薄煤層煤礦綜采裝備優(yōu)化研究

張要展

（河南省新鄭煤電有限責任公司，河南省新鄭市，451184）

薄煤層煤礦綜采裝備優(yōu)化研究

張要展

（河南省新鄭煤電有限責任公司，河南省新鄭市，451184）

趙家寨煤礦圍繞薄煤層開采，改進綜采裝備及配套設備主要技術參數(shù)，進行了大量的現(xiàn)場實驗研究，對開采工藝及參數(shù)選擇進行了全面、系統(tǒng)的現(xiàn)場實驗和優(yōu)化設計，以此提高31106薄煤層綜采工作面生產(chǎn)的回采工藝技術，有效發(fā)揮綜采設備優(yōu)勢，實現(xiàn)安全簡便操作，實現(xiàn)薄煤層生產(chǎn)的高效、安全、經(jīng)濟效益并舉的良好局面。

優(yōu)化 薄煤層 綜采裝備

多年來，薄煤層開采是我國煤礦所面臨的重大工程技術難題。我國煤炭資源豐富，但煤層構造較為復雜，目前大部分生產(chǎn)礦井已經(jīng)向深部開采。采用適合地質條件的綜采設備，對較薄煤層進行高效開采，已成為可持續(xù)發(fā)展的一個關鍵所在。由于薄煤層設備配套方面的不成熟和技術上的不合理，目前還難以滿足高產(chǎn)高效和可持續(xù)發(fā)展的要求。

鄭州礦區(qū)為典型的華北“三軟”不穩(wěn)定煤層，地質條件復雜，綜采工作面綜采裝備的正常安全運行是綜采面高效、安全回采的保證，特別是近年來礦井綜采裝備事故的頻繁發(fā)生，故對綜采工作面綜采裝備的合理科學優(yōu)化的要求越來越高，因此研究薄煤層綜采裝備的優(yōu)化，為趙家寨煤礦薄煤層安全高效開采具有十分的重要意義。

1 薄煤層綜采面開采過程中遇到的問題

31106薄煤層綜采工作面設計能力60萬t／a，所采煤層為3＃煤層，工作面長度170m，煤層厚度1～2m，平均1.37m，傾角10～15°，有走向起伏，煤層為黑色粉狀及片狀半亮型，煤質為痩貧無煙煤，局部含夾矸礦區(qū)大部分可采?？紤]到采煤機機身高度、采高要求、煤質情況等因素，31106薄煤層綜采工作面采煤機選用300kW左右的裝機功率。根據(jù)對比，本工作面選用MG160／360－BWD型交流電牽引采煤機。從軟頂板條件看，應該選用掩護式支架對維護頂板有較好的適應性，但對支架的底座的前端比壓大，易造成支架扎底。綜合考慮31106綜采工作面使用的主要配套設備見表1。

1.1 輸送機運行存在的問題

在薄煤層開采過程中出現(xiàn)了以下幾種情況。首先，工作面采用的輸送機齒軌為鑲入式，生產(chǎn)運行時，煤落入后，造成粉煤在齒軌孔內積聚；采煤機在運行時將粉煤壓入齒軌孔，將齒軌孔堵滿壓實，導致采煤機打滑，不能運行；采煤機齒軌孔不能吐煤，采煤機運行時下方積煤增加了采煤機運行阻力。其次，每天施工單位要派大量的工人清理齒軌孔，才能保證采煤機正常運行，人工消耗大，提高了噸煤成本；輸送機電纜槽淺，電纜鋪設后，采煤機拖拉鏈浮在輸送機上，運行時采煤機拖拉鏈容易掉入輸送機，造成采煤機電纜拉斷，嚴重影響安全生產(chǎn)，縮短了生產(chǎn)時間。另外，原輸送機在使用過程中安全系數(shù)低，消耗人工多，事故頻率高，影響生產(chǎn)時間長，給礦井的安全生產(chǎn)帶來重大隱患。盡管趙家寨礦制定了專項措施，仍多次發(fā)生采煤機電纜拉斷、采煤機打滑行走不動，工作面停產(chǎn)等事故，使生產(chǎn)時間縮短，滿足不了日臻成熟的薄煤層綜采工藝生產(chǎn)能力的要求，致使工作面出現(xiàn)停產(chǎn)清煤現(xiàn)象。

