大倾角薄煤层采煤机配电液控液压支架开采模式关键技术

751 编辑：来源：北京智宏科信科技发展有限公司

2023-11-23 14:34:01

一、特点及适用条件

薄煤层滚筒采煤机配电液控液压支架开采模式可以满足厚度0.8m以上、煤质中硬以下薄煤层开采的需求。
1.特点
此开采模式优点是：①适应于煤层厚度变化较大的工作面；②对煤层顶底板起伏变化适应能力强；③适用于含有夹矸的煤层回采；④对工作面长度要求比刨煤机低。
缺点是最小采高受到一定限制，“小机身、大功率”问题很难有效解决，如何在降低机面高度的前提下进一步提高薄煤层滚筒采煤机的装机功率是该配套模式面临的最大难题。
2.适用条件
该种配套模式对地质条件的要求如下：
（1）煤层硬度：中硬及中硬以下。薄煤层采煤机的破煤能力比刨煤机强，能够顺利回采中硬以下的煤层，但受到采煤机尺寸限制，其装机功率较小，对于硬煤层工作面的适应性较差。
（2）煤层倾角：适应煤层倾角25°，对大于25°倾角的煤层适应性较差，工作面加入防倒防滑装置后可用于45°以下薄煤层的开采。
（3）围岩条件：顶板中等稳定。对底板起伏变化的适应性较强，可以通过调节采煤机摇臂来适应底板的起伏变化；顶板的稳定性越好，越有利于薄煤层采煤机的运行，顶板较为破碎时，容易发生漏顶现象，影响工作面的正常推进。
（4）煤层厚度：受到采煤机机身厚度的限制，适用于煤层厚度0.8m以上工作面的开采，当煤厚大于1.5m时采用薄煤层滚筒采煤机明显优于刨煤机。
（5）夹矸：薄煤层采煤机对含夹矸煤层的适应性明显优于刨煤机，可以适用于含少量夹矸的工作面开采。
（6）地质构造：过断层能力较强，能够应用于含小断层工作面。
国内常见的几种薄煤层滚筒采煤机的基本情况和工作面设备配套情况如表1和表2所示。

