重型裝備綜放工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采邊界三角煤關(guān)鍵技術(shù)研究＊

高維智 張會(huì)軍 張學(xué)亮

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

1 工作面概況

礦井殘煤的構(gòu)成中，我國(guó)各個(gè)煤礦基本都存在采區(qū)及礦井邊界與回采長(zhǎng)壁工作面之間的三角邊界煤。且該部分邊界三角煤的儲(chǔ)量十分豐富，回收該部分煤炭不但能夠提高礦井及采區(qū)的回收率，而且對(duì)于礦井的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

為了回收工作面與盤區(qū)邊界線之間的三角煤，神東公司保德煤礦三盤區(qū)81308工作面切眼布置在盤區(qū)邊界線附近，與盤區(qū)邊界線平行布置，切眼與工作面上下巷道的垂線夾角33°，該區(qū)域的三角煤需要旋轉(zhuǎn)開(kāi)采。工作面切眼長(zhǎng)度243.5m，旋轉(zhuǎn)開(kāi)采結(jié)束后的工作面長(zhǎng)度為240m。煤層傾角平均3.5°，純煤厚平均6.83m。切眼與邊界保護(hù)煤柱之間留有三角區(qū)煤炭，三角區(qū)煤炭可回采量8.2萬(wàn)t，工作面邊界三角煤開(kāi)采布置示意見(jiàn)圖1。

綜放工作面切眼內(nèi)安裝配套設(shè)備選用ZFY12500／25／39D 型液壓支架，SGZ900／2000型前部刮板輸送機(jī)和SGZ1000／2000型后部刮板輸送機(jī)，7LS6C-LWS716型采煤機(jī)。液壓支架中心距1750mm，重量42.5t，均為重型設(shè)備。

圖1 工作面邊界三角煤開(kāi)采布置示意圖

2 邊界三角煤旋轉(zhuǎn)開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析

(1)81308工作面采用綜放開(kāi)采，前后刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)及端頭支架4部設(shè)備的搭接是一個(gè)技術(shù)難題。

(2)設(shè)備均為重型設(shè)備，旋轉(zhuǎn)開(kāi)采中工作面長(zhǎng)度要逐漸變短，設(shè)備拆除困難，因此巷道不能按照常規(guī)直線布置，盡量折線等長(zhǎng)布置。

(3)旋轉(zhuǎn)角度32°，回風(fēng)巷旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)度達(dá)到134m，長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)短刀調(diào)斜將導(dǎo)致工作面設(shè)備上串或下串，科學(xué)合理地旋轉(zhuǎn)回采工藝是控制設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵。

3 旋轉(zhuǎn)開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)方案

3.1 前后部刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接

3.1.1 搭接方案

根據(jù)對(duì)工作面設(shè)備正?；夭?(不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開(kāi)采)時(shí)三機(jī)配套的研究，無(wú)論采用前部刮板輸送機(jī)為旋轉(zhuǎn)中心還是后部刮板輸送機(jī)為中心，端頭支架都會(huì)與1＃支架及兩部刮板輸送機(jī)機(jī)頭發(fā)生干涉與碰撞，故在切眼安裝時(shí)，端頭支架暫不安裝，待旋轉(zhuǎn)結(jié)束后再進(jìn)行安裝，但端頭支架各部件可在工作面安裝時(shí)先存放于專門硐室內(nèi)。以后部刮板輸送機(jī)機(jī)頭為旋轉(zhuǎn)中心，前部刮板輸送機(jī)對(duì)應(yīng)6＃支架位置的溜槽加工成短溜槽 (共3節(jié)，每節(jié)長(zhǎng)度583 mm)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接。

