同發(fā)東周窯千萬噸礦井建設(shè)機電關(guān)鍵技術(shù)

葉志勇 孟國勝

(1.大同煤礦集團有限責(zé)任公司同發(fā)東周窯煤業(yè)公司；2.大同煤礦集團有限責(zé)任公司)

目前，千萬噸礦井建設(shè)已成為煤炭行業(yè)結(jié)構(gòu)性產(chǎn)業(yè)調(diào)整的重要舉措。千萬噸礦井的鮮明特點是裝備的大型化及控制系統(tǒng)的智能化、高端化，機電裝備是千萬噸礦井安全高效生產(chǎn)的重要保障[1-2]。大型固定設(shè)備、供配電系統(tǒng)、采掘運設(shè)備及輔助設(shè)施是千萬噸礦井的關(guān)鍵設(shè)備，該類設(shè)備能否安全可靠運行直接決定礦井能否安全高效生產(chǎn)[3-6]。因此，有必要對千萬噸礦井關(guān)鍵機電裝備進行系統(tǒng)研究，科學(xué)選型、合理配套，優(yōu)選出成套設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的問題對設(shè)備及應(yīng)用環(huán)境進行改造，使設(shè)備安全可靠運行，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

同煤集團同發(fā)東周窯礦是繼塔山礦、同忻礦之后的第3座千萬噸級礦井，也是同煤集團“十二五”發(fā)展規(guī)劃建設(shè)的“東—馬—潘”循環(huán)經(jīng)濟園區(qū)的主力礦井。礦井設(shè)計年生產(chǎn)能力1 000萬t，2008年8月開工建設(shè)，2011年9月竣工試生產(chǎn)。礦井采用斜井—平硐聯(lián)合開拓，中央并列抽出式通風(fēng)方式。機電裝備是礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，本研究根據(jù)礦井實際情況，對主副提升機、主通風(fēng)機、壓風(fēng)制氮設(shè)施、主排水泵等大型固定設(shè)備的選型、安裝和運行等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，對地面供電、井下供電、信息化控制等供配電系統(tǒng)進行綜合分析，對采掘運設(shè)備及輔助設(shè)施等機電項目的設(shè)備選型、安裝和運行等可靠技術(shù)進行討論，優(yōu)選出適合千萬噸礦井的機電成套裝備，此外，根據(jù)實際生產(chǎn)過程中機電設(shè)備運行存在的問題，對相應(yīng)的改造建議進行探討，確保設(shè)備安全可靠運行。

1 大型固定機械

1.1 主副提升機

礦井主提設(shè)備選用DTL180/2×2240型膠帶輸送機，提升高度468.6 m，斜長1 703.4 m，角度16°。提升系統(tǒng)配套4臺變頻電動機，頭部集中驅(qū)動。系統(tǒng)配套西門子無諧波高壓變頻軟起動裝置，降低了起動和停車對機械和電氣系統(tǒng)的沖擊，有效控制設(shè)備軟啟動和軟停車的動態(tài)過程，實現(xiàn)了各驅(qū)動電動機之間的功率平衡和速度同步，有效抑制膠帶輸送機動態(tài)張力波可能對膠帶和機械設(shè)備造成的危害，延長了設(shè)備使用壽命，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)配套阻燃型鋼絲繩芯抗撕裂的大強度、大帶寬、多鋼絲繩輸送帶，運輸能力4 000 t/h，帶速5.6 m/s，帶寬1 800 mm，帶強ST7000，帶厚 35 mm，單重145 kg/m，鋼絲繩數(shù)量91根、直徑 13.5 mm。

副立井提升機選用JKMD-3.25×4(I)型落地式多繩摩擦輪提升機，提升高度482.8 m。副斜井提升機選用JK-4×2.5/31.5型單繩纏繞式提升機，提升斜長1 282.6 m，提升傾角22°。副井提升均配套選擇德國西門子ABB直流調(diào)速系統(tǒng)，通過直流傳動，實現(xiàn)無極調(diào)速，運行平穩(wěn)，各種保護齊全，系統(tǒng)自動化程度高，監(jiān)控畫面實現(xiàn)人機互動，減少了人工操作失誤率，生產(chǎn)效率大幅提高。

存在問題及針對性建議：

(1)主提升DTL180/2×2240型膠帶輸送機輸送帶帶寬較大(1 800 mm)，單重大(145 kg/m)，更換膠帶工程相當(dāng)復(fù)雜。建議在井口房工業(yè)場地附近設(shè)計安裝大功率絞車，用于更換膠帶；在井下機尾處開拓存放新舊膠帶的硐室，便于快速更換。

