大采高分層鋪網(wǎng)開(kāi)采工作面設(shè)備選型配套及關(guān)鍵技術(shù)研究

何 明，張洪清，馮立友，辛家祥

1中煤科工開(kāi)采研究院有限公司 北京 100013

2天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部 北京 100013

3扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司靈東煤礦 內(nèi)蒙古滿(mǎn)洲里 021410

厚煤層開(kāi)采的主要方法有放頂煤開(kāi)采、一次采全高開(kāi)采和分層鋪網(wǎng)開(kāi)采。放頂煤開(kāi)采和一次采全高開(kāi)采經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而分層鋪網(wǎng)開(kāi)采則發(fā)展緩慢。制約分層鋪網(wǎng)開(kāi)采發(fā)展的主要原因有生產(chǎn)效率低及下分層開(kāi)采時(shí)頂板維護(hù)難度大，因此，分層鋪網(wǎng)開(kāi)采中鋪網(wǎng)的速度和質(zhì)量是關(guān)鍵問(wèn)題。

傳統(tǒng)鋪網(wǎng)材料為金屬網(wǎng)，存在的問(wèn)題主要有：成本高、材料笨重、成卷運(yùn)輸受限；網(wǎng)材抗腐蝕性差、質(zhì)量低；一架一網(wǎng)或兩架一網(wǎng)，鋪網(wǎng)速度慢、生產(chǎn)效率低。近年來(lái)，新型鋪網(wǎng)材料高強(qiáng)度聚酯纖維柔性網(wǎng)在工作面回撤鋪網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。該網(wǎng)材具有抗壓強(qiáng)度大、延伸率低、兜護(hù)能力大、耐腐蝕等性能優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)工作面整體一次性鋪設(shè)，每卷網(wǎng)的長(zhǎng)度為 10～25 m，克服了金屬網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)搭接可靠性差的難題，在工作面回撤中逐步取代了金屬網(wǎng)。同時(shí)，隨著大采高綜采裝備技術(shù)的發(fā)展成熟，通過(guò)增加采高使支架后部空間加大，既可以滿(mǎn)足產(chǎn)量要求、提高開(kāi)采效率，又可以為鋪網(wǎng)工藝的實(shí)施提供安全可靠的作業(yè)空間。新型鋪網(wǎng)材料的研發(fā)和大采高綜采裝備技術(shù)的發(fā)展，有效解決了制約分層鋪網(wǎng)開(kāi)采技術(shù)的效率和質(zhì)量問(wèn)題[1-5]。

扎賚諾爾礦區(qū)靈東煤礦Ⅱ2、Ⅱ3 煤層厚度較大（煤層厚度為 15.00～17.50 m，平均厚度為 16.32 m），目前多采用綜采放頂煤技術(shù)進(jìn)行回采，由于“煤硬頂軟”的特殊賦存條件，頂煤和頂板破碎塊度差別較大，頂煤回收率與低混矸率難以兼顧。分層鋪網(wǎng)開(kāi)采技術(shù)的實(shí)施有利于提高煤炭回收率、降低含矸率、提高煤質(zhì)，使煤炭資源回收率和開(kāi)采效益最大化。筆者基于扎賚諾爾礦區(qū)靈東煤礦Ⅱ3 煤層地質(zhì)條件，對(duì)大采高分層鋪網(wǎng)開(kāi)采工作面設(shè)備選型配套及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 大采高分層鋪網(wǎng)開(kāi)采工作面設(shè)備選型

大采高分層鋪網(wǎng)開(kāi)采在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有成功實(shí)施的先例，設(shè)備選型必須解決材料運(yùn)輸、鋪網(wǎng)及作業(yè)空間安全保障等問(wèn)題。

1.1 選型配套原則

大采高分層鋪網(wǎng)開(kāi)采工作面設(shè)備的選型設(shè)計(jì)，既包括傳統(tǒng)綜采工作面液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)等設(shè)備的選型設(shè)計(jì)，也包括新型運(yùn)輸系統(tǒng)、鋪網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)。選型設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

（1）設(shè)備的技術(shù)性能應(yīng)滿(mǎn)足生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)要求。

（2）設(shè)備應(yīng)能適應(yīng)該礦煤層賦存條件，包括煤層厚度、傾角、硬度；煤層頂?shù)装宓暮穸?、巖性及其分類(lèi)；煤層層理與節(jié)理發(fā)育情況；煤質(zhì)和儲(chǔ)量等技術(shù)要求。