后部刮板輸送機(jī)為旋轉(zhuǎn)中心的端頭設(shè)備位置示意圖如圖2所示，由于后部刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)固定不動(dòng)，1＃支架前端頂梁相對(duì)向回風(fēng)巷側(cè)偏轉(zhuǎn)3500mm的距離，即前部刮板輸送機(jī)相對(duì)加長(zhǎng)3500mm的長(zhǎng)度。安裝時(shí)相當(dāng)于增加2節(jié)溜槽(溜槽長(zhǎng)度1750mm)。1＃支架推拉桿需要錯(cuò)開(kāi)兩個(gè)聯(lián)接頭才能與前部刮板輸送機(jī)聯(lián)接，即1＃支架與前部刮板輸送機(jī)的3＃聯(lián)接頭聯(lián)接。

圖2 后部刮板輸送機(jī)為旋轉(zhuǎn)中心的端頭設(shè)備位置關(guān)系圖

在旋轉(zhuǎn)開(kāi)采中，后部刮板輸送機(jī)機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)基本固定不動(dòng)，支架前端頂梁逐漸向轉(zhuǎn)載機(jī)方向靠近，同時(shí)前部刮板輸送機(jī)逐步縮短，縮短至少3.5m的距離 (減少2節(jié)溜槽3.5m)后，旋轉(zhuǎn)開(kāi)采結(jié)束，支架與前后刮板輸送機(jī)正常聯(lián)接。

3.1.2 短溜槽長(zhǎng)度確定及拆接工藝

根據(jù)三機(jī)配套，刮板輸送機(jī)底座與轉(zhuǎn)載機(jī)溜槽邊的距離為865mm，也就是說(shuō)，刮板輸送機(jī)機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)超過(guò)該距離，則刮板輸送機(jī)無(wú)法正常運(yùn)煤；機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)過(guò)于接近，或者機(jī)頭底座靠近轉(zhuǎn)載機(jī)，則刮板輸送機(jī)頂至轉(zhuǎn)載機(jī)擋煤板，仍然無(wú)法運(yùn)煤。故前部刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的伸縮距離不能大于865mm。本工作面1節(jié)溜槽的長(zhǎng)度為1.75m，顯然拆減1節(jié)溜槽是不合理的。故需要加工短溜槽，根據(jù)前面的分析及生產(chǎn)實(shí)際，短溜槽不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)則會(huì)與轉(zhuǎn)載機(jī)發(fā)生干涉；過(guò)短則會(huì)造成刮板輸送機(jī)頻繁拆減溜槽，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，且相比正常中部槽短溜槽整體受力及聯(lián)接狀況差，因此短溜槽長(zhǎng)度最終選擇為正常溜槽長(zhǎng)度的1／3，即583mm，共需3節(jié)。

在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)前部刮板輸送機(jī)向轉(zhuǎn)載機(jī)方向移動(dòng)583mm的距離后，拆掉1節(jié)短溜槽，然后將前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭后移583mm的距離與后面的2節(jié)短溜槽及中部槽聯(lián)接。同理，再拆掉第2節(jié)短溜槽，機(jī)頭再后移與最后1節(jié)短溜槽聯(lián)接，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，再距轉(zhuǎn)載機(jī)移動(dòng)583mm即1節(jié)短溜槽距離后，此時(shí)不再拆除短溜槽，而是拆除1節(jié)正規(guī)中部槽，然后將3節(jié)短溜槽重新安裝。依次類推，再次拆掉3節(jié)短溜槽后 (共6次)，前部刮板輸送機(jī)此時(shí)已經(jīng)向轉(zhuǎn)載機(jī)移動(dòng)了3.5m的距離，1＃支架與刮板輸送機(jī)1＃聯(lián)接頭正常聯(lián)接，旋轉(zhuǎn)開(kāi)采也就正式結(jié)束，工作面與上下巷道為垂直狀態(tài)，工作面正?；夭?。

3.2 回風(fēng)巷旋轉(zhuǎn)段折線布置，保證工作面等長(zhǎng)