為此，對薄煤層綜采面輸送機進行安全可靠性技術改造勢在必行。

表1 31106綜采工作面主要配套設備

1.2 原薄煤層綜采面端頭支護存在的問題

31106工作面利用的π型鋼配合單體柱支護不能承受端頭整體壓力，支護強度不夠，效果不理想，常出現(xiàn)端頭高度不夠、行人通道不暢通等情況；工作面推進時端頭工序多，打基礎慢；盲巷單體柱不易回收，存在極大不安全因素。

從整體來看，原有的支護技術已經(jīng)不能滿足礦井正常的安全生產(chǎn)需求。對傳統(tǒng)的端頭支護方式進行安全可靠性技術改造勢在必行。

2 綜采工藝優(yōu)化及試驗效果分析

2.1 輸送機優(yōu)化

采煤機平均割煤速度是根據(jù)工作面設計來計算的，通過經(jīng)驗公式（1）可計算出煤機割煤速度：

式中：A——綜采工作面年單產(chǎn)能力，取600000t／a；

T——設計年工作天數(shù)，取300d；

b——采煤機截深，取0.6m；

h——綜采工作面平均采高，取1.37m；

r——煤的容重，取1.31t／m3；

t——每天工作時間，取18×60min／d；

u——綜采機組開機率，取0.5；

t1——每天機組輔助工序時間，取60min／d；

c——綜采工作面回采率，取0.93。

基于此算法，可以獲得輸送機的主要優(yōu)化方案。

2.1.1 輸送機優(yōu)化技術關鍵

一是改造后加高齒軌高度，并在合適位置加墊塊，提高齒軌孔落煤量。二是在溜槽底托架側板上割方孔，以利于吐煤，減小輸送機運行阻力。三是對電纜槽進行改造，避免采煤機電纜拉斷。

2.1.2 輸送機優(yōu)化內容

（1）對輸送機銷排進行加高。由于原輸送機銷排高度僅193mm，齒軌孔較淺，輸送機運輸過程中，浮煤往齒軌孔積聚較快，采煤機過后壓實粉煤，堵塞齒軌孔，導致采煤機行走打滑，行走不動。趙家寨礦根據(jù)生產(chǎn)實際，要求張家口煤礦機械有限公司，在原輸送機銷排高度上再加高80mm，并在銷排底懸端頭下加規(guī)格為25mm×30mm的墊片，在銷排圓柱下加規(guī)格為80mm×30mm×35 mm的墊塊，以加強銷排增高后的穩(wěn)定性和牢固性，加深了齒軌孔深度，增大了銷排過煤量，輸送機運行過程中造成的粉煤積聚問題得到了解決。

（2）對輸送機溜槽進行改造。由于原輸送機設計過程中，沒有考慮到銷排下積煤的清理困難的問題，吐煤困難，輸送機阻力加大，為了解決這些問題，我們根據(jù)現(xiàn)場實際，對輸送機溜槽進行了改造，在輸送機溜槽底托架側板上割規(guī)格為340mm×170mm×80mm的方孔，以利于吐煤，減小輸送機阻力，確保輸送機正常運行。

（3）對電纜槽進行改造。31106工作面為薄煤層，當時配套的設備選型比較困難，考慮到煤層太薄，使用后問題暴露不少，如電纜槽太淺，槽深不足200mm，這樣采煤機行走時電纜夾容易掉進去，從而造成電纜夾內電纜被拉斷，為避免上述原因，綜采車間進行了改造。首先把電纜槽外面用12mm鋼板加工模具U型板一次冷軋成型，并焊接在電纜槽采空區(qū)側，將電纜翻出后放入U型里，每節(jié)電纜槽上焊3個。這樣電纜按順序鋪設，中間電纜特殊節(jié)開口，穿入采煤機電纜及水管，并用膠帶防護，這樣電纜槽里面就只有電纜夾在來回移動，杜絕了電纜故障。