（3）配套設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足鋪網(wǎng)材料高效運(yùn)輸要求，便于運(yùn)網(wǎng)并具有足夠的運(yùn)網(wǎng)空間。

（4）配套設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)網(wǎng)、鋪網(wǎng)作業(yè)安全要求，有效解決作業(yè)空間漏矸、竄矸等問(wèn)題。

（5）配套設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)網(wǎng)、鋪網(wǎng)裝置的安裝和使用要求，并可隨支架自動(dòng)前移。

（6）生產(chǎn)工藝與配套設(shè)備之間，以及各種配套設(shè)備之間應(yīng)能相互適應(yīng)與協(xié)調(diào)。

（7）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)。

1.2 與常規(guī)大采高工作面設(shè)備選型配套的區(qū)別

常規(guī)大采高工作面設(shè)備配套平面布置如圖 1 所示，若應(yīng)用于鋪網(wǎng)工作面，存在以下問(wèn)題：

圖1 常規(guī)大采高工作面設(shè)備平面布置示意Fig.1 Plane layout of equipments on traditional large mining height work face

（1）機(jī)頭、機(jī)尾處支架滯后布置較多，形成三角區(qū)，不利于運(yùn)網(wǎng)，需單獨(dú)鋪網(wǎng)，影響鋪網(wǎng)效率，竄矸問(wèn)題難以有效解決，給鋪網(wǎng)作業(yè)帶來(lái)安全隱患。

（2）機(jī)頭處支架滯后布置較多，使得鋪網(wǎng)材料運(yùn)輸系統(tǒng)的安裝位置滯后較多，既不安全，也不便于操作。

（3）隨著機(jī)頭、機(jī)尾處工作面高度的降低，支架后部作業(yè)空間將減小，無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)網(wǎng)作業(yè)要求。

（4）機(jī)尾支架、輸送機(jī)機(jī)尾與煤幫的距離小，無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)網(wǎng)作業(yè)要求。

（5）傳統(tǒng)超前支架布置完全占用了靠近煤幫的空間，無(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)材運(yùn)輸要求。

（6）傳統(tǒng)大采高工作面多采用交叉?zhèn)刃恫贾梅绞?，如圖 2（a）所示。交叉?zhèn)刃稒C(jī)頭自身結(jié)構(gòu)尺寸大，很難有效解決支架滯后布置問(wèn)題。而端卸機(jī)頭結(jié)構(gòu)尺寸較小，如圖 2（b）所示，通過(guò)采用合理的配套，可實(shí)現(xiàn)全工作面支架布置在一條直線(xiàn)上。因此，大采高鋪網(wǎng)工作面輸送機(jī)宜采用端卸方式。

圖2 輸送機(jī)卸載方式Fig.2 Unloading mode of conveyor

1.3 設(shè)備總體選型配套

按照大采高分層鋪網(wǎng)開(kāi)采對(duì)工作面設(shè)備配套的要求，并基于該礦Ⅱ3 煤層賦存條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，本次鋪網(wǎng)工作面總體設(shè)備布置如圖 3 所示，配套設(shè)備具體型號(hào)如表 1 所列。

表1 大采高鋪網(wǎng)工作面設(shè)備選型Tab.1 Equipment selection matching for large mining height netting work face

圖3 大采高鋪網(wǎng)工作面設(shè)備平面布置示意Fig.3 Plane layout of equipments on large mining height netting work face

本次設(shè)備配套的特點(diǎn)如下：

（1）創(chuàng)建了 1 條寬度大于 2 m 的 L 形鋪網(wǎng)材料運(yùn)輸通道。

（2）解決了機(jī)頭、機(jī)尾處支架滯后布置問(wèn)題，全工作面支架布置在一條直線(xiàn)上。

（3）通過(guò)大采高鋪網(wǎng)支架的研發(fā)，創(chuàng)建了足夠的鋪網(wǎng)作業(yè)空間。

（4）實(shí)現(xiàn)了運(yùn)網(wǎng)、鋪網(wǎng)裝置與工作面支架間的有機(jī)連接。

（5）通過(guò)中部支架后部防漏、竄矸設(shè)計(jì)，機(jī)尾配置加寬過(guò)渡支架等技術(shù)措施，建立起鋪網(wǎng)作業(yè)空間安全保障體系。

