突出礦井急傾斜中厚煤層綜采裝備研究與應(yīng)用

摘 要：隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)飛速發(fā)展，綜合機(jī)械化開(kāi)采是發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于急傾斜煤層的采面傾角大、綜采設(shè)備技術(shù)性能要求高且存在嚴(yán)重失穩(wěn)，因此采面飛矸、落煤傷人時(shí)有發(fā)生。本文以田壩煤礦中厚煤層綜采設(shè)備為研究對(duì)象，應(yīng)用“R-S-F”動(dòng)力學(xué)控制理論，研究礦井急傾斜中厚煤層的綜采裝備防失穩(wěn)關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)措施，并在云南田壩煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)一步論證“R-S-F”動(dòng)力學(xué)控制理論的可行性，解決了云煤集團(tuán)所屬煤礦的開(kāi)采技術(shù)難題，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：突出礦井；急傾斜；綜采；防倒防滑

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 355" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是富煤、貧油且少氣，煤礦是我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的支柱。隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)飛速發(fā)展，綜合機(jī)械化開(kāi)采是煤礦安全高效的必然發(fā)展趨勢(shì)。但急傾斜工作面是世界公認(rèn)的煤礦開(kāi)采禁區(qū)，在工作面自然條件、設(shè)備能力、失穩(wěn)控制和飛矸傷人等諸多因素影響下，進(jìn)行綜合機(jī)械化開(kāi)采一直是許多礦井亟需解決的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。急傾斜工作面采取柔性支護(hù)開(kāi)采、高檔普采和炮采的生產(chǎn)效率一直不高，煤礦工人的安全也難以得到保證。

雖然目前急傾斜工作面開(kāi)采在國(guó)內(nèi)有許多可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，但不同地質(zhì)條件的急傾斜煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采仍需要做進(jìn)一步論證。為解決云南省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司下屬煤礦急傾斜煤層機(jī)械化開(kāi)采課題，本文從設(shè)備選型配套入手，應(yīng)用“R-S-F”動(dòng)力學(xué)控制理論[1]，圍繞機(jī)械化開(kāi)采設(shè)備的失穩(wěn)控制、防飛矸傷人等重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)控制，以田壩煤礦某工作面設(shè)備為例，研究了云南首個(gè)突出礦井急傾斜中厚煤層綜采技術(shù)。

1 煤層地質(zhì)概況

田壩煤礦某工作面位于K7煤層，煤層頂板薄層狀粉砂巖，厚1.4m～1.5m，底板為片狀泥巖，厚0.6m左右。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)400m，傾斜長(zhǎng)90m（偽傾斜長(zhǎng)105m）；一般煤厚1.2m～2.2m，煤層平均厚1.5m，屬中厚煤層[2]，煤質(zhì)硬度系數(shù)小于3；煤層傾角為42°～48°，平均傾角為46°，局部最大為52°，屬急傾斜煤層[2]。K7煤層瓦斯含量為4.8195m3/t、瓦斯壓力為0.76MPa，被鑒定為有突出危險(xiǎn)性。該綜采工作面3機(jī)選型見(jiàn)表1。

2 綜采設(shè)備失穩(wěn)分析和應(yīng)對(duì)措施

2.1 液壓支架失穩(wěn)分析

根據(jù)“R-S-F”動(dòng)力學(xué)控制理論要求，研究急傾斜綜采機(jī)械化時(shí)，煤層底板F的研究是基礎(chǔ)，支護(hù)S的研究是關(guān)鍵，最終目的是管控頂板R，如公式（1）[3]所示。

（1）

式中：Fx為下鄰架支架作用力，kN；Fs為上鄰架作用力，kN；G為液壓支架自重，kN；μ1為頂板與支架的摩擦系數(shù)；μ2為底板與支架的摩擦系數(shù)；q為頂板對(duì)支架的作用力，kN；α為煤層傾角，°；Fy為采煤機(jī)牽引力，kN。

可以推導(dǎo)出支架的下滑系數(shù)如公式（2）所示。

（γ＞1時(shí)，支架穩(wěn)定）

（2）

支架的傾倒系數(shù)如公式（3）所示。

（ξ＞1時(shí)，支架穩(wěn)定）

（3）

式中：h為煤層實(shí)際采高，m；hg為重心與底板的垂直距離，m；B為支架寬度，m。

根據(jù)初步選型的液壓支架參數(shù)和采面頂?shù)装鍖?shí)際情況，并結(jié)合下滑系數(shù)公式，擬合液壓在不同傾角的抗滑系數(shù)，如圖1所示。