表1 国产常见薄及较薄煤层滚筒采煤机主要技术参数

表2 国内部分矿区薄煤层滚筒采煤机工作面配套设备及产量

二、关键技术

大倾角薄煤层工作面工作空间小的特点对采煤机提出了一些新的要求，主要表现在如下两个方面：
（1）小体积、大功率
薄煤层滚筒采煤机与中厚煤层采煤机相比，其工作空间小，要求尽量减小采煤机的尺寸；另外，薄煤层采高小是不可改变的事实，中厚煤层采煤机割一刀煤相当薄煤层的3~5倍，为了实现薄煤层工作面的高产高效就要求采煤机具有大功率。为解决体积缩小与功率加大之间矛盾，主要采用以下关键技术。
①改变摇臂电机的布置方式
传统采煤机采用单摇臂电机，由于电机尺寸较大限制了采煤机尺寸的减小，可采用多电机横向布置的方式降低机面高度。如MG200/456-WD型采煤机，每个截割部的截割功率是200kW，采用2个100kW电机来拖动，就减少了电机的外形尺寸，使整个机面高度降到853mm，使该采煤机一般可开采厚度为1.1~1.2 m以上的煤层。同样，MG250/556-WD型采煤机，每个截割部的截割功率达到250kW，采用2个125kW电机来拖动，整个机面高度也降到853mm，也可以开采厚度为1.1~1.2m以上煤层。
②改变牵引部机壳结构
国内外采煤机牵引部的传统结构形式为多级直齿轮传动和一级行星齿轮传动。薄煤层采煤机的尺寸小，为了增大采煤机功率应提高牵引电机的转速，现代电牵引采煤机的牵引电机转速达到了2900r/min，传统的结构形式已不能适应发展的需要，现在采煤机牵引部已向多级行星齿轮传动的方向发展。例如MG200/500-AWD型采煤机牵引部电机横向布置，两级直齿轮传动和两级行星齿轮传动减速，实现了传递功率大、结构紧凑、减速比大，结构尺寸小等特点。
（2）改善装煤效果
由于是薄煤层，滚筒直径不可能大，而且随着煤层越薄，滚筒的直径要求越小，由此往往带来装煤效果不好、装不上煤或装不干净煤的问题，为此采取如下技术措施。
①安装挡煤板
为了提高装煤效果，可以在摇臂上安装挡煤板来辅助提高装煤效果。某弧形挡煤板，其与煤接触的边缘多做成刃状，以利于挡煤板刮煤，其重量要适中，过重会增加摇臂负载，降低传动件的寿命；过轻又会出现跳动，使得采煤过程中后滚筒的浮煤较多。
②摇臂改为弯摇臂
对于滚筒向外旋的薄煤层滚筒采煤机，当采用直摇臂时，由于工作面采高小，摇臂下方的过煤空间很小，装煤效果不好。此种情况下可将摇臂改为弯摇臂，增加摇臂下方的过煤空间，改善装煤效果。
③合理确定滚筒转速和叶片螺旋角的大小
滚筒转速和叶片的螺旋角对采煤机的装煤效果有很大影响：滚筒转速越高、滚筒叶片螺旋角过大时，煤易被沿切线方向抛出，不利于向刮板输送机上装煤；相反，滚筒转速过慢、滚筒叶片螺旋角过小时，煤被抛向刮板输送机上速度过小，也不利于装煤。因此，应结合滚筒直径、截深、转向、牵引速度等滚筒结构参数科学确定合理的滚筒转速和叶片螺旋角的大小。
薄煤层综采工作面液压支架选型时应考虑到以下几方面因素：
（1）支架选型
由于薄煤层工作面顶板一般比较稳定，可采用二柱掩护式支架及整顶梁形式，结构比较简单，便于维护和操作。当通风面积要求大，需采用双排人行通道时，支架宜选用四柱支撑掩护式。
（2）支架结构
薄煤层支架结构要尽量简单，顶梁可设计成整体梁，适当加宽顶梁宽度。
薄煤层支架推杆设计十分重要，要具备拉架推溜的功能，又要满足强度的要求，一般还要用它控制综采工作面输送机下滑。推杆侧面和底座限位块间隙很小（20～30㎜），利用它控制输送机和支架的位置。推杆一端连接输送机，另一端通过千斤顶和支架相连，它必须占据部分立柱前空间，该空间本来很小（人爬行），若推杆设计的太厚，将影响行人空间。
由于薄煤层顶板一般较好，冒落矸石较少，掩护梁受到冲击载荷作用可能性较小，所以掩护梁设计角度不一定太陡，只要在工作区段矸石能很好滑落就可以。
支架底座采用分体底座，左右底座通过桥铰接。这种结构既可以最大限度地降低支架高度，又能保证较大的排矸空间。支架配带短底靴板结构，可以改善底座对底板的比压分布，使支架比压分布合理，便于拉架。同时靴板厚度较薄，加大了人行通道。短柱支撑在底座与掩护梁之间，使支架具有较好的稳定性和对顶板的适应能力。
（3）高强度
薄煤层支架由于其伸缩比大，且最低高度很低，结构件设计既要满足强度要求，又要截面高度尺寸尽可能小。结构件大多采用高强度钢板，如4MPa级高强度钢板，主要承载部位采用7MPa级高强度钢板。顶梁前部有的设计成板式结构，甚至是几层弹簧钢板叠加。
（4）可靠的工作阻力
薄煤层工作面，由于采高低，易充填，老顶易形成平衡拱，一般工作面矿压显现不明显。支架工作阻力可适当减小。但因薄煤层支架活柱伸缩量小，工作空间狭窄，在确定支架工作阻力时应十分慎重，否则在工作面顶板大面积来压，发生“死架”时难以处理。
（5）高可靠性
支架具有高可靠性主要是考虑到薄煤层工作面采高较低，操作及维修困难，这就要求液压管路布置合理有序，并应考虑它的可维修性和可操作性。液压管路连接件密封性能要安全可靠，密封件材质选用可靠性高的聚氨酯材料。
（6）高自动化程度
薄煤层工作面，行人困难，操作系统最好实现成组控制、自动控制或邻架控制，以减轻工人劳动和提高安全程度、工作效率及产量。
（7）较大的伸缩比
支架具有较大的伸缩比可使支架适应较大的高度变化。为满足支架较大的伸缩比，一般采用双伸缩立柱。
（8）快速移架需求
快速移架与工作面高产高效的要求相适应的，与工作面内其它设备的自动化程度相适应。为达到此目的，液压管路和元件应均为大流量器件。
（9）足够的人行通风断面
人行空间及通风断面的空间尺寸应不小于500×70mm，以保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。
（10）防漏矸
支架在使用过程中架内及架间应无矸石，否则由于采高较低，有可能损坏液压管路或液压元件，使支架失去自动控制功能。为防止架内及架间漏矸，支架顶梁与掩护梁铰接处应有挡矸帘，以解决架内漏矸问题。
3、防倒防滑
大倾角薄煤层工作面由于煤层倾角大，设计专门的防倒防滑装置或设施，主要包括工作面支架的防倒防滑、排头支架防倒防滑、排尾支架防倒防滑、工作面架前保护、刮板输送机防滑及大倾角工作面的端头支护等。
（1）工作面支架的防倒防滑
工作面支架的防倒防滑机构包括由弹簧组件和千斤顶控制的双侧护板（用时一侧暂固，另一侧活动）、调架梁、后调（必要时可安装前调）、可按需要安装顶梁防倒等装置。顶梁防倒不用软连结，主要是行人不便和存在安全隐患。
（2）排头支架防倒防滑
工作面下排头3～5架称为排头支架组，是大倾角综采的基准，解决排头支架防倒防滑是大倾角综采工作面成功的关键，包括顶梁防倒，底座前后防滑和架尾防滑等设施。
（3）排尾支架防倒防滑
工作面最上3~5架，称为排尾支架组，主要是控制排尾支架正常运作，不正常状况一般也由上而下调节，包括顶梁防倒、底座前、后调架防滑等装置。
（4）工作面架前保护
除采用护壁板、伸缩梁带护壁板、护壁板上挑护顶等措施外，大倾角综采面架前防护以顶梁带伸缩梁加旋转保护装置为佳，包括保护板和插板与座板组合，销连于顶梁下的中心轴，可按需要旋转方位，实现正装、左右侧装、反装和正装，还可迎煤流方向微转角度，使之与输送机电缆架形成“隔离墙”，以防止支架前方和上方煤块、矸石进入架内伤人或损坏设备，确保人员、设备安全。
（5）刮板输送机防滑
工作面刮板输送机除机头可设锚固站外，其本自身并无防滑能力，需要由支架为其提供防滑保障，通常采用两种方式：
①硬连接防滑：由某架与下或上架前的输送机直接销连千斤顶：朝下布量，则向上拉输送机；朝上布置，则向上推输送机，推力比拉力大，移架后强力拉推复位。不足的是推溜过程中不能主动防滑。
②软连结防滑：通常以每5架为一组，全工作面20~25组，视煤层倾角大小而设，主要是在闭锁状态下推溜防止输送机下滑，已下滑则可分段成组或全工作面向上提拉复位。主要问题是：架前斜置圆环链行人不便，还存在断链伤人的安全隐患。
（6）大倾角工作面的端头支护
大倾角综采机巷，虽然底板近于水平，但顶板却因三角煤很难维护住，故前进式的端头支架很难适应25°以上变梯形断面巷道顶板的支护要求。主要支护措施包括：
①锚网支护：从巷道掘进开始即采用锚网支护，这是现今大力推广的支护新技术，如果设计和使用得好，可以不用其他支护设施。
②其他支护方式：使用钢梁铁柱，用液压支柱作超前支护，但割煤后很难维护三角煤板；用锚网和单体支柱组合使用效果也可能好。
③横式端头支架：支架横置横移，升降座由千斤顶控制，可适应巷道高低变化；顶梁与升降座铰连，能适应顶板倾角变化；立柱“迎山”支撑顶梁，改善支架受力状况且加大支架稳定性；相向互动侧护板有效解决大行程移架护顶；架内转载机并随工作面同步推移等。为高产高效生产提供了良好基础。横式端头支架，已有矿区使用，经过实践和改进可以有效解决大倾角综采巷道和过渡三角区的支护，大倾角薄煤层综采可以试用。