2 大采高鋪網(wǎng)中部液壓支架研究

大采高鋪網(wǎng)中部支架設(shè)計(jì)除滿(mǎn)足傳統(tǒng)大采高支架設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)在支架后部創(chuàng)建安全的鋪網(wǎng)作業(yè)空間，滿(mǎn)足運(yùn)網(wǎng)、鋪網(wǎng)要求，同時(shí)支架間應(yīng)設(shè)計(jì)前后行人通道。

2.1 架型的確定

大采高液壓支架有兩柱掩護(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式2 種，按中心距為 1.75 m、工作阻力為 13 000 kN 考慮，兩柱掩護(hù)式支架（立柱缸徑為 420 mm）和四柱支撐掩護(hù)式支架（立柱缸徑為 320 mm）架間距如圖 4 所示。對(duì)于鋪網(wǎng)工作面而言，需要從架間行人，兩柱掩護(hù)式支架難以滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，因此鋪網(wǎng)中部支架的架型確定為四柱支撐掩護(hù)式。

圖4 2 種支架架間距對(duì)比Fig.4 Comparison of two kinds of support in support space

2.2 采高和支架高度的確定

根據(jù)該礦Ⅱ3 煤層賦存條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，煤層最大采高確定為 5.5 m。依據(jù)液壓支架設(shè)計(jì)規(guī)范，支架最大高度相應(yīng)確定為 6.0 m；根據(jù)鋪網(wǎng)支架設(shè)計(jì)的特殊要求（后部需要有足夠的鋪網(wǎng)空間），支架最小高度確定為 2.8 m，因此，支架高度范圍確定為 2.8～6.0 m。

2.3 工作阻力的確定

根據(jù)該礦Ⅱ3 煤層頂板條件和現(xiàn)有支架工作阻力，確定支架工作阻力為 13 000 kN，支護(hù)強(qiáng)度為1.10～1.18 MPa。中部支架最終型號(hào)確定為 ZZ13000/28/60D，結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖5 ZZ13000/28/60D 型大采高鋪網(wǎng)中部支架Fig.5 ZZ13000/28/60D middle support for large mining height netting operation

主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）具有足夠的鋪網(wǎng)作業(yè)空間，采高 5.0 m 時(shí)作業(yè)空間可達(dá) 1.8 m×2.3 m（高×寬）以上。

（2）采用整體式頂梁結(jié)構(gòu)，增大支架頂梁前端的控頂力，對(duì)大采高工作面防止頂板發(fā)生局部冒頂和煤壁片幫有利。

（3）設(shè)置內(nèi)伸縮梁和二級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)，防止頂板發(fā)生嚴(yán)重冒頂和煤壁片幫。

（4）鋪網(wǎng)作業(yè)空間采用全封閉式設(shè)計(jì)，支架在尾梁上設(shè)置活動(dòng)側(cè)護(hù)板和弧形長(zhǎng)插板，有效防止支架尾部架間漏矸及工作面支架后部竄矸，既保證了作業(yè)人員的安全，又防止大量矸石涌入而影響鋪網(wǎng)材料的運(yùn)輸。

（5）設(shè)置限位梁，嚴(yán)格控制支架的架間距，保證鋪網(wǎng)質(zhì)量，若支架發(fā)生偏移，可及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

（6）在支架底座后設(shè)置有滾動(dòng)軸式運(yùn)網(wǎng)減阻裝置，防止網(wǎng)材運(yùn)輸過(guò)程中的損壞。

（7）每臺(tái)支架上安裝有 1 套鋪網(wǎng)裝置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪網(wǎng)。

3 大采高鋪網(wǎng)工作面運(yùn)輸系統(tǒng)研究

為提高鋪網(wǎng)效率以及鋪網(wǎng)質(zhì)量，鋪網(wǎng)材料需成卷運(yùn)輸（網(wǎng)卷直徑約為 0.5 m，長(zhǎng)度不小于 50 m）。由于工作面較長(zhǎng)，人工搬運(yùn)效率低、難度大，為此研發(fā)了鋪網(wǎng)材料高效運(yùn)輸系統(tǒng)，如圖 6 所示。

圖6 大采高鋪網(wǎng)工作面鋪網(wǎng)材料運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.6 Transportation system of netting material for large mining height netting work face

