傾斜煤層綜采工作面輸送機(jī)上竄下滑控制技術(shù)研究與應(yīng)用

趙明明，王金峰，楊理軒

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 十三礦，河南 襄城 452670)

綜采工作面的刮板輸送機(jī)在推進(jìn)過程中需要與轉(zhuǎn)載機(jī)保持合理水平搭接以保證安全生產(chǎn)，而控制合理搭接最主要的是控制輸送機(jī)的上竄下滑。影響輸送機(jī)上竄下滑的因素很多，控制輸送機(jī)上竄下滑一直以來都是采煤作業(yè)中不易掌握的技術(shù)，特別是在傾斜煤層回采時(shí)，需要大量的經(jīng)驗(yàn)和理論支撐，因此對(duì)其進(jìn)行研究非常有必要。

平煤股份十三礦煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層多，煤層傾角大，一個(gè)采煤工作面要遇到十幾甚至二十幾條斷層，兩巷高差變化大，風(fēng)機(jī)巷坡度變化也大。該礦己二和己四采區(qū)的煤層傾角平均超過27°，局部達(dá)到40°以上，屬于傾斜煤層。煤層傾角大、兩巷起伏多，給綜采工作面刮板輸送機(jī)的上竄下滑控制帶來很大困難。

1 上竄下滑對(duì)安全生產(chǎn)的影響

綜采工作面輸送機(jī)上竄下滑控制不當(dāng)會(huì)帶來安全隱患，如通風(fēng)斷面變小、無人行通道、擠架、倒架、出煤不暢通等[1-2]，影響工程質(zhì)量、損壞機(jī)械設(shè)備、降低生產(chǎn)效率、增加勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 影響輸送機(jī)上竄下滑因素分析

影響輸送機(jī)上竄下滑因素有很多[3-5]，如：設(shè)備選型、工作面坡度、工作面?zhèn)蝺A斜角大小、推移輸送機(jī)方向、底板平直度、底板光滑程度(煤底的摩擦力大于巖石底)、輸送機(jī)直線度、支架升緊情況、支架調(diào)斜(支架垂直輸送機(jī)值)情況、輸送機(jī)張力、采煤機(jī)截割方向、工作面高差變化、工作面巷道直線性等。

根據(jù)筆者多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析出設(shè)備選型、工作面傾斜度、工作面?zhèn)蝺A斜角大小、推移輸送機(jī)方向、支架調(diào)斜等五方面對(duì)輸送機(jī)上竄下滑影響較大，本文重點(diǎn)闡述這五方面的影響。

2.1 設(shè)備選型的影響

設(shè)備選型對(duì)輸送機(jī)上竄下滑的影響較大，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，輸送機(jī)底面的光滑程度，若底面帶有防滑長(zhǎng)板，摩擦力更大；第二，支架推移導(dǎo)桿長(zhǎng)度，在支架柱腳的束縛下，長(zhǎng)度長(zhǎng)的導(dǎo)桿更有利于垂直輸送機(jī)，減少側(cè)推力；第三，支架和輸送機(jī)重量也是影響因素，重量越重越不易下滑。

平煤股份十三礦12022和14040兩個(gè)采煤工作面煤層傾角均在27°左右，由于設(shè)備選型不同，回采期間正常保持的偽傾斜角度相錯(cuò)8.4°，見表1。

表1 相同煤層傾角下不同設(shè)備選型的偽傾斜角度

2.2 工作面坡度的影響

傾斜工作面刮板輸送機(jī)自重及負(fù)重的合力可以分為沿采煤工作面向下的分力和垂直底板的分力。當(dāng)刮板輸送機(jī)受到的底板摩擦力小于刮板輸送機(jī)自重及負(fù)重產(chǎn)生的合力的分力時(shí)，刮板輸送機(jī)向下滑動(dòng)。采煤工作面傾角越大，則刮板輸送機(jī)的下滑力越大。因此，大傾角煤層的輸送機(jī)上竄下滑不易控制。