三、应用实例

针对某煤矿5#煤层0.65~1.1m厚度煤层，35°~40°大倾角薄煤层的特点设计开发了新型液压支架ZQY2800/069/141，大倾角薄煤层综采工作面“三机”配套如图1所示。

图1 大倾角薄煤层综采工作面“三机”配套图

支架中心距1.5m，采用邻架控制，支架重量约6.3t。支架采用了分离式手动先导换向阀，即：先导阀和主阀分别安装在本架和邻架上，它们之间通过一根多芯管连接，实现支架的邻架操作，称作：邻架手动先导换向阀。邻架手动先导换向阀采用了多芯管邻架控制技术，使阀的接管简单、快速、可靠，一管过架，易于布置安装，大大节省了支架的生存空间，改善支架的作业环境，由于液压系统管路的大大简化使液压系统的可靠性大大提高。
选择了MG100/240-BW1型采煤机和SGZ630/132型工作面刮板输送机作为工作面主要设备。采煤机采高范围0.75～1.45m，适应倾角≤50°，滚筒直径900mm。
自2009年1月应用滚筒采煤机配电液控液压支架综合机械化技术开采大倾角极薄煤层以来，已累计生产出原煤10.639 万t，开采面积达到49440m2。其中，单月最大原煤产量为1.52万t，开采面积12000m2。
通过滚筒采煤机配电液控液压支架开采与原炮采工艺的比较，前者月均产量提高6000t以上，全年可多生产原煤7万t，多增加收入2800万元；成本可降低10元/t，从而降低支出144万元；在瓦斯治理提前达标的情况下，月生产可实现2万t以上，全年将多创造效益8000万元以上。滚筒采煤机配电液控液压支架开采不但明显降低了工人的劳动强度，同时在安全上很好地解决了工作面的顶板支护问题，防止了顶板事故的发生，改善了工人的工作环境，还大大提升了职工队伍的技术水平，从而产生了巨大的社会效益。
需要进一步完善的事项：
(1)液压支架的侧护板和底调太短，在拉架时，下架对上架的支撑力不足，容易造成支架前探梁下移，对保证运输机不下滑没有起到应有的作用；同时会造成架间漏矸，给顶板管理带来难度，应作设计修改。

(2)工作面设计为220m，长度太长，推溜时容易造成运输机不平直，经常卡链，影响生产，工作面布置时，应缩减长度，以100m左右为宜。

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