由于工作面采用機(jī)械化綜放采煤方法，工作面均為大型設(shè)備，旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)如果頻繁加減架，不但增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且給安全生產(chǎn)帶來(lái)很大隱患，管理難度也大大增加。因此，旋轉(zhuǎn)段巷道布置就成為關(guān)鍵因素。要盡量保持工作面長(zhǎng)度不變或者變化較小，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，工作面端頭寬度不超過(guò)3.5m就不需要加減支架，形成的小面采用單體支柱等支護(hù)即可。采用折線式巷道，可以保證工作面長(zhǎng)度基本不變。故在工作面旋轉(zhuǎn)段的回風(fēng)巷設(shè)計(jì)采用折線方式掘進(jìn)。如圖3所示。

回風(fēng)巷旋轉(zhuǎn)段分4段折線，每段長(zhǎng)度分別為32m、35m、35m、32m，每段折線分別依次偏移角度為4°、8°、8°、8°，旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)度為134m (見(jiàn)圖2)。切眼初始長(zhǎng)度為243.5m，旋轉(zhuǎn)結(jié)束即工作面與上下巷道垂直時(shí)，工作面長(zhǎng)度為240m。旋轉(zhuǎn)開(kāi)采結(jié)束，工作面開(kāi)始正?；夭?。采用折線布置，不需要增減支架，大大降低了安裝、拆卸工程量。對(duì)于上端頭的維護(hù)也極為有利。

4 旋轉(zhuǎn)參數(shù)與工藝

4.1 旋轉(zhuǎn)參數(shù)確定

4.1.1 旋轉(zhuǎn)中心確定

由于采用實(shí)中心旋轉(zhuǎn)，因此旋轉(zhuǎn)中心為機(jī)頭鏈輪中心，旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)頭基本不動(dòng)。但采煤機(jī)要將運(yùn)輸巷側(cè)煤壁割透，以便機(jī)頭部分支架適當(dāng)調(diào)架，隨著上部支架的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)向。

4.1.2 循環(huán)割煤刀數(shù)確定

實(shí)中心旋轉(zhuǎn)開(kāi)采割煤刀數(shù)的計(jì)算:

圖3 回風(fēng)巷旋轉(zhuǎn)段折線布置圖

式中:n——循環(huán)割煤刀數(shù) (通刀與短刀總數(shù))；

L——工作面長(zhǎng)度，取240m；

d1、d2——刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾 (包括過(guò)渡槽)長(zhǎng)度，分別取8m、7m；

g——采煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度，取15m；

f——每循環(huán)調(diào)斜通刀數(shù)，一般取1；

w——刮板輸送機(jī)合理彎曲長(zhǎng)度，取30m。

將所取數(shù)據(jù)代入式 (1)計(jì)算，得n＝8。即1個(gè)調(diào)角旋轉(zhuǎn)循環(huán)內(nèi)割煤刀數(shù)為8刀，其中7個(gè)短刀，1個(gè)調(diào)斜通刀。

4.1.3 循環(huán)旋轉(zhuǎn)角度及工作面拐點(diǎn)確定

實(shí)中心旋轉(zhuǎn)開(kāi)采循環(huán)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算:

式中:α——每個(gè)調(diào)刀循環(huán)內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度，(0°)；

B——采煤機(jī)截深，取0.8m；

γ——容許彎曲角度，為1.5°；

n——循環(huán)割煤刀數(shù)，取8；

L——工作面長(zhǎng)度，取240m。

由式 (2)計(jì)算得到循環(huán)旋轉(zhuǎn)角度α＝1.43°，該角度小于JOY公司生產(chǎn)的2×1050型刮板輸送機(jī)彎曲度1.5°的要求，因此割煤短刀數(shù)選擇是合理的。