2.2 端頭支架的優(yōu)化研究

以現(xiàn)行通用的巖石容重法進行計算支架的支護強度和支架工作阻力，以此來確定端頭改進方案：

式中：q——支架所需要的支護強度；

M——采高；

x——倍數(shù)，一般取6、7、8；

r——巖石容重，取25kN／m3。

公式（2）中，礦壓顯現(xiàn)劇烈時，取較大倍數(shù)，礦壓顯現(xiàn)較小時取較小倍數(shù)，根據(jù)礦井的實際頂?shù)装迩闆r，取倍數(shù)為7。

式中：L——支架控頂長度，取4m；

B——支架支護寬度，取1.5m；

η——支架支護效率；取0.8。

2.2.1 原薄煤層綜采面端頭支護基本情況

原薄煤層綜采面使用的端頭支護形式多為π型鋼配合單體柱，見圖1，在轉載機上、下兩側打4個抬棚，其中一個跨輸送機頭，工作面推進時回單體柱將梁向前移，推溜后重新將梁升起，要求梁、柱升緊背實，一梁三柱，盲巷及時回收，梁交替向前移動，一般此工序及日常維護需每班配4～6人。

2.2.2 端頭支架優(yōu)化關鍵技術

端頭支架改造主要是根據(jù)集團公司現(xiàn)有步移支架結合使用地點實際情況，將預留加大輸送機機頭位置，能夠保證割兩刀煤拉一次端頭支架，為生產(chǎn)節(jié)省時間。實現(xiàn)自移，保證了安全可靠。改造后端頭支護見圖2。

圖1 原有端頭支護

將步移支架輸送機位置的油缸移位，加大輸送機機頭位置，支架中間的鏈接滑塊用油缸代替并加寬，使其能跨轉載機支護，靠底座前安裝的拉移千斤頂拉架，將滑道幫兩個滑板上各加裝一根伸縮梁油缸，支撐千斤頂?shù)闹C的排列方式改為橫豎交替，在后頂梁與底座上加裝一根支撐千斤頂，見圖3。整個端頭支架采用操作閥組控制。其優(yōu)點為：用油缸代替了頂梁之間的滑塊，使其伸縮可自動調節(jié)支架的寬窄；千斤頂不易損壞，不必經(jīng)常更換；千斤頂可實現(xiàn)多個分組對稱安設，由一人利用操作閥組集中遠程控制；千斤頂承載能力大，供液均勻、作用力連續(xù)平穩(wěn)；能夠保證割兩刀煤拉一次端頭支架，為生產(chǎn)節(jié)省時間；改造了頂梁柱窩的分布方式，防止了支架前后左右傾斜；解決了薄煤層工作面原端頭支架拉不動、不耐壓等技術難題；加裝支撐千斤頂，防止了后頂梁阻力大。