(2)井口房卸載出料口與原煤101皮帶輸送機受料點落差16 m的溜煤筒未設(shè)計緩沖裝置或大型受料給煤機，致使煤流量不均勻，易造成受料101皮帶輸送機尾壓煤、歘煤等事故。生產(chǎn)實踐中，可將溜煤筒改造為“S”形，提高緩沖效能，有效緩解機尾壓煤問題，減少事故發(fā)生。建議安裝大容量大型給料機，徹底解決該類問題。

(3)副斜井提升機房在設(shè)計中將電動機、鼓風(fēng)機安裝于機房內(nèi)，未能充分考慮噪聲污染，建議將其設(shè)計安裝于機房外，從源頭上遏制噪聲污染。

1.2 主通風(fēng)機

主通風(fēng)機配套AGF606-3.8-1.8-2型雙級抽出式軸流通風(fēng)機。AGF606型通風(fēng)機是目前國內(nèi)較為先進的安全高效能軸流通風(fēng)機。AGF606型通風(fēng)機調(diào)節(jié)方便，可以選擇液壓動葉調(diào)節(jié)裝置，也可通過停機一次調(diào)節(jié)葉片角度，實現(xiàn)方便調(diào)節(jié)。通過1臺稀油潤滑站向軸承組件箱、電機軸承等摩擦部位供送潤滑油，無需人工注油，減輕了工人的勞動強度。該型設(shè)備配套有級變頻無級調(diào)壓軟起動裝置，電動機通過頻率變化的2個階段加速，完成從靜止到全速的加速過程。

AGF606型通風(fēng)機在運行中風(fēng)道閘板式風(fēng)門存在倒機時運行阻力大、不靈活、拉不到位現(xiàn)象和絞車鋼絲繩易出現(xiàn)扭曲等問題。建議升級改造為旋葉式風(fēng)門，縮短倒機時間，實現(xiàn)主通風(fēng)機快速、安全倒運行。

1.3 壓風(fēng)制氮設(shè)施

壓風(fēng)制氮車間設(shè)計采用地面集中布置方式，易于實現(xiàn)集中管理，占地面積小，減少基建工程投資。設(shè)計配套ML350-2S型螺桿空氣壓縮機9臺，為井下風(fēng)動工具及制氮設(shè)備提供壓縮空氣；選用KGZD98-3000型變壓吸附制氮裝置3套，同時滿足井下2個工作面注氮量的需求。

壓風(fēng)制氮設(shè)施在運行中存在的問題是空氣壓縮機進風(fēng)口與制氮機出氣口方向設(shè)計不合理。由于礦井特殊的地理位置，西北風(fēng)較猛烈，空氣壓縮機進風(fēng)口朝北，易吸入塵土和雜物，對設(shè)備造成損傷；制氮機出氣口朝向辦公和生活區(qū)域，對工作人員易造成噪聲污染。建議在制氮機出口處安裝大功率消聲器，減小噪聲污染。

1.4 主排水泵

主排水泵房設(shè)計安裝5臺MD450-60×9型礦用耐磨泵，2臺工作、2臺備用、1臺檢修。配套5臺QBRG-150/10K型高壓軟起動器控制水泵起停；設(shè)計安裝1套PLC全自動排水系統(tǒng)，根據(jù)操作臺集中控制鍵開停水泵，自動完成從抽真空(無需人工灌引水)、開閥選擇排水管路、起泵排水的全過程，實現(xiàn)排水自動化。

設(shè)備運行中存在的問題是泵房內(nèi)D426排水管路未設(shè)計安裝閘閥，給后期電動閘閥檢修和維護帶來了不便。建議射流泵管路設(shè)計采用螺紋活接口，以方便檢修和更換。

2 供配電設(shè)備

2.1 地面供電系統(tǒng)

礦井在副井工業(yè)場地建有1座110/35/10 kV變電站及1座10/0.4 kV變電站；在主井場地建有1座35/10 kV變電站。供電電源選擇110 kV電壓等級。110 kV供電線路在供電可靠性方面比35 kV線路高，線路電流比35 kV線路小，達到線路的經(jīng)濟截面所需的線徑比35 kV線路小。副井工業(yè)場地和主井工業(yè)場地分別選擇110 kV和35 kV電源線路，相較于10 kV供電電源可以避免因裝機容量的提高對10 kV供電電網(wǎng)產(chǎn)生的壓降及沖擊電流帶來的影響。礦井供電電源及地面主運、副提、主扇、壓風(fēng)制氮設(shè)備等重要負荷均采用10 kV供電電源，與6 kV供電電源相比較，系統(tǒng)電流減少約1/3，在礦井用電負荷增大的條件下，有助于提高供電能力。

