煤礦綜采工作面“三機”配套技術(shù)分析

劉克雷 吳華

摘 要 通過對綜采工作面三機在地質(zhì)條件、開采工藝、生產(chǎn)能力、設(shè)備性能、空間幾何尺寸、壽命等方面進行分析，明確了三機配套應(yīng)注意的問題及原則，并對三機配套技術(shù)發(fā)展做了敘述。

關(guān)鍵詞 三機配套;技術(shù)分析;發(fā)展;一致性

綜采與炮采、普采相比較，具有可靠性高、安全性好、產(chǎn)量高等優(yōu)點，隨著煤礦采煤機械化程度的不斷提高，我國煤炭產(chǎn)量也在逐年提高，綜采工作面已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)中的主力軍。綜采“三機”（指采煤機、刮板輸送機、液壓支架）配套設(shè)備的合理選擇，關(guān)系到綜采工作面能否在短期內(nèi)達產(chǎn)，各設(shè)備技術(shù)特征能否滿足該工作面的要求，能否在可采期間高產(chǎn)高效。因此，綜采三機設(shè)備選擇是否合理，配套關(guān)系是否正確，顯得尤為重要。

1三機配套技術(shù)

綜采工作面“三機”配套是整套綜采設(shè)備的核心。采煤機要依靠刮板輸送機導(dǎo)向并在其上移動，刮板輸送機依靠液壓支架推移，液壓支架又依靠刮板輸送機支承而移動。因此，為了實現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)能力的最大化和安全生產(chǎn)，“三機”在地質(zhì)條件、開采工藝、生產(chǎn)能力、設(shè)備性能、空間幾何尺寸、壽命等方面必須互相適應(yīng)和匹配。

通過調(diào)查研究掌握詳細的地質(zhì)資料和采煤工藝，是搞好綜采設(shè)備選型配套的基礎(chǔ)，設(shè)計研制新的機械設(shè)備，可以通過協(xié)商，調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù)，達到配套的要求。

1.1 地質(zhì)條件配套

影響地質(zhì)條件匹配的因素有：①煤層厚度：影響支架的結(jié)構(gòu)空間、伸縮比和支護強度。對薄煤層而言，影響采煤機的是最大結(jié)構(gòu)高度和采高。②煤層傾角：影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)傾角>10°，采煤機和支架要有防滑裝置;當(dāng)傾角>16°時，輸送機要有防滑裝置。③煤層硬度：硬度?。╢≤2）的煤層，應(yīng)當(dāng)選用較大截深的采煤機，雙中鏈的刮板輸送機;硬度大（f>2）的煤層，應(yīng)當(dāng)選用大功率和截深較小的采煤機，優(yōu)先選用雙邊鏈或中雙鏈刮板。④頂?shù)装鍡l件：頂?shù)装宓姆€(wěn)定性決定著液壓支架的支護強度和架型。在頂板不穩(wěn)定的條件下，應(yīng)選用截深較小的采煤機，槽寬較窄的刮板輸送機;在底板抗壓強度不同時，支架的底座形式，刮板槽寬應(yīng)與煤機底托架的形式相匹配。⑤底板比壓：底板比壓影響液壓支架底座形式和面積。底板較軟，承受比壓較小，使支架前端比壓增大，應(yīng)選用整體閉式底座。

1.2 開采工藝配套

根據(jù)地質(zhì)條件及煤層賦存條件確定一次采全高、放頂煤、分層開采方式。當(dāng)煤層可放性好通常選用放頂煤開采工藝，而影響可放性的主要因素有煤的厚度、煤層硬度及其裂隙發(fā)育程度、開采深度、煤層夾矸厚度和巖性、頂板條件及煤層開采技術(shù)條件等。

1.3 生產(chǎn)能力配套

工作面生產(chǎn)能力取決于采煤機落煤能力。要保證工作面高產(chǎn)，刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、可伸縮帶式輸送機等設(shè)備的輸送能力就要大于采煤機落煤能力，液壓支架移架速度就要滿足采煤機割煤、落煤、裝煤的工作速度要求。工作面“三機”生產(chǎn)能力配套按下列步驟校核：