2.3 工作面?zhèn)蝺A斜角的影響

采煤工作面機(jī)巷與輸送機(jī)的夾角為工作面的偽傾斜角度。當(dāng)支架導(dǎo)桿與運(yùn)輸機(jī)垂直時(shí)，支架推移千斤頂給刮板輸送機(jī)的力可分為沿工作面傾向方向向上的力和沿工作面走向方向的向前推力。支架推移千斤頂對(duì)刮板輸送機(jī)的作用除了指向煤壁產(chǎn)生位移外，還會(huì)產(chǎn)生令刮板輸送機(jī)向機(jī)尾方向竄動(dòng)的力。兩頭進(jìn)尺相差越大，則偽傾斜角越大，刮板輸送機(jī)向機(jī)尾竄動(dòng)的力也越大。

帶有傾角的綜采工作面絕大多數(shù)情況下,通過控制合理的偽傾斜角度來達(dá)到控制輸送機(jī)上竄下滑的目的。在日常管理中，一個(gè)工作面的偽傾斜角度是結(jié)合工作面的綜合情況來確定的，前期靠理論分析，后期可通過實(shí)踐矯正，最后確定合理的使用該采煤工作面的偽傾斜角。

2.4 推移輸送機(jī)方向影響

推移輸送機(jī)時(shí)，若從機(jī)頭向機(jī)尾方向推移，機(jī)頭部位的槽子先行推至煤墻，這些槽子受推溜千斤頂?shù)耐屏团c煤墻的摩擦力共同作用，使得這些槽子固定不動(dòng)，后推的槽子向下滑動(dòng)的難度增大，故從機(jī)頭向機(jī)尾方向推輸送機(jī)能使其減少下滑量。反之，從機(jī)尾向機(jī)頭方向推輸送機(jī)能使其增加下滑量。

2.5 支架調(diào)斜影響

支架推溜千斤頂垂直輸送機(jī)時(shí)，推溜千斤頂只有一個(gè)垂直輸送機(jī)的推力。但當(dāng)采煤工作面液壓支架與刮板輸送機(jī)不垂直時(shí)，支架推移千斤頂會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平分力，支架與刮板輸送機(jī)夾角越大，則水平分力越大，刮板輸送機(jī)竄動(dòng)的趨勢(shì)也越明顯。即當(dāng)出現(xiàn)上調(diào)斜時(shí)，給刮板輸送機(jī)一個(gè)向機(jī)頭方向的推力；出現(xiàn)下調(diào)斜時(shí)，給刮板輸送機(jī)一個(gè)向機(jī)尾方向的推力。

3 輸送機(jī)上竄下滑控制技術(shù)

3.1 綜采工作面概況

平煤股份十三礦己16-17-14040采煤工作面位于己四采區(qū)，可采走向長(zhǎng)960 m，傾斜長(zhǎng)為160～170 m，設(shè)計(jì)采高平均3.0 m。風(fēng)、機(jī)巷實(shí)際揭露煤層厚度在0～3.8 m之間，平均厚度3.0 m。風(fēng)機(jī)巷中，對(duì)中平面投影長(zhǎng)度145 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中有0.1～1.2 m左右的1層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)3.0=1.0(0.3)1.7。采面煤層傾角在13～48°，平均27°左右。該采面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，在風(fēng)機(jī)巷掘進(jìn)過程中，共揭露大小斷層15條，分別為F1～F15，全部為正斷層。其中落差大于3.0 m的斷層有F4和F5兩條斷層，兩條斷層相互影響，形成一個(gè)地塹構(gòu)造。通過無線電磁波透視探測(cè)新發(fā)現(xiàn)KF1～KF9等9條隱伏斷層，落差在0～1.5 m。該工作面設(shè)備配套見表2。

表2 己16-17-14040采煤工作面設(shè)備配套選型

由于該工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層多，傾角大，兩巷高差起伏大，刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接不易控制，再加上使用端頭支架，對(duì)輸送機(jī)的上竄下滑控制要求更高。

3.2 綜采工作面輸送機(jī)上竄下滑控制技術(shù)