2.2 井下供電系統(tǒng)

井下設(shè)計安裝了主變電所以及一采區(qū)、二采區(qū)、南盤區(qū)等變電所。所有變電所的供電電源分別取自地面變電站10 kV母線段，各自形成獨立系統(tǒng)，互不干涉，提高了供電質(zhì)量，使供電更為安全可靠。二采區(qū)和南盤區(qū)變電所分別以10 kV三回電源進線，形成Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段母線段，通過2個聯(lián)絡(luò)高爆開關(guān)，構(gòu)成“三回路雙聯(lián)絡(luò)”供電系統(tǒng)。通過不斷進行技術(shù)升級改造，其中Ⅲ段母線段專為掘進工作面局部通風(fēng)機供電，另外2個母線段分別為綜采、綜掘等回采工作面供電。升級后的供電系統(tǒng)消除了原局部通風(fēng)機與動力線路在同一母線段的制約因素，提高了局部通風(fēng)機的供電質(zhì)量，確保了礦井安全生產(chǎn)。

2.3 信息化系統(tǒng)建設(shè)

礦井依托生產(chǎn)調(diào)度指揮中心和工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為數(shù)字化傳輸平臺，建設(shè)了瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)、礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)等管理系統(tǒng)，以及主井原煤皮帶集控系統(tǒng)、副井提升系統(tǒng)、主通風(fēng)機系統(tǒng)、壓風(fēng)制氮系統(tǒng)、井下排水系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)等安全生產(chǎn)子系統(tǒng)，使礦井管理更為安全、高效、便捷。

供電系統(tǒng)存在弱電管網(wǎng)設(shè)計不合理的問題。波紋管布置于弱電管溝內(nèi)，由于地面壓力會造成波紋管變形破裂，且季節(jié)性雪雨水會滲入波紋管，沉積的泥沙會將其堵塞，給檢修工作帶來了不便。建議將弱電管溝設(shè)計改造為電纜溝，以便于線路巡查維修和更換。

3 采掘運機械

3.1 采掘機械

該礦綜放工作面采用單一走向長壁綜合機械化低位綜采放頂煤開采工藝[7-8]，引進德國艾柯夫SL-500采煤機，卡特彼勒PF6系列刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機和破碎機，鄭煤機ZF13000液壓支架，配套使用英國B&F公司2 500 kVA和3 150 kVA負荷中心，順槽選用DSJ140/350/3×500帶式輸送機等設(shè)備，綜合機械化程度達到了100%，設(shè)備引進率達到了95%。工作面采煤機采用IGBT逆變變頻器，有效控制截割電機起動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)采煤機恒功率控制。前后刮板輸送機配套有CST機電軟起動驅(qū)動裝置，實現(xiàn)了刮板輸送機空載起車到額定轉(zhuǎn)速運行的功能，并在緊迫停車或突然斷電時，實現(xiàn)可控停車。工作面和順槽皮帶機引進德國貝克全自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了區(qū)域自動化。該類大功率、大容量、高強度、高效率機電設(shè)備引進后，充分適應(yīng)了復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，發(fā)揮了應(yīng)有效能，為礦井穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

由于該礦工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致工作面頻繁來壓，造成支架部分立柱損壞，加大了立柱、安全閥的更換頻率。支架設(shè)計工作阻力為13 000 kN，建議加大支架工作面阻力設(shè)計，由13 000 kN 改變?yōu)?5 000 kN。

在開采過程中，若前后刮板輸送機同時達到3 500 t/h 運輸能力，轉(zhuǎn)載機無法滿足運輸要求，易出現(xiàn)“壓死”、“憋死”事故。建議優(yōu)化開采工藝，控制前刮板輸送機割煤與后刮板輸送機放煤的比例，確保均勻上煤。

為適應(yīng)在粗砂巖、礫巖，甚至有煌斑巖入侵等復(fù)雜地質(zhì)條件下的開采，同發(fā)礦井引進了英國多斯科LH1400H硬巖掘進機和MK5全巖掘進機，服務(wù)于礦井機掘巷道開拓。2種機型裝機功率分別為430，590 kW，具有裝機功率大、截割扭矩大、截割斷面范圍廣、機身穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，確保了特殊條件下巷道安全高效掘進。