2.2.3 端頭支架優(yōu)化的內容

（1）將步移支架輸送機位置的油缸向前移位，加大輸送機機頭位置空間到2.2m；

（2）支架中間的鏈接滑塊用伸縮梁油缸改制成70mm長油缸代替，并加雙向液壓鎖；

（3）在第三、四支撐千斤頂之間留出2m的行人通道；

（4）底座前端一幫各有一根拉移千斤頂作為拉移使用；

（5）移架降柱后后頂梁容易壓死，根據(jù)同一側支撐千斤頂?shù)母卟?，兩幫各在后頂梁與底座上加裝一根支撐千斤頂來改善此情況；

（6）將支架頂梁中間滑道幫兩個滑板上各加裝一根伸縮梁油缸；

（7）支撐千斤頂?shù)闹C的排列方式改為橫豎交替；

（8）整個端頭支架采用操作閥組控制，實現(xiàn)了端頭支護的自動化操作。

3 設備優(yōu)化結果實驗研究

3.1 端頭支架優(yōu)化后的指標性能及操作

（1）優(yōu)化后端頭支架主要由前頂梁、后頂梁、底座、支撐千斤頂、拉移千斤頂、伸縮梁油缸、液壓系統(tǒng)組成，見圖3。

（2）優(yōu)化后端頭支架的操作程序。

將底座前端支撐千斤頂活塞桿推出，固定至轉載機推移裝置上，落端頭支架一側支護，將支撐千斤頂活塞桿收縮，沿著導軌前進一個行程，升緊背實后重復此工序來拉移另一側支護，這樣往復循環(huán)，從而實現(xiàn)交替邁步前移。如遇巷道不直、不平時，容易產(chǎn)生拉移阻力過大現(xiàn)象，這時用兩個滑板上加裝的伸縮梁油缸作用力使滑板在滑塊內快速移動，實現(xiàn)拉移。

3.2 端頭支架優(yōu)化后應用情況

以31106綜采工作面為背景的薄煤層綜采裝備優(yōu)化，分別對工作面輸送機和端頭支架進行必要的科學優(yōu)化，立足于原綜采裝備不變，在原綜采裝備上對部分裝備進行了科學的改造和優(yōu)化，實現(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)高效的最終目標，縮短了對生產(chǎn)的影響時間，減小噸煤成本，提高經(jīng)濟效益；增加技術含量，減少了設備故障和人身傷亡等安全事故的發(fā)生，逐步掌握31106薄煤層工作面安全高效開采裝備保障，實現(xiàn)操作簡單、方便、安全可靠，達到了礦井薄煤層高產(chǎn)高效的要求。

4 綜采工作面裝備優(yōu)化的主要成果

（1）通過對薄煤層綜采裝備的科學優(yōu)化，從根本上解決了綜采工作面綜采裝備存在的安全隱患，杜絕了因綜采裝備不合理引起的人身事故，滿足了正常的安全生產(chǎn)需要，實現(xiàn)了礦井綜采工作面綜采裝備正常運行。

（2）對輸送機進行優(yōu)化，提高輸送機的正常運行率，減少了輸送機影響時間，增加了正常生產(chǎn)時間，降低了噸煤價格，實現(xiàn)了薄煤層綜采面的高產(chǎn)高效，實現(xiàn)了綜采工作面綜采裝備的合理科學配套。

（3）端頭支架從根本上解決了薄煤層工作面原端頭支架拉不動、不耐壓等技術難題，實現(xiàn)了端頭支護的自動化操作系統(tǒng)的應用，減少了端頭支護時間，降低了噸煤成本，提高了薄煤層工作面生產(chǎn)能力，為鄭州礦區(qū)及其他礦區(qū)薄煤層工作面高產(chǎn)高效提供了可靠的技術保證。

（4）薄煤層綜采裝備的優(yōu)化適應了“三軟”不穩(wěn)定多煤層綜采工作面高產(chǎn)、高效的要求，在鄭煤集團乃至全國具有一定的借鑒和推廣價值。

[1] 劉剛.薄煤層液壓支架設計問題的探討[J].礦山機械，2010（16）

[2] 李開興.薄煤層及中厚煤層采煤工藝選擇[J].中國新技術新產(chǎn)品，2010（14）

[3] 吳士良，席京德，張開智等.年產(chǎn)400萬t綜放工作面回采工藝試驗研究與設計[J].煤炭學報，2000（4）

Study on optimization of fully mechanized equipments for thin seam mining

Zhang Yaozhan

（Xinzheng Coal Electricity Limited Liability Company，Xinzheng，Henan 451184，China）

In view of the improvement of fully mechanized equipments in Zhaojiazhai coal mine，the main technical parameters for thin seam mining were studied，and the mining technology and the corresponding parameters were tested and optimized systematically，with an objective of improving the mining efficiency on No.31106thin seam fully mechanized working face of Zhaojiazhai coal mine，making full use of advantages of fully mechanized equipments and realizing high efficient，safe and simple operation on thin seam mining.

optimization，thin seam，fully mechanized equipment

TD822

A

張要展（1978－），男，河南臨潁人，工程師，主要從事生產(chǎn)技術工作。

（責任編輯 張艷華）