同時(shí)，結(jié)合傾倒系數(shù)公式，擬合支架在不同采高、不同傾角時(shí)的傾倒系數(shù)曲線，如圖2所示。

根據(jù)圖1可知，支架傾角＞40°時(shí)，下滑系數(shù)約為0.9；根據(jù)圖2可知，傾角為42°時(shí)，在支架采高范圍內(nèi)，支架的傾倒系數(shù)均＜1。因此，該采面支架有下滑、傾倒失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 液壓支架防失穩(wěn)措施

根據(jù)上述分析，液壓支架在該采面均有下滑和傾倒失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，必須采取有效措施。

2.2.1 防滑措施

在液壓支架不接頂?shù)淖匀粻顟B(tài)下，支架下滑失穩(wěn)狀態(tài)最嚴(yán)重，因此考慮不接頂狀態(tài)下的支架防滑措施可滿(mǎn)足采面使用要求。此時(shí)，第i架的下滑力如公式（4）所示。

（4）

帶入支架質(zhì)量和煤層傾角。當(dāng)i=1時(shí)，F(xiàn)1=91.92kN；當(dāng)i=2時(shí)，F(xiàn)2=202.22kN；當(dāng)i=3時(shí)，F(xiàn)3=257.4kN；......。因此2根Φ100/Φ70（拉力126kN）規(guī)格的千斤頂可滿(mǎn)足采面至少3臺(tái)連續(xù)不接頂?shù)闹Ъ懿幌禄?/p>

2.2.2 防倒措施

同理，根據(jù)公式算出該急傾斜綜采工作面液壓支架在不接頂狀態(tài)下的傾倒力為41.8kN。為滿(mǎn)足設(shè)備防倒、防滑的互換性，選擇防倒千斤頂?shù)囊?guī)格為Φ100/Φ70（拉力126kN），將其布置在立柱的前后，與防滑千斤頂對(duì)應(yīng)。在2根防倒千斤頂合力252kN的作用下，允許采面連續(xù)不接頂?shù)闹Ъ茏畲髷?shù)量為6臺(tái)?？紤]其他因素影響，一般允許不接頂?shù)闹Ъ軘?shù)量以3臺(tái)為宜。

2.3 輸送機(jī)失穩(wěn)分析和技術(shù)措施

急傾斜采面輸送機(jī)受力模型如圖3所示。影響采面刮板輸送機(jī)下滑的力分別為輸送機(jī)自重G1、載煤質(zhì)量G2、采煤機(jī)自重G3、采煤機(jī)上行牽引力Fy、支架推溜力FT及其與輸送機(jī)中部槽形成的夾角β。根據(jù)輸送機(jī)的下滑合力和抗滑相關(guān)公式[4]，可得出輸送機(jī)抗滑系數(shù)k如公式（5）所示。

（5）

事實(shí)上，對(duì)于傾角40°以上的采面，落煤會(huì)沿傾斜面自溜至運(yùn)輸巷，輸送機(jī)裝載煤的可能性極低，因此載煤質(zhì)量G2忽略不計(jì)。此時(shí)，根據(jù)初選的液壓支架、刮板輸送機(jī)以及采煤機(jī)，可得出輸送機(jī)的受力情況，見(jiàn)表2。

輸送機(jī)在31kN下滑力的作用下，必然會(huì)下滑，不會(huì)出現(xiàn)上竄現(xiàn)象。輸送機(jī)防下滑裝置如圖4所示，在每臺(tái)支架底座前端設(shè)置防止輸送機(jī)下滑的千斤頂，以使支架在推溜時(shí)有沿傾斜面向上的分力。這時(shí)，推溜力沿采面傾斜面向上的分力可阻止輸送機(jī)中部槽下滑，形成被動(dòng)防滑功能。同時(shí)限制推移桿下擺的千斤頂，該千斤頂規(guī)格為Φ100/Φ70（推力為247kN），可進(jìn)一步防止輸送機(jī)下滑。采面調(diào)偽斜長(zhǎng)度為105m，布置液壓支架70臺(tái)，因此，防止輸送機(jī)下滑的合力實(shí)際為247×70=17290kN，遠(yuǎn)大于下滑力31kN，即使在輸送機(jī)滿(mǎn)載煤炭情況下也足以保證輸送機(jī)不下滑。

