刨煤機工作面不等長調(diào)斜回采工藝及技術(shù)研究

石振文,梁樹民,馮青林，葉 鵬

(鐵法煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司曉南煤礦，遼寧 調(diào)兵山 112701)

鐵煤集團曉南礦二水平北一采區(qū)原設(shè)計為4個刨煤工作面，已回采1個刨煤工作面，N1-1401刨煤工作面為采區(qū)第2個刨煤工作面，原設(shè)計為工作面長方形規(guī)則布置，掘進期間回順遇到斷層，因刨煤機工作面采高矮，難以渡斷層回采，必須修改設(shè)計，如按常規(guī)設(shè)計，修改原設(shè)計方案后有兩種方案。方案一：回順側(cè)躲開斷層后繼續(xù)掘進，運順側(cè)按原設(shè)計方案繼續(xù)掘進到位后布置個刀把型工作面，運、回順平行布置。方案二：分兩個工作面回采，自遇斷層位置之前布置一個工作面，自遇斷層位置后沿斷層方向布置另外一個小切眼工作面。

以上兩種常規(guī)方案均有其不足之處，方案一造成煤炭資源浪費，而方案二則增加了安拆次數(shù)及收尾工程。對比優(yōu)化后，選擇方案二并進行優(yōu)化，采取將兩個工作面聯(lián)合布置方式，通過調(diào)斜開采來完成兩個工作面的過渡，既可減少安拆次數(shù)又可最大限度地避免了資源浪費，如圖1所示。

1 工作面概況

1.1 工作面地質(zhì)情況簡介

N1-1401刨煤工作面位于曉南礦二水平北一采區(qū)西部。南以北一14層中巷保護煤柱為界與南翼采區(qū)相鄰；北部為井田邊界；東部為北一1402工作面(尚未開拓)；西以F2斷層為界與大興井田相鄰；上部為13#煤(不可采)；下部為15#-1煤。工作面所采煤層為下含煤段14#煤層，煤層厚度1.29～1.81 m，

圖1 工作面優(yōu)化后布置方案示意圖

平均厚度1.58 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸一至三層，夾矸為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度為0.04～0.18 m。工作面水文地質(zhì)條件簡單，頂板裂隙有出水現(xiàn)象，回采過程中頂板可能會出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象。該工作面范圍內(nèi)沒有對回采形成影響的褶曲存在，根據(jù)地質(zhì)鉆孔及實見資料分析，工作面內(nèi)頂板局部存在有古河流沖刷現(xiàn)象，使其煤層變薄,無火成巖侵入。

1.2 工作面主要設(shè)備布置

工作面采用DBT-9-38Ve/5.7型刨煤機刨煤，同時由DBT-GH-PF3/822型刮板輸送機鏟煤板裝煤。工作面采用SGZ880/800型刮板輸送機運煤，原煤通過SZZ-800/315型轉(zhuǎn)載機、輪式破碎機PCM160、運輸順槽的膠帶輸送機(共三部)運至北一采區(qū)煤倉。調(diào)斜回采期間，拆除第三部膠帶輸送機后，在拐點位置利用SGB620/80型小刮板輸送機運煤[1]。

2 調(diào)斜回采實施方案設(shè)計

調(diào)斜回采分為三個階段進行(如圖2所示)，回采至拐點前35 m開始進入準(zhǔn)備階段，期間調(diào)整工作面采高保持平穩(wěn)，防止采高起伏大造成頂板不穩(wěn)定；加強設(shè)備檢修，尤其是液壓系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)，以保證工作面調(diào)斜回采順利。做好相關(guān)生產(chǎn)管理記錄，準(zhǔn)確掌握工作面推進度；拐點處運煤系統(tǒng)改造完成，SGB620/80型小刮板輸送機安裝、調(diào)試好。運順側(cè)受轉(zhuǎn)載機及替棚支架尺寸限制，為保證順利通過拐點位置，需進行相應(yīng)擴幫工程；回順側(cè)也需提前擴幫30 m，以解決調(diào)采期間工作面不等長的問題[2]。