3.2.1 偽傾斜角度的確定

綜采工作面最有效控制支架及輸送機(jī)下滑的方式就是采用一定偽傾斜回采，而偽傾斜角度的確定方法有很多種。

1) 經(jīng)驗(yàn)公式法。將他礦總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式(1)代入偽傾斜角度計(jì)算公式(2)，可得公式(3)。從式中可以看出，偽傾斜角度與采面傾角關(guān)系密切。該方法較為簡(jiǎn)單，考慮因素較少，但多數(shù)情況下確定的數(shù)值可靠度不高。

S=Ltan(θ/2)

(1)

α=90°+arcsin(S/L)

(2)

α=90°+arcsin[tan(θ/2)]

(3)

式中：α為采煤工作面?zhèn)蝺A斜角度，°；S為采煤工作面調(diào)斜距離，m；L為采煤工作面長(zhǎng)度，m；θ為采煤工作面傾角，°。

2) 類比法。該方法主要以該礦以開采相同地質(zhì)條件、類似設(shè)備配套的采煤工作面的偽傾斜角度作為參考。該方法準(zhǔn)確度較高，但實(shí)用性不是很強(qiáng)，主要為采煤工作面切眼布置提供參考。

3) 現(xiàn)場(chǎng)探索法。該方法在采煤工作面正?；夭珊螅ㄟ^不斷觀察、統(tǒng)計(jì)、分析刮板輸送機(jī)上竄下滑數(shù)據(jù)，及時(shí)作出調(diào)整，探索出適合該采煤工作面的偽傾斜角度。該方法實(shí)用性較強(qiáng)，但是過程緩慢，需要反復(fù)調(diào)整，有精確的上竄下滑數(shù)據(jù)作支撐，才能得出最佳偽傾斜角度。

3.2.2 科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)

1) 每班驗(yàn)收員選取固定參考線，量取當(dāng)班機(jī)頭或機(jī)尾上竄下滑情況。

2) 取機(jī)頭和機(jī)尾至巷道中心線變化的平均值作為 “上竄下滑”運(yùn)動(dòng)的判定依據(jù)，避免風(fēng)機(jī)巷巷道寬度變化導(dǎo)致誤判。

3) 詳細(xì)統(tǒng)計(jì)采煤工作面數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，在刮板輸送機(jī)初顯 “上竄”或“下滑”運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，立刻采取相應(yīng)措施進(jìn)行防治，避免 “上竄下滑”控制陷入被動(dòng)。

3.2.3 分清主導(dǎo)因素

控制刮板輸送機(jī) “上竄下滑”要分清何種影響因素占據(jù)主導(dǎo)地位。由于各種因素的動(dòng)態(tài)變化，主導(dǎo)因素也會(huì)因不同措施發(fā)生相應(yīng)改變。

采取調(diào)采面?zhèn)蝺A斜措施后，刮板輸送機(jī)并未按照預(yù)想軌跡運(yùn)動(dòng)，而是向相反方向運(yùn)動(dòng)，且越調(diào)刮板輸送機(jī)越向相反方向運(yùn)動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有以下兩點(diǎn)。

1) 調(diào)采面?zhèn)蝺A斜實(shí)效性：調(diào)采面?zhèn)蝺A斜后，支架變向幅度滯后于刮板輸送機(jī)變向幅度，支架推移力迫使刮板輸送機(jī)向相反方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)支架推移力為刮板輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素。

2) “調(diào)過了”：當(dāng)采煤工作面大比例調(diào)采面?zhèn)蝺A斜后，支架保持與刮板輸送機(jī)垂直關(guān)系，此時(shí)采斜影響占據(jù)主導(dǎo)因素。

3.2.4 多措并舉控制刮板輸送機(jī)上竄下滑

刮板輸送機(jī) “上竄下滑”控制是多方面共同作用的結(jié)果，因此，在調(diào)整采面?zhèn)蝺A斜時(shí)，需要配合單向推移輸送機(jī)、支架調(diào)整調(diào)斜來共同完成。

