下煤炭可堆積的最大高度，h2=b/2tanα，α為煤的運動安息角，取30°，h2≈0.29b。根據(jù)散落煤塊堆積情況2A3≈A2/3，代入得2A3≈0.1b2，則A=bh1+0.39b2。根據(jù)工作面年產(chǎn)8Mt要求及頂煤放出量，要求前后部刮板輸送機運量分別不小于2000t/h和2500t/h，根據(jù)鏈速1.3～1.5m/s能力，根據(jù)不同運煤斷面可得，前后部槽寬分別為1000mm和1200mm，考慮運量和工作面長度，驅(qū)動功率為2×1000kW。

2)驅(qū)動型式。如何保證工作面停機后的順利啟動是實現(xiàn)工作面快速推進，保障工作面生產(chǎn)能力的關鍵。大槽寬、高功率刮板輸送機可提高工作面運輸能力，軟啟動方式可有效解決重載啟動的問題。目前已成功用于工作面輸送機的軟啟動技術有：閥控充液式液力偶合器(TTT)、CST減速器(CST)、高壓變頻調(diào)速等方式。變頻調(diào)速方式通過調(diào)節(jié)輸出頻率，可根據(jù)運行要求改變電源頻率實現(xiàn)0～100%調(diào)速。具有穩(wěn)定性高、故障率低、節(jié)能等優(yōu)點，目前已成為工作面重型刮板輸送機的優(yōu)選方式，通過不同驅(qū)動方式對比分析，確定刮板輸送機采用高壓(3300V)交流變頻軟啟動的方式。

3.2 支護質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)

四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架易出現(xiàn)頂梁前后立柱受力不均的問題，從而造成頂板控制效果不佳[11，12]。針對液壓支架在“頂梁低頭、底座低頭”、“頂梁低頭、底座抬頭”、“頂梁抬頭、底座低頭”、“頂梁抬頭、底座抬頭”四種不良姿態(tài)情況下對應特征參數(shù)，通過姿態(tài)傳感器、壓力傳感器、多功能顯示終端和多功能一體化軟件等對液壓支架姿態(tài)、壓力等進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)支架歪斜、初撐力不足、支架超限等預警，給出液壓支架提高支護質(zhì)量的合理化操作建議，延長液壓支架的使用壽命、預防液壓支架損壞等事故發(fā)生。

3.3 智能化防塵系統(tǒng)

工作面智能降塵系統(tǒng)由主控制器、分控制器、紅外發(fā)射裝置、礦用無線壓力檢測發(fā)射裝置、礦用隔爆型電磁閥、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源、工人自動識別裝置、噴頭和電纜等組成，并配有專用的智能噴霧降塵控制軟件。在采煤機及作業(yè)人員配置RFID標簽，系統(tǒng)可實現(xiàn)跟機、降架、移架和放煤噴霧等功能，且具備人員識別防淋濕功能。自動化噴霧降塵系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自動化噴霧降塵系統(tǒng)

4 井下應用及效果

2019年8月園子溝煤礦1012001綜放工作面開始投產(chǎn)應用，工作面配套設備如下：

1)采煤機MG650/1620-WD型，截割功率：2×650kW，采高3.0～4.0m，截深800mm，電壓3300V，能力1500t/h。

2)SGZ1000/2×1000型前部刮板輸送機和SGZ1200/2×1000型后部刮板輸送機，運輸能力分別為2000t/h和3000t/h。

3)ZF16000/23/42型四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架，支架中心距1750mm，支護強度1.5MPa。生產(chǎn)期間對工作面“三機”運行工況進行了監(jiān)測，支架工作阻力分布于9000～13000kN，受力狀態(tài)良好，刮板機未發(fā)生斷鏈事故，采煤機平均割煤速度約4～5m/min，開機率約55%～60%，煤壁偶有片幫，日割煤8～12刀，一采一放，頂煤回收率約83%，工作面煤炭綜合回收率約87.9%，工作面具備單面年產(chǎn)800萬t的能力。

5 結 論

1)大采高綜放是特厚煤層實現(xiàn)高產(chǎn)、高效和高回收率的有效方法，合理的三機設備選型及配套為大采高綜放開采效能的發(fā)揮提供了有力保障。

2)基于液壓支架動態(tài)優(yōu)化設計四柱支撐掩護式液壓支架，采用整體頂梁帶鉸接前梁和二級護幫機構，有效解決了特厚軟煤大采高綜放煤壁穩(wěn)定性控制的問題；大運量變頻調(diào)速運輸系統(tǒng)提高了刮板輸送機的運輸性能及瞬時大運量的適應性。

3)支架支護質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)實現(xiàn)了支架姿態(tài)與受力狀態(tài)的實時監(jiān)測，提高了支護的效果；智能噴霧降塵系統(tǒng)實現(xiàn)了與采、運、支、放等工藝的協(xié)同控制，改善了工作面的作業(yè)環(huán)境。