（1）確定工作面所需要的生產(chǎn)能力。在確定工作面生產(chǎn)能力時應(yīng)考慮如下因素：①同類綜采設(shè)備在生產(chǎn)中的實際生產(chǎn)能力;②所選設(shè)備能夠保證實現(xiàn)的生產(chǎn)能力;③考慮到投資、效益及礦井發(fā)展計劃所需要的生產(chǎn)能力。 最終，工作面所需的生產(chǎn)能力以工作面的小時生產(chǎn)能力為基礎(chǔ)。

工作面小時生產(chǎn)能力：

式中 ——工作面需要的生產(chǎn)能力，t/h;

——日生產(chǎn)能力，t/日;

K——生產(chǎn)不均衡系數(shù)，K=1.1～1.15;

N——日作業(yè)班數(shù);

M——每日檢修班數(shù);

t ——每班工作時數(shù);

s ——時間利用系數(shù)。

（2）核算采煤機可實現(xiàn)的生產(chǎn)能力

=60

式中 ——采煤機可實現(xiàn)的生產(chǎn)能力，t/h;

——牽引速度，m/min;

H ——平均采高，m;

B ——截深，m;

R ——煤的容重，t/m?;

——采煤機開機率﹪，一個生產(chǎn)班內(nèi)采煤機有效割煤時間與當(dāng)班時間之比×100﹪。

（3）核算刮板輸送機可實現(xiàn)的生產(chǎn)能力

=3600

式中 ——輸送機可實現(xiàn)的生產(chǎn)能力，t/h;

F——載貨斷面積，㎡;

ρ——滿載系數(shù);

γ——貨載松散容重，t/m?;

——鏈速，m/s。

（4）確定三機綜合生產(chǎn)能力。綜采工作面的各配套設(shè)備必須適應(yīng)與滿足高產(chǎn)高效的需要，就要以工作面設(shè)備為基礎(chǔ)，形成一條由工作面向外生產(chǎn)能力配套的“喇叭口”煤流系統(tǒng)，用綜采設(shè)備的協(xié)調(diào)性以保證工作面快速推進的需求，參照國內(nèi)外高產(chǎn)高效綜采工作面系統(tǒng)生產(chǎn)能力的設(shè)計，應(yīng)以工作面生產(chǎn)能力的1.2倍為基數(shù)，由采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、皮帶機能力逐漸遞增[1]。

1.4 設(shè)備性能配套

工作面“三機”性能配套主要解決采、運、支護三種設(shè)備性能之間的相互配合、避免運轉(zhuǎn)時的相互制約問題以及系統(tǒng)之間連接方式的匹配，以充分發(fā)揮設(shè)備性能，最大程度的滿足工作面生產(chǎn)需要。這就需要通過對各個設(shè)備的性能及特點研究分析，確定其性能配套的要素，進行必要的調(diào)整和改進，使其相互之間性能匹配。

（1）采煤機自開切口的搖臂長度與刮板輸送機機頭、機尾的長度相適應(yīng)。

（2）采煤機底托架的形式、規(guī)格參數(shù)與刮板輸送機的中部槽及其鏟煤板、擋煤板的導(dǎo)向方式與其強度相適應(yīng)。

（3）采煤機的牽引機構(gòu)、行走機構(gòu)與刮板輸送機間的聯(lián)系和嚙合方式及其強度相適應(yīng)。

（4）液壓支架的底座和推移裝置與輸送機的機頭、機尾和中部槽的連接及其運用方式（如立即支護還是滯后支護），它們間的連接位置設(shè)置以及性能強度相適應(yīng)。

（5）液壓支架的移架速度與采煤機的割煤速度相適應(yīng)。

（6）刮板輸送機、液壓支架的防倒、防滑性能與煤層傾角大小相適應(yīng)。

（7）采煤機的采高與液壓支架的高度相適應(yīng)。

（8）采煤機滾筒寬度及截深與液壓支架的步距相匹配。

（9）采煤機的搖臂與刮板機的匹配：刮板機的機頭鏈輪中心高度在滿足卸載高度的前提下，應(yīng)盡量降低;當(dāng)采煤機進行到刮板機機頭、機尾時，搖臂下擺能夠截透“三角煤”，保證留有一定臥底量，并且設(shè)備間無干涉現(xiàn)象。