2.4 采煤機(jī)失穩(wěn)分析及措施

如圖3所示，采煤機(jī)在自重和牽引力作用下存在下滑失穩(wěn)。因此進(jìn)行急傾斜采面開(kāi)采時(shí)，采用沿傾斜面由上向下單項(xiàng)割煤開(kāi)采工藝，利用割煤阻力阻止采煤機(jī)下滑。同時(shí)，采煤機(jī)空刀回程時(shí)，在行走部設(shè)置抱緊裝置，防止采煤機(jī)下滑。事實(shí)上，采煤機(jī)的失穩(wěn)力需要傳導(dǎo)在輸送機(jī)的中部槽上，輸送機(jī)的中部槽除支撐采煤機(jī)行走外，也起到防止采煤機(jī)下滑的作用，因此在輸送機(jī)上設(shè)置較大的防失穩(wěn)力，也可進(jìn)一步防止采煤機(jī)的失穩(wěn)。

3 防飛矸、落煤和其他安全技術(shù)措施

3.1 架前、架間防飛矸技術(shù)

本文在刮板輸送機(jī)電纜槽上設(shè)置可升降鏤空的架前擋矸裝置，升降擋矸裝置與支架頂梁形成密閉隔離帶，可隔離采煤機(jī)通道和行人通道，有效保障行人安全。但支架移架過(guò)程中會(huì)存在漏矸或浮煤沿行人通道向下滾落傷人的問(wèn)題，因此必須設(shè)置架間防飛矸裝置，如圖5所示。

對(duì)于急傾斜綜采面的防飛矸裝置，除了在支架和刮板輸送機(jī)設(shè)置的剛性擋矸裝置，還結(jié)合了柔性尼龍、錨鏈擋矸裝置。在采煤機(jī)機(jī)道位置，每臺(tái)液壓支架頂梁上預(yù)留了掛鏈孔，每10架掛一套柔性錨鏈，能有效防止落煤飛矸的滾落沖擊。架間也設(shè)置了尼龍網(wǎng)掛鉤，每8～10架掛一套柔性尼龍繩網(wǎng)，也能有效防止行人通道的飛矸落煤沖擊力。

3.2 綜采面下出口支護(hù)管理

由于存在落煤、飛矸沿傾斜面滾落沖擊和采面頂板垮落現(xiàn)象，因此下出口運(yùn)輸巷的支護(hù)和安全管理是急傾斜綜采工作面的關(guān)鍵，關(guān)系整個(gè)綜采工作面安全、高效推進(jìn)。

急傾斜綜采面下出口支護(hù)與管理如圖6所示。在下出口采用橫式端頭支架支護(hù)，將橫式端頭支架的頂梁前端抵在中部支架的頂梁上，并在橫式端頭支架和轉(zhuǎn)載機(jī)上設(shè)置高強(qiáng)度防沖擊擋矸板，可解決下出口的支護(hù)和運(yùn)煤管理問(wèn)題，進(jìn)一步防止下出口采面支架的傾倒。

4 應(yīng)用效果

田壩煤礦某突出急傾斜綜采工作面實(shí)施上述措施后，從原炮采生產(chǎn)班22人減至綜采班11人，年降低生產(chǎn)成本1002.5萬(wàn)元。自實(shí)施機(jī)械化綜采以來(lái)，原煤產(chǎn)量大幅提升，月產(chǎn)量從炮采生產(chǎn)原煤不足5000t提升至11000t，綜合機(jī)械化開(kāi)采是炮采月產(chǎn)量的2.2倍。隨著技術(shù)工藝不斷成熟，經(jīng)濟(jì)效益仍有提升空間，可實(shí)現(xiàn)減人、增效、提安的總目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了急傾斜采面液壓支架、輸送機(jī)和采煤機(jī)的失穩(wěn)條件，提出了應(yīng)對(duì)失穩(wěn)的技術(shù)措施，解決了急傾斜綜采設(shè)備的穩(wěn)定性，為急傾斜煤層進(jìn)行機(jī)械化開(kāi)采奠定理論基礎(chǔ)。進(jìn)而探索防飛矸、落煤技術(shù)措施，有效解決了急傾斜采面飛矸傷人的安全隱患，并已在礦井應(yīng)用，效果良好。田壩煤礦突出礦井某急傾斜中厚煤層綜采工作面綜采裝備和技術(shù)的實(shí)施成功解決了云南首個(gè)突出礦井急傾斜中厚煤層機(jī)械化綜采難題，達(dá)到了預(yù)期目的，可作為該領(lǐng)域的典型案例。

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