循環(huán)割煤刀數(shù)確定后，在工作面分為8段進(jìn)行割煤，其中7個(gè)短刀，1個(gè)長(zhǎng)刀 (通刀)，分別距離機(jī)尾30m、60m、90m、120m、150m、180m、210m、240m處進(jìn)刀。240m處即機(jī)頭處，由于機(jī)頭基本不動(dòng)，所以在該處第一次進(jìn)刀后，機(jī)頭不進(jìn)行推移，保證中心點(diǎn)的穩(wěn)定，以后在該處進(jìn)刀時(shí)，采煤機(jī)實(shí)際是空刀通過(guò)。但1＃架以后的支架必須及時(shí)進(jìn)行調(diào)架，以保證工作面煤壁、刮板輸送機(jī)、支架排列的三直。

4.1.4 旋轉(zhuǎn)段循環(huán)數(shù)確定

根據(jù)實(shí)中心旋轉(zhuǎn)循環(huán)數(shù)計(jì)算:

式中:m——總循環(huán)數(shù)；

β——旋轉(zhuǎn)角度，33°

α——單循環(huán)旋轉(zhuǎn)角度，1.43°。

由式 (3)計(jì)算得m＝23，即旋轉(zhuǎn)段共需23個(gè)大循環(huán)。

4.2 回采工藝

為了保證旋轉(zhuǎn)調(diào)角時(shí)工作面前部刮板輸送機(jī)向旋轉(zhuǎn)中心靠近，以便于前部刮板輸送機(jī)拆減溜槽，工作面割煤采用單向割煤、單向推溜。旋轉(zhuǎn)開(kāi)采過(guò)程示意圖見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 旋轉(zhuǎn)開(kāi)采過(guò)程示意圖

圖5 循環(huán)進(jìn)刀示意圖

在采煤機(jī)從機(jī)尾第一個(gè)拐點(diǎn)由下往上 (回風(fēng)巷)割煤后，返空刀掃浮煤；返空刀時(shí)，跟機(jī)及時(shí)從回風(fēng)巷向運(yùn)輸巷側(cè)推溜、移架。同時(shí)，為了保證支架與煤壁垂直，并且保證支架尾部上擺有一定的自由空間，必須將支架尾部由機(jī)尾向機(jī)頭方向逐架向上擺進(jìn)行調(diào)架，采煤機(jī)接著從第二拐點(diǎn)開(kāi)始至回風(fēng)巷割煤，然后返空刀掃浮煤、推溜、移架、調(diào)架，以此類推，實(shí)現(xiàn)單向割煤，單向推溜、移架。保證了旋轉(zhuǎn)開(kāi)采的連續(xù)及刮板輸送機(jī)、煤壁與支架排列的三直。

5 結(jié)論

通過(guò)重型裝備綜放工作面邊界三角煤旋轉(zhuǎn)開(kāi)采的研究，采用了后部刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)固定搭接，前部刮板輸送機(jī)加工短溜槽，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中及時(shí)拆接短溜槽的方案，操作簡(jiǎn)單，解決了放頂煤工作面兩部刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)同時(shí)合理搭接的問(wèn)題；優(yōu)化了旋轉(zhuǎn)開(kāi)采工藝，控制了重型設(shè)備上串下滑的問(wèn)題，加快了旋轉(zhuǎn)開(kāi)采的速度，旋轉(zhuǎn)工藝簡(jiǎn)單、實(shí)用；巷道布置采用折線式，盡量保證工作面近似等長(zhǎng)，解決了工作面不等長(zhǎng)的問(wèn)題，旋轉(zhuǎn)開(kāi)采期間不需要加架或者減架，大大降低了工作難度與強(qiáng)度，同時(shí)減少回風(fēng)巷擴(kuò)幫量，巷道支護(hù)安全可靠；據(jù)統(tǒng)計(jì)，工作面煤炭多回收8.2萬(wàn)t，回收率提高了4.2%。

可見(jiàn)，該礦邊界三角煤旋轉(zhuǎn)開(kāi)采不僅技術(shù)上有所創(chuàng)新，對(duì)于礦井安全、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益也很顯著，值得在類似條件下其他工作面的旋轉(zhuǎn)開(kāi)采中推廣應(yīng)用。

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