回采拐點前9 m后，進入調(diào)采階段，擬定調(diào)采比例(通過調(diào)整截深完成)為1:4，將調(diào)斜開采區(qū)域分割成若干個小扇形轉(zhuǎn)向斜切回采，原則上在不超過輸送機最大彎曲度的情況下，可根據(jù)工作面地質(zhì)構(gòu)造情況及支架狀態(tài)，隨時調(diào)整好工作面不同區(qū)域的截深，以最快速度完成轉(zhuǎn)向斜切回采。期間重點是利用側(cè)護板及特質(zhì)液壓缸及時調(diào)整工作面支架狀態(tài)，防止支架擠、咬現(xiàn)象發(fā)生；加強兩順大斷面頂板管理，防止頂板事故；根據(jù)工作面輸送機狀態(tài)，及時更改中央控制單元(MCU)設(shè)定，適當(dāng)調(diào)整工作面前后截深，防止工作面輸送機竄動量過大；調(diào)整好運順內(nèi)轉(zhuǎn)載機與小刮板輸送機搭接，保證出貨正常[3]。

圖2 調(diào)斜回采方案分階段示意圖

回采過拐點后，進入調(diào)整階段，該階段主要根據(jù)工作面輸送機狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)整兩順推進量，保證工作面輸送機達到正常狀態(tài)，為對接二切眼提前做準(zhǔn)備；拆除運順小刮板輸送機，恢復(fù)轉(zhuǎn)載機與皮帶輸送機搭接，恢復(fù)工作面正常運煤系統(tǒng)。

3 計算機遠程控制系統(tǒng)應(yīng)用

刨煤工作面的自動控制系統(tǒng)可以操作所有設(shè)備的運行與停止，工作面自動控制系統(tǒng)由兩大部分組成：一部分是PROMOS系統(tǒng),實現(xiàn)破碎機、轉(zhuǎn)載機、輸送機、刨煤機的啟停和閉鎖及對工作面語音通訊、噴霧降塵、設(shè)備冷卻、刨頭方向、刨頭速度進行控制和檢測；另一部分是PMCR電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對液壓支架完成推溜、移架、補償機械間隙等動作進行自動控制[4]。

PROMOS系統(tǒng)：其工作原理是在系統(tǒng)啟動前，首先對系統(tǒng)進行全面檢測，包括各終端開關(guān)是否有返回、工作面有無急停、安全回路是否連通、各監(jiān)控元件及傳感器線路是否正常，如有問題，PROMOS系統(tǒng)會通過控制臺顯示屏告知故障點的位置，如系統(tǒng)一切正常，操作人員可通過控制鍵盤按順序啟動系統(tǒng),刨煤機的位置及運動方向是由安裝在刨煤機減速器內(nèi)部的計數(shù)傳感器來監(jiān)測的，計數(shù)傳感器將采集的脈沖模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給輔助控制器，經(jīng)輔助控制器處理后，在顯示屏上顯示出刨頭的具體位置和運行方向。刨煤機在工作面內(nèi)的自動往返運行和高低速的切換均由PROMOS系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)所控制。

在工作面每組支架均安有2個噴霧嘴，噴霧嘴與支架的電液控制閥相連，噴霧電磁閥的開啟狀態(tài)由PMCR支架單元控制器控制，PMCR得到刨頭運行位置，保證跟隨刨頭運行進行噴霧。工作面電機減速器的冷卻均通過智能接口(PE4110)和噴霧電磁閥(HG6020)進行控制，實現(xiàn)對以上設(shè)備的冷卻，同時流量計對冷卻水的流量進行實時監(jiān)控。PROMOS監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 PROMOS監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

PMCR控制系統(tǒng)：在主控制室設(shè)有一臺PMCR服務(wù)器和一臺計算機(MCU),工作面內(nèi)每3個支架上安裝一臺PMCR(支架控制單元)，每臺支架上配有電磁閥、壓力傳感器和推移測控桿，用以實現(xiàn)支架各種動作的自動操作,每個PMCR控制單元均有自身的地址和編碼，PMCR服務(wù)器接收來自PROMOS監(jiān)控系統(tǒng)的刨煤機位置及方向數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為依據(jù)來指揮工作面內(nèi)的PMCR電液控制單元對液壓支架進行各種動作控制,當(dāng)刨煤機通過后，PMCR電液控制單元發(fā)出信息給螺紋驅(qū)動器，螺紋驅(qū)動器輸出電流使電磁閥動作從而控制支架動作。每個支架上安有壓力傳感器和推移千斤頂位移傳感器,PMCR電液控制單元根據(jù)傳感器的測試值對液壓支架進行推溜、降架、拉架、升架一系列動作，如圖4所示。當(dāng)推移千斤頂行程達到一定值時(在參數(shù)菜單中由人工設(shè)置)，液壓支架就會自動前移；輸送機的推移距離由上行和下行刨深決定，每次輸送機的推移量即為下次刨煤機的截深。

