刨运机配电液控液压支架开采模式

731 编辑：来源：北京智宏科信科技发展有限公司

2023-11-27 15:58:06

一、项目背景

某公司研发出适用于煤层倾角70°以下的急倾斜薄煤层走向长壁伪斜综采工作面或煤层倾角60°以下的正倾斜综采工作面的刨运机和液压支架，并根据实验工作面的条件制定出了相应的采煤工艺，为大倾角薄煤层工作面的安全高效开采提供了新的技术装备。

二、特点及适用条件

1.特点
刨运机配电液控液压支架开采模式是根据急倾斜薄煤层的特点设计的，工作面沿走向推进，具有以下优点：
（1）刨运机梁既做刨头的承载体，又做移架横梁，省略了输送机。
（2）采煤时，刨运机是全工作面同时运转割煤，不存在斜切进刀段，对工作面长度要求低，开采工艺比较简单。
（3）与电液控液压支架配套使用后无需司机跟机作业，实现了落煤期间工作面内无操作人员的目标，为智能化无人工作面打下基础。
（4）设备小巧、重量轻，便于安装、拆卸。多数急倾斜薄煤层赋存条件差，不易布置出大型正规工作面，多数工作面的伪斜长在100m以下，走向长度一般为500~600m，因此工作面搬家倒面次数多。而急倾斜薄煤层工作面作业空间狭窄，面内设备安装多为悬空作业，难度和危险性比缓倾斜工作面大的多。因而要求设备不但小巧、重量轻，而且便于安装、拆卸，而刨运机最符合这样的要求。
2.适用条件
与滚筒采煤机配电液控液压支架、刨煤机配电液控液压支架开采模式相比，刨运机配电液支架开采模式在大倾角薄煤层开采方面具有更广泛的适用性，其适用条件如下：
（1）煤层倾角：可适用于煤层倾角70°以下的急倾斜薄煤层走向长壁伪斜综采工作面或煤层倾角60°以下的正倾斜综采工作面。
（2）煤层厚度：适合0.8m以上的煤层。
（3）煤层硬度：软及中硬煤层。
（4）煤层赋存情况：夹矸少，顶板中等稳定，无断层。

三、关键技术

1、刨运机梁防滑技术
在急倾斜走向长壁工作面中，刨运机梁上装配着刨头、刨链、驱动链轮、变速箱和电机，合计重达50多吨。刨运机的工作过程主要分为三个阶段：
① 刨运机梁在摇摆千斤顶的作用下从底板抬升，尚未与煤壁接触；
② 刨运机梁到顶板后，推移千斤顶伸出，刨运机割槽；
③ 割槽结束后，推移千斤顶不施加主动的推力，刨运机梁在自重和摇摆千斤顶拉力的作用下，下行割煤。
在刨运机落煤期间，这根重50多吨的刨运机梁，将在几乎垂直的空间整体往复摆动。在此梁摆动期间，控制其下滑将是成功开采的关键。
为此，设计了三套机构。
① 三架一组的斜拉千斤顶。该机构的技术关键是在千斤顶活塞杆伸出时，仍需保持对刨运机梁向上拉力；
② 在上顺槽内安装一根防滑千斤顶，通过固定在顺槽顶板上的滑轮与刨运机上端头连接，承受刨运机上端头驱动链轮的动载荷及设备下滑的静载荷，防止刨运机下滑。
③ 加强推移千斤顶抗弯能力，使其不但能挑起本段刨运机梁并具有3~5倍安全系数。
（1）三架一组软连接防滑机构
刨运机斜拉防滑机构由斜拉千斤顶和防滑链构成。防滑千斤顶的一端固定在支架底座上；另一端通过钢链与其下方第三个支架对应刨运机梁上端相连。工作面内除上、下端头处的三个支架外，其余支架每3个支架一组与刨运机梁连接。该防滑千斤顶的特殊之处是在刨运机梁抬起、前移运动时，防滑千斤顶不但要随之伸出，而且要求它仍对刨运机梁有一个向上的拉力，防止梁在运动下滑。该功能通过对液压控制系统的特殊设计得以实现。