（10）采煤機的滾筒外輪廓在運行到工作面的端部極限位置時，其底部不得與刮板輸送機的過渡槽部件干涉。

（11）連接頭銷軸尺寸與輸送機擋板槽幫推移耳孔的尺寸匹配;

（12）連接頭與刮板機推移耳的干涉檢查。

（13）連接頭在極限位置時與輸送機中部槽或推移梁的干涉檢查。

（14）電纜槽最大外廓與支架間的極限間隙檢查，應(yīng)保證人行通道順暢。

（15）電纜槽連接螺栓頭與采煤機牽引支座的間隙檢查。

（16）電纜槽與采煤機外廓的間隙檢查。

（17）電纜槽的高度及寬度與采煤機的配套關(guān)系檢查。

1.5 空間幾何關(guān)系配套

綜采成套設(shè)備的幾何關(guān)系匹配主要是中部“三機”幾何關(guān)系配套設(shè)計，保證設(shè)備運行是采煤機、刮板輸送機和液壓支架相互配合、不相互發(fā)生干涉與影響，使設(shè)備的效能能夠充分發(fā)揮。幾何關(guān)系的主要檢查配套關(guān)系主要包括6 個部分的設(shè)備配套及布置關(guān)系：工作面綜采成套設(shè)備整體布置圖、中部斷面三機配套圖、過渡支架三機配套圖、端頭支架三機配套圖、上下端頭設(shè)備布置圖、工作面整體布架圖。

在三機配套中必須合理地控制工作面采高、梁端距、鏟間距、臥底量、采煤機機面高度、過煤空間、過機間隙、行人空間等尺寸，以保證工作面設(shè)備最大效能地發(fā)揮。

（1）工作面采高。工作面采高決定著采煤機及液壓支架的工作高度。工作面采高（H）依據(jù)煤層的開采厚度（h）來選擇：

式中--可能冒落的偽頂厚度，一般約為200～300mm。

--頂板最大下沉量，一般取100～200mm。

a--支架移架需要的最小降架量，一般取50mm。

b--浮煤厚度，一般取50mm。

（2）梁端距。梁端距主要依據(jù)煤的軟硬程度、頂板冒落情況、底板沿走向起伏變化情況以及采高等因素來選取，過大將會加大支架控頂距，過小易造成采煤機滾筒割到頂梁，一般為100～300mm。梁端距小有利于維護近煤壁頂板，采高越小，梁端距應(yīng)越小。

（3）鏟間距。鏟間距過小，則采煤機在斜切進刀時會與鏟板干涉，距離過大，裝煤效果會顯著降低，同時會增加支架的推溜力，影響工作面的推進速度，一般取值在200mm左右。

（4）臥底量。臥底量是滾筒處于最低工作高度時，滾筒切到刮板機支承面以下的深度。當(dāng)?shù)装逵衅鸱鼤r，適當(dāng)?shù)呐P底量對控制設(shè)備在煤層中的位置和清理底板有重要作用，臥底量一般取100～300mm。

（5）采煤機機面高度。機面高度主要考慮到實際工作條件，在最低采高即支架在最低工作高度時，采煤機機身之間要有一定的安全距離，以保證采煤機能夠順暢通過支架。工作面起伏較大時，安全距離應(yīng)稍大一些。

（6）過煤空間。過煤空間是指采煤機機身下側(cè)到刮板機中板之間的豎直高度，在采煤機、刮板機已定的情況下，決定著過煤空間的大小，與采面生產(chǎn)能力息息相關(guān)。采高越大，過煤空間應(yīng)越大。在薄煤層采面，最小也不應(yīng)小于250mm;

（7）過機間隙 過機間隙應(yīng)能適應(yīng)煤層厚度的變化、頂板和底板的起伏，以及浮煤使刮板機和采煤機上飄的影響，還要滿足滾筒運作的需要。一般應(yīng)大于200mm，在中厚及厚煤層中，應(yīng)有更大的過機間隙。

（8）行人空間 三機在運行中，應(yīng)能保證人員移動、操縱和維護設(shè)備方便的需要。人行通道的寬不小于850mm，高度不小于500mm，必要時在人行通道上鋪設(shè)滑槽，還需保證必要的避讓空間，確保過往行人安全。另外工作面兩端頭的人行通道必須大于700mm。