調(diào)斜調(diào)角開采時，刨煤機采用“Z”型往返雙向刨煤方式，通過更改MCU或PMCR服務(wù)器設(shè)定調(diào)整前后端頭和中間段的刨深，使工作面達到合理的調(diào)采比，完成工作面的調(diào)斜調(diào)角開采。為保證工作面液壓支架狀態(tài)，工作面采用自動推溜、人工移架相結(jié)合的方式，人工檢查支架狀態(tài)并及時反饋給控制臺，以便及時修改MCU設(shè)定參數(shù)，調(diào)整合適的調(diào)采比。

圖4 液壓支架電液控制系統(tǒng)

4 調(diào)斜開采的生產(chǎn)技術(shù)

4.1 小刮板輸送機管理

由于工作面刮板輸送機與小型刮板輸送機的運輸能力不同，經(jīng)過現(xiàn)場經(jīng)驗總結(jié)，通過減小刨煤深度和降低刨煤機運行速度，來保證刮板輸送機上貨量均衡，同時采用雙電機驅(qū)動的形式增加小型刮板輸送機運輸能力，防止因小型刮板輸送機超負荷運轉(zhuǎn)而造成斷鏈、電機損壞等現(xiàn)象發(fā)生。日常加強小型刮板輸送機檢修，同時要對易損壞的部件如液力偶合器、電機、分鏈器、固定座等準(zhǔn)備充足的備用配件。運行過程中，及時清理小刮板底鏈浮貨，防止碎貨堆積造成底鏈運行阻力大。

4.2 支架調(diào)斜

工作面在調(diào)斜調(diào)角回采過程中，為了保證工作面內(nèi)支架始終垂直輸送機，需要頻繁調(diào)整支架推進方向。由于調(diào)整支架頻繁，對頂板形成反復(fù)支撐，增加破碎度，尤其是工作面后半部推進距離短，但是支架調(diào)角頻繁，所以對于頂板維護增加了一定難度，頂板破碎區(qū)域采取鋪網(wǎng)方式防止架間破碎掉塊。調(diào)整支架采取勤調(diào)、微調(diào)的方針，充分利用支架側(cè)護板調(diào)整。依照少降架、快調(diào)整，調(diào)完及時升架、升架必達到初撐力的原則進行。原地調(diào)整支架時，利用特制千斤頂調(diào)整或使用小型單體液壓支柱調(diào)整，調(diào)整順序一般為由機尾側(cè)至機頭側(cè)依次調(diào)整工作面內(nèi)支架[5]。

4.3 轉(zhuǎn)載機在拐點位置推進

轉(zhuǎn)載機在運順拐點處推進的原則是轉(zhuǎn)載機頭始終沿運順煤壁側(cè)推進，從而避免因破碎機過寬而刮卡巷幫。提前在轉(zhuǎn)載機前開幫，保證拐點處巷道寬度。轉(zhuǎn)載機頭和小型刮板輸送機的搭接角度控制好，確保煤流順暢。推移過程中，使用液壓千斤頂控制好轉(zhuǎn)載機機頭和機尾移動方向，保證轉(zhuǎn)載機與工作面輸送機保持垂直狀態(tài)，防止機頭組件因受力而損壞。

4.4 工作面頂板管理

工作面一切眼選用110組ZY4400/06/15D型液壓支架及4組ZYG4400/06/16型過渡液壓支架，前端頭選用3組ZG6200/18/32D型液壓支架，后端頭選用2組ZG6200/18/32D型液壓支架。工作面采用自移式液壓支架支護頂板，全部垮落法控制頂板。液壓支架在電液控制系統(tǒng)PM4的控制下自動移架，以推進600 mm為一個工作循環(huán)，工作面最大控頂距為4 981 mm，最小控頂距為4 381 mm，梁端距為580～1 180 mm，如圖5所示。運、回順超前支護均采用雙排6組ZT9200-19/35型替棚支架，兩排支架間距分別為3.4 m、2.4 m。運順開幫區(qū)域除正常巷道錨桿、錨索支護外，補打2排單體支柱加強維護；回順開幫區(qū)域及巷道大斷面處利用待接支架及2排單體支柱加強維護。調(diào)采期間，重點加強兩順開幫后的大斷面區(qū)域頂板維護[6]。