3.2 運輸機械

井下運輸主要由回采順槽DSJ140和盤區(qū)DTL160型膠帶輸送機組成。DSJ140和DTL160 2種機型驅(qū)動部分均采用頭部集中驅(qū)動，配套選擇10 kV 電動機+VOITH調(diào)速型液力偶合器+SEW硬齒面減速器軟啟動方式，大大降低了起車和緊急制動時輸送帶的動張力，減少了啟車時對電網(wǎng)的沖擊和啟動過程中各承力部件的動載荷，延長了減速器、電動機和工作機構(gòu)等關(guān)鍵部件的使用壽命，實現(xiàn)了多電機功率平衡。

地面原煤運輸系統(tǒng)主要由101、111、112 3部皮帶輸送機組成，選型參數(shù)均存在偏小問題，運行中在重載起車、滿載運行和煤流不均勻狀況下，易出現(xiàn)悶車、壓煤、停車等事故。經(jīng)過數(shù)次提能技術(shù)改造，將原設(shè)計膠帶帶強、帶速、運輸能力和驅(qū)動設(shè)備額定功率等技術(shù)參數(shù)均進行了重新核實，充分考慮了惡劣的運行工況條件，并增大了各參數(shù)的富裕系數(shù)，將3部皮帶輸送機帶強全部更換為ST2000，帶速提升為4.5 m/s，運輸能力提升為4 000 t/h，電動機和減速機的額定功率全部提升了等級，并改造應(yīng)用了10 kV 高壓啟動控制技術(shù)。通過改造，徹底杜絕了原煤皮帶輸送機事故，提升了運輸能力。

輔助運輸包括副斜井運輸和井下無軌膠輪車運輸2個部分。副斜井運輸斜長1282.6m，傾角22°。若前期斜井坡度設(shè)計為5°～6°，則斜井鋼絲繩牽引運輸將變更為無軌膠輪車運輸。雖然運輸斜長增加、井筒開拓工程量增大，但整體運輸效果更為安全可靠。

井下無軌膠輪車運輸主要由支架搬運車、多功能車、客貨兩用車和人車等運輸車輛組成。采用無軌膠輪車運輸材料設(shè)備和人員，機動靈活、效率高、安全可靠，實現(xiàn)了綜采搬家倒面時重型設(shè)備不拆卸、不轉(zhuǎn)載整體一條龍快速搬運，既減少了工作面非生產(chǎn)時間，又減少了巷道軌道鋪設(shè)，節(jié)約了成本。主要缺點是支架搬運車、鏟運車等設(shè)備國產(chǎn)化程度低，設(shè)備運行費用較高，對巷道底板要求較嚴格。若增加投入進行輔助運輸巷道車輛交通管理軟件系統(tǒng)建設(shè)，有助于大幅提高輔助運輸效率和安全性。

4 輔助設(shè)施

機電聯(lián)合修理車間由設(shè)備中轉(zhuǎn)庫、綜掘液壓設(shè)備修理車間、機修車間和電氣車間組成，主要承擔(dān)礦井機電設(shè)備中轉(zhuǎn)存放、綜掘液壓設(shè)備修理、低值易耗設(shè)備配件加工和高低壓電氣設(shè)備維護和修理任務(wù)。

聯(lián)合車間設(shè)計為一體，占地面積7 128 m2。建議各生產(chǎn)車間單獨設(shè)計，以避免各車間噪聲、電氧焊煙霧等相互影響。另外，由于晉北地區(qū)特殊的地理位置，冬季時間較長，諸如液壓支架、采煤機和掘進機等大件設(shè)備長時間暴露于露天敞篷，增加了設(shè)備損耗，給冬季設(shè)備防凍工作帶來了不便。建議設(shè)計增大車間使用面積，提供液壓支架和采掘機械等大型設(shè)備的存放和修理空間。

5 結(jié) 語

通過對同發(fā)東周窯千萬噸礦井“提、通、壓、排”大型固定設(shè)備、供配電系統(tǒng)、采掘運設(shè)備及輔助設(shè)施等關(guān)鍵機電項目的設(shè)備選型設(shè)計、安裝和運行等關(guān)鍵技術(shù)進行分析，優(yōu)選出了一整套適合于千萬噸礦井的機電成套裝備，對于同類條件下千萬噸礦井機電裝備配套建設(shè)有一定的參考價值。