鋪網(wǎng)材料運(yùn)輸系統(tǒng)主要由牽引裝置、減阻裝置、轉(zhuǎn)向裝置、定向裝置、連接裝置和回繩裝置 6 部分組成，在工作面中形成一條順暢的 L 形運(yùn)網(wǎng)通道。

牽引裝置為鋪網(wǎng)材料運(yùn)輸系統(tǒng)提供動(dòng)力源，由電動(dòng)機(jī)、卷筒裝置、底座、變頻器等組成，其作用在于為運(yùn)輸系統(tǒng)提供動(dòng)力并控制運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行，結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

圖7 牽引裝置Fig.7 Drawing device

轉(zhuǎn)向裝置的作用是實(shí)現(xiàn)鋪網(wǎng)材料由回風(fēng)巷道順利轉(zhuǎn)向工作面，結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。

圖8 轉(zhuǎn)向裝置Fig.8 Steering device

減阻裝置的作用是減少鋪網(wǎng)材料運(yùn)輸過(guò)程中的摩擦阻力，便于運(yùn)輸，同時(shí)對(duì)鋪網(wǎng)材料起到一定的保護(hù)作用，結(jié)構(gòu)如圖 9 所示。

圖9 減阻裝置Fig.9 Buffering device

4 大采高鋪網(wǎng)工作面鋪網(wǎng)系統(tǒng)研究

高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)同樣是實(shí)現(xiàn)鋪網(wǎng)工作面高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，筆者研究了大采高鋪網(wǎng)工作面高效鋪網(wǎng)方式并研發(fā)了高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)。

每臺(tái)支架設(shè)計(jì)有拉移式鋪網(wǎng)裝置，如圖 10 所示。拉移式鋪網(wǎng)機(jī)構(gòu)由拉移千斤頂、鏈條、旋轉(zhuǎn)輪等組成。拉移式鋪網(wǎng)裝置的特點(diǎn)是鋪網(wǎng)可與支架前移同步進(jìn)行，也可獨(dú)立進(jìn)行，具有較高的靈活性。

圖10 拉移式鋪網(wǎng)裝置Fig.10 Pulling-type netting device

整個(gè)工作面高效鋪網(wǎng)系統(tǒng)如圖 11 所示。由于工作面推進(jìn)度受多種因素影響，難以保證每班、每日生產(chǎn)進(jìn)度不變，而網(wǎng)的寬度是不變的，如采用單網(wǎng)運(yùn)輸和單網(wǎng)鋪網(wǎng)，難以保證運(yùn)網(wǎng)時(shí)間與檢修班時(shí)間完全一致，必然會(huì)影響工作面的正常生產(chǎn)。因此采用雙網(wǎng)鋪網(wǎng)作業(yè)方式，當(dāng)網(wǎng)材寬度無(wú)法滿(mǎn)足下一日生產(chǎn)進(jìn)度需求時(shí)，利用當(dāng)日檢修班將備用網(wǎng)提前運(yùn)入，避免了運(yùn)網(wǎng)對(duì)正常生產(chǎn)的影響。

圖11 大采高鋪網(wǎng)工作面鋪網(wǎng)系統(tǒng)Fig.11 Netting system for large mining height netting work face

根據(jù)地面鋪網(wǎng)試驗(yàn)情況，拉網(wǎng)裝置每 3 架一聯(lián)就可滿(mǎn)足鋪網(wǎng)要求，由此可利用拉網(wǎng)裝置拉移備用網(wǎng)，同時(shí)支架后部空間完全可以滿(mǎn)足雙網(wǎng)對(duì)空間的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于扎賚諾爾礦區(qū)靈東煤礦Ⅱ3 煤層賦存條件，完成了大采高鋪網(wǎng)工作面設(shè)備選型配套，研發(fā)了新型大采高鋪網(wǎng)液壓支架以及高效網(wǎng)材運(yùn)輸系統(tǒng)和鋪網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)、鋪網(wǎng)系統(tǒng)與工作面液壓支架的有機(jī)結(jié)合，為鋪網(wǎng)開(kāi)采工藝的實(shí)施提供了安全作業(yè)空間。大采高鋪網(wǎng)工作面關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了快速運(yùn)網(wǎng)和多架同時(shí)鋪網(wǎng)，大幅度減少了聯(lián)網(wǎng)工藝，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了工作面推進(jìn)速度，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)分層開(kāi)采鋪網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要的意義。