4.5 工作面運煤系統(tǒng)調(diào)整

在轉(zhuǎn)載機頭推進至拐點時，將運順三部皮帶拆除，安裝一部SGB620/40T小型刮板輸送機。小型刮板輸送機與轉(zhuǎn)載機搭接，機尾固定在轉(zhuǎn)載機推移滑道內(nèi)，推移滑道由皮帶機尾滑道改制，小型刮板輸送機機頭與運順二部皮帶輸送機機尾搭接，由此形成拐點以外的運煤系統(tǒng)。隨著工作面的不斷推進，逐步縮短刮板輸送機?；夭蛇^拐點后，拆除小刮板輸送機，調(diào)整皮帶機尾，將轉(zhuǎn)載機直接搭接到皮帶機尾上，恢復(fù)正?；夭蛇\煤系統(tǒng)[7]。

圖5 工作面頂板支護剖面圖

4.6 一通三防管理

工作面內(nèi)水文地質(zhì)簡單，除頂板少量淋水外，工作面無其他水源；通風(fēng)方式為U型，運順入風(fēng)，回順回風(fēng)。一通三防管理方面重點是加強瓦斯治理。依據(jù)相鄰N1-1403工作面回采期間瓦斯情況，預(yù)計本工作面的最大絕對瓦斯涌出量28.86 m3/min, 相對瓦斯涌出量14.18 m3/t。

薄煤層刨煤工作面瓦斯治理難點：(1)薄煤層工作面通風(fēng)斷面小，配風(fēng)量受限，風(fēng)排瓦斯量受限；(2)采空區(qū)漏風(fēng)多；(3)瓦斯解吸速度快、瓦斯抽采的壓力大；(4)工作面瓦斯涌出較均衡，采空區(qū)高濃度瓦斯易被漏風(fēng)帶出，回風(fēng)瓦斯?jié)舛雀撸?5)后三角點空間大，上隅角瓦斯超限難治理[8]。

工作面調(diào)斜回采期間，采取以下多種瓦斯抽采方案綜合治理瓦斯。

(1)回順鉆孔抽采：利用SGZ-ⅢA鉆機、ZDY1200L履帶式鉆機和ZYWL3200L履帶式鉆機在回順鉆場施工穿層鉆孔，每個鉆場內(nèi)布置4～6個鉆孔，抽取本煤層及鄰近層卸壓瓦斯。

(2)明管抽采：該方法主要是在上隅角接設(shè)骨架風(fēng)筒與Ф315 mm瓦斯抽采管路連接，抽采上隅角瓦斯。

(3)回順高位鉆場內(nèi)施工鉆孔進行抽放瓦斯。

除上述三種方式外，在回順接設(shè)兩趟瓦斯抽采管路，實現(xiàn)高低濃度瓦斯分別進行抽放。調(diào)斜回采期間根據(jù)實際情況，對各種抽采方法進行綜合比較，選擇合理的抽采方法，及時進行調(diào)整，保證抽采效果處于最佳狀態(tài)，保障了工作面的正常調(diào)斜回采[9]。

5 結(jié) 論

(1)工作面調(diào)斜回采過程中工作面逐漸延長3 m，正常應(yīng)邊采邊加支架，綜合刨煤工作面對接相對復(fù)雜、調(diào)斜開采結(jié)束就馬上對接二切眼等因素考慮，采取提前擴幫的方式保證刨頭能割通，調(diào)斜過程中加強大斷面的頂板管理。

(2)工作面調(diào)斜開采時，機尾推進度遠遠大于機頭推進度，導(dǎo)致工作面支架和刮板輸送機有較快向機頭滑動的趨勢，開始調(diào)采的位置距拐點位置越近越好。但轉(zhuǎn)載機與刮板輸送機為固定聯(lián)接，夾角固定，不適合機頭在原地旋轉(zhuǎn)，所以必須將調(diào)斜開采的旋轉(zhuǎn)中心選擇在工作面之外，保證機頭側(cè)在推進中調(diào)整。

(3)刨煤機工作面調(diào)采過程中，工作面輸送機狀態(tài)盡量保證平直，發(fā)現(xiàn)支架擠咬及時調(diào)整。并可根據(jù)工作面狀態(tài)適當(dāng)調(diào)整前后截深，實際回采過程中，曾將前后截深最大調(diào)整為1:12，盡快完成調(diào)采工程。

(4)工作面調(diào)斜回采的實施得益于計算機技術(shù)與刨煤機回采工藝的緊密結(jié)合。

(5)刨煤機調(diào)斜回采工藝應(yīng)用尚屬國內(nèi)首次，曉南礦N1-1401工作面成功實施，擴展了刨煤機工作面的應(yīng)用范圍，為今后刨煤工作面的特殊回采工藝提供了寶貴經(jīng)驗[10]。