根據(jù)刮板輸送機(jī)上竄下滑的嚴(yán)重程度，可以采取機(jī)頭或機(jī)尾多過，也可以采取插頭或插尾方法，按照1∶3～6進(jìn)行控制。以控制輸送機(jī)下滑為例，闡述調(diào)控過程注意事項(xiàng)。

1) 插頭過程中，要注意按照特定比例，采煤機(jī)要跑到位，避免出現(xiàn)輸送機(jī)中間落后。

2) 調(diào)整采面?zhèn)蝺A斜時(shí)，推輸送機(jī)順序一定從下向上，減緩輸送機(jī)下竄量。

3) 調(diào)整采面?zhèn)蝺A斜時(shí)，注重使用側(cè)護(hù)千斤頂或低調(diào)千斤頂調(diào)整支架狀態(tài)，使得支架垂直輸送機(jī)或者支架適當(dāng)下調(diào)。若是支架調(diào)整不及時(shí)，會(huì)出現(xiàn)歪架倒架現(xiàn)象。若支架處于上調(diào)時(shí)，則阻礙輸送機(jī)向上竄動(dòng)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

14040采煤工作面傾角平均27°，該采區(qū)其他類似地質(zhì)條件的工作面?zhèn)蝺A斜角度為99°；按照公式(3)計(jì)算，該采煤工作面?zhèn)蝺A斜角為103.9°(偽斜38.4 m)；該工作面設(shè)計(jì)時(shí)偽傾斜角度為93°(偽斜9 m)。無論是按照經(jīng)驗(yàn)公式法或者類比法，都需要回采時(shí)增加偽傾斜角度，防止輸送機(jī)下滑。剛開始采取微調(diào)法，即機(jī)頭按照0.8 m過，機(jī)尾按照0.7 m過。在回采5 m，輸送機(jī)調(diào)平后，通過數(shù)據(jù)分析，輸送機(jī)有上竄趨勢(shì)。接著采取頭∶尾=2∶3回采，直至偽傾斜角度調(diào)為90.7°(偽斜2 m)時(shí)，輸送機(jī)上竄趨勢(shì)得到控制，說明是該工作面較為合適的偽傾斜角。

由于該采煤機(jī)巷坡度變化角度，回采過程中為了使得輸送機(jī)機(jī)頭搭接合理，需要不停地調(diào)整偽傾斜角，讓輸送機(jī)人為控制上竄下滑。通過摸索，當(dāng)偽傾斜角達(dá)到92.2°(偽斜6 m)時(shí)，輸送機(jī)開始向機(jī)尾方向竄動(dòng)；當(dāng)偽傾斜角達(dá)到89°(偽斜-3 m)時(shí)，輸送機(jī)開始向機(jī)頭方向竄動(dòng)。

通過對(duì)14040采煤工作面控制輸送機(jī)上竄下滑分析，可以得出經(jīng)驗(yàn)公式和以往不同設(shè)備選型工作面的偽傾斜角并不適用于該采煤工作面。同時(shí)，也為類似地質(zhì)條件和設(shè)備選型的工作面提供了數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)傾斜煤層綜采工作面輸送機(jī)上竄下滑的研究，得出以調(diào)控偽傾斜角度為主的控制方法，找出適合平煤股份十三礦14040采煤工作面的偽傾斜角度，為采面安全回采提供了理論依據(jù)，同時(shí)也得出以下結(jié)論：

1) 如果刮板輸送機(jī)上竄下滑得不到很好的控制，會(huì)帶來安全隱患，影響工程質(zhì)量、損壞機(jī)械設(shè)備、降低生產(chǎn)效率、增加勞動(dòng)強(qiáng)度。

2) 調(diào)整工作面?zhèn)蝺A斜角度時(shí)，必須配合單向推移輸送機(jī)、支架調(diào)整調(diào)斜來共同完成。

3) 現(xiàn)場(chǎng)探索法能夠較為準(zhǔn)確地掌握適合該工作面?zhèn)蝺A斜角度。

4) 不同設(shè)備選型的工作面的偽傾斜角度不同。