从图1可知，在此防滑机构中，防滑链固定于刨运机梁的上端，不影响工作面的移架作业，并有利于对刨运机梁的上拉作用。

图1 刨运机防滑机构示意图

（2）工作面刨运机组上端头防滑机构

图2 刨运机组上端头防滑机构

由于在急倾斜工作面，在割煤过程中，刨运机上端的驱动链轮除承受刨链和刨头下滑的静载荷外，还要承受割煤的动载荷，因此刨运机组上端头的防滑成为整个刨运机防滑的关键。为此，在上顺槽安装一根Φ250/200mm，行程700mm的液压千斤顶，其推力为1545kN，拉力为556kN。其一端固定在顺槽中；另一端通过钢链，绕过悬挂在顺槽顶板上的滑轮，与刨运机变速箱连接，承受刨运机上机头的动静载荷，阻止其下滑。
（3）高抗弯强度推移千斤顶
刨运机在工作过程中，支架的推移千斤顶一方面具有移刨运机和移架的作用，另一方面承受着刨运机梁的下滑力具有阻止刨运机下滑的作用。因此在设计的过程中应加大推移千斤顶的抗弯能力，使其不但能挑起本段刨运机梁，且具有3~5倍安全系数。
2、工作面液压支架防倒防滑技术

（1）工作面中间支架防倒防滑装置

图3 工作面支架的防倒防滑装置

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活动侧护板（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（见图3）。这是急倾斜支架基本的防倒防滑性能要求。需要说明的是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1~3架称为排头支架组，简称排头支架，是急倾斜综采工作面设备的基准，解决排头支架防倒防滑是急倾斜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装置（见图4）。
（3）排尾支架防倒防滑

工作面最上1~3架称为排尾支架组，简称排尾支架，主要是控制排尾支架正常运作，当出现不正常状况时，一般是由上而下调节，包括顶梁防倒、底座前、后调架防滑等装置（见图5）。

图4 排头支架防倒防滑装置

图5 排尾支架防倒防滑装置

3、工作面挡矸技术
（1）支架挡矸板和挡矸帘
在支架顶梁和底座前端分别安装一块挡矸板，不用时将挡矸板扣锁在顶梁和底座上。在支架支撑高度较低时，仅将底座上的挡矸板翻起，防止坠落物进入支架内；在支架支撑高度较高时，将顶梁上的挡矸板翻下，形成一道密闭墙，将落煤通道与支架空间隔开。挡矸板朝煤壁倾斜，将下落物挡向煤壁，形成阶梯状下落，以减弱下落物的冲击力。
在挡矸板后边行人空间前，在支架顶梁上布置一排半圆形挂钩，悬挂钢链网，钢链规格Φ10×13。当支架升高时，它随之增长，将支架内部挡严。同时，钢链网的下方与支架底座固定，以保证能有效遮挡住下坠物。
（2）挡矸弹簧板

在急倾斜工作面矸石紧随支架后部，当支架略微降架时，矸石便会挤进支架顶梁与顶板之间，影响支架支护质量。而在下一次移架时，又会有更多的矸石挤入此缝隙，往复下去，支架难于控制。为此在支架顶梁后端增设一条向采空区顶板弯曲，略高于顶梁弹簧钢板，见图6。支架顶梁支撑顶板时，弹簧钢板回缩；移架时弹簧钢板弹起，仍与顶板靠紧，阻止矸石进入降架的缝隙中。