1.5 壽命配套

使用壽命匹配主要是指綜采成套設(shè)備各設(shè)備的大修周期基本相同或接近，使設(shè)備大修總時間縮短，減少在生產(chǎn)過程的交替大修，保證工作面能持續(xù)正常生產(chǎn)。傳統(tǒng)行業(yè)中，在使用壽命的計算上，不同設(shè)備有不同的標(biāo)準(zhǔn)。

目前對設(shè)備的大修周期沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來衡量， 可根據(jù)實際生產(chǎn)情況， 制定配套“三機”的產(chǎn)量規(guī)格，對“三機”統(tǒng)一按產(chǎn)煤量來計算和衡量[2]。

2煤礦綜采工作面“三機”配套技術(shù)發(fā)展

我國綜采經(jīng)過近60年的發(fā)展，煤炭裝備的自主研發(fā)能力、制造技術(shù)和綜合實力均達到了世界先進水平，年產(chǎn)1200萬噸成套綜采設(shè)備業(yè)已基本定型。但我國煤炭裝備制造技術(shù)與國外先進國家比較還存在著明顯的差距，主要表現(xiàn)在高端材料、焊接工藝技術(shù)及質(zhì)量控制、液壓密封元件、軸承、變頻及軟啟動、工況檢測與故障診斷、自動控制技術(shù)以及整機可靠性等方面。

在最近一個時期，我國煤炭開采將以高效集約化生產(chǎn)為發(fā)展方向，以安全、高效、高回采率、環(huán)保節(jié)能為目標(biāo)，實現(xiàn)自動化與信息化，提高設(shè)備的可靠性，降低勞動消耗，提高生產(chǎn)效率。工作面長度達到400m以上，采煤機實現(xiàn)工作面記憶截割，液壓支架跟機自動化推移，基于智能、視頻與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作面巷道集中控制和地面遠程監(jiān)控，在中厚煤層實現(xiàn)工作面年產(chǎn)1000萬～1500萬t。

通過對煤礦裝備不斷研究，國內(nèi)部分廠家已經(jīng)形成了“三機”成套設(shè)備供應(yīng)能力，如太重、中煤等，鄭煤機、三一等正在加緊布局，其他煤機企業(yè)也在積極地向成套化靠攏[3]。

3結(jié)束語

煤礦綜采工作面“三機”配套是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、采礦學(xué)、機電等各學(xué)科，是提高綜采工作面礦井效率和效益的前提所在。目前的設(shè)備選型和配套還是以“經(jīng)驗類比”為主，雖然基本上能滿足生產(chǎn)需要，但還是存在著一些問題。如有些設(shè)備選型設(shè)計參數(shù)是符合要求的，但在實際使用中無法達到或?qū)崿F(xiàn);也有的為了利用現(xiàn)有的設(shè)備，其他設(shè)備選的時候富余量過大，能力過剩，利用不合理。

煤礦綜采工作面“三機”配套不能停留在簡單的“經(jīng)驗類比”上，而應(yīng)開發(fā)研制相應(yīng)的綜采設(shè)備選型系統(tǒng)，避免在選型設(shè)計中受個人偏見的影響，同時還要對系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)進行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，使其設(shè)計參數(shù)與實際運行參數(shù)得到統(tǒng)一。隨著三維設(shè)計軟件的普及，在三機配套中應(yīng)加強配套的三維化，由此將大大增加配套的直觀性和準(zhǔn)確性。中國礦業(yè)大學(xué)等科研院所已經(jīng)開發(fā)的有相關(guān)系統(tǒng)，國內(nèi)煤機企業(yè)也在做相關(guān)的工作，但總體來說使用不太理想，沒有很好的推廣使用。

參考文獻

[1] 沈利華.采煤機綜采配套選型與調(diào)整[J].煤礦機電，2008（6）：11-13.

[2] 劉中海，李巖松，王啟佳.綜采成套設(shè)備的配套原則分析[J].煤礦機械，2012（8）：99-101.

[3] 梁香過，孫艷軍.綜采配套設(shè)備采煤機技術(shù)參數(shù)的計算選擇[J].煤礦機械，2010，31（5）：3-5.