图6 弹簧挡矸板

四、配套采煤工艺

1、回采工艺流程
刨运机综采试验工作面回采工艺流程如下：
打开全工作面各个刨运机梁升降千斤顶的总阀进液口，抬起刨运机梁，使上部刨刀头抵至顶板，关闭此阀门——启动刨运机，待其正常运转后——打开全工作面各组液压支架推移千斤顶的总阀进液口，各支架推移千斤顶统一推出，将刨运机压入煤壁；割煤——当刨运机梁全部推入煤体，截深达0.3m时，打开全工作面各个刨运机梁升降千斤顶的总阀回液口，升降千斤顶回缩，刨运机在拉力和自重作用下，下行割煤——在刨运机下行割煤过程中，当上链刨刀与顶板间有30cm距离后，打开全工作面各组支架前探梁千斤顶总阀进液口，使前探梁伸出，及时支护顶板——当刨运机下部刨刀割至底板时，刨运机停止运转；——再次抬起刨运机梁，重复上述动作，割第二刀煤。——两刀煤割完后，刨运机停止运转，横梁位于底板，准备移架——由工作面下方逐个前移支架。
在前移工作面下端头前5架排头支架中的第2组支架前，先检查上、下两组支架支撑是否可靠，必要时给这两组支架补液加强其支承阻力。操作人员应在第3组支架上邻架操作第2组支架。待第2组支架带压前移到预定位置后，检查该支架是否有下滑、歪倒现象；如有，可利用防倒防滑装置，将其校正，使其处于正常垂直顶底板支撑状态后，再给液，使其牢固地支撑在顶、底板之间。按此方式前移3、4、5组支架，最后前移第1组支架。该支架推移到位后，可用通过圆环链与第二组支架相连的防滑千斤顶调整支架处于平行煤层走向的状态，然后支撑顶底板。由下而上的按此方式前移工作面的各个支架，直到上端头；工作面完成一个正规循环，准备开始下一个循环。
2、刨运机割煤
（1）刨运机割煤方式
在急倾斜薄煤层开采中，刨运机建议采用上行单向割煤的方式，理由是：
①刨运机自上而下从煤层顶板割至底板，当下链单独刨煤时，下刨链受到煤壁向上的截割阻力，使刨运机梁受到向上的力，抵消了一部分刨运机的下滑力，减小机组下滑，同时也有利于减小牵引阻力。
②当刨运机上行割煤时，下刨链带动刨头向下运行中，顺煤流而动，有利于煤块的下滑运移；反之，下刨链带动刨头向上逆煤流运行，不但将煤破的十分碎，而且是做无用功。
现以一个正规采煤作业循环为例，将刨运机割煤工艺流程分述如下：
刨运机开始割煤槽时，全工作面所有支架上的升降千斤顶一齐全部推出，使刨运机梁处于顶板之下，然后刨运机启动、待其运转正常后，全工作面支架上的推移千斤顶一齐逐步推出，将刨运机推入煤壁，开始割煤。当刨运机截槽深度达0.3m后，支架推移千斤顶停止进液、推出；而升降千斤顶回收，刨运机沿煤壁下行割煤，至底板，完成一个割煤循环。
（2）刨运机割煤质量要求
①工作面沿煤层顶板开采，不许超高超低，最低不能低于1.0m，最低采高设置的目的是使支架有足够的过人空间；当煤厚小于1.0m时割底。当刨运机需要割底或挑顶时，每刀高差不许大于1.5cm，逐渐吃刀。
②刨运机割煤过程中应保持一个平面推向煤壁割煤；否则其梁弯曲受力，易损坏；
③刨运机割过后，必须及时移架，以防止架前冒顶、片帮；
④在刨运机割煤时，必须严格按照采煤机安全操作规程的要求进行操作。
3移架
（1）移架工艺
在急倾斜工作面下端头的支架稳定是整个工作面稳定的关键，在下部用防倒千斤顶连起的5个支架拉移到位后，再以这些支架为支点自下而上的依次拉移，可保证工作面支架不会发生整体下滑，也可保证每个支架拉移时都有支点，不会发生倒斜。现将移架顺序描述如下：
①刨运机一次割煤
刨运机掏完槽后下行割煤，当上刨链的刨刀头距顶板有0.3m时，全工作面支架前探梁伸出0.3m，及时护顶。
②刨运机二次割煤
当刨运机二次割煤开始下行割煤，上刨链的刨刀头距顶板有0.3m时，全工作面支架前探梁再前伸出0.3m（共0.6m），及时护顶。
③工作面移架
采用邻架控制方式移架。移架顺序为自下而上带压移架，先移下端头支架，再移排头支架，使上邻架始终以下邻架为依托前移。通常移架时相邻两架的顶梁高差不超过10cm，以防止顶梁咬错，造成背架，出现倾倒、错位。支架调整以下邻架为依托，通过侧护板、底调梁调整支架支护状态，使其垂直于顶底板支撑，平行于煤层走向布置。
移架的动作为：收下侧护板→降柱(保持一定压力)→移架(擦顶移架)→升柱(保持初撑力)。
（2）移架质量要求
①必须严格按移架安全操作规程进行移架，其移架的程序是：收下侧护板→降支架立柱(保持一定压力)→以刨运机梁为支点，用移架千斤顶移架0.6m→升起支架立柱，保持几秒钟使支架达到额定的初撑力；
②为保证拉架时不致将刨运机梁后拉，在移架时，应将邻架的推移千斤顶处于前推位置或闭锁；
③当顶板碎破时，支架前探梁应及时伸出维护顶板；
④在移架时，必须使上下支架的错距一致，使工作面支架保持成一条直线，平行于煤壁，其直线误差在±4mm以内。

五、实例介绍

JBB-Ⅰ型急倾斜薄煤层刨运综采机组，通过液压支架及刨运机的型式试验及现场审核，已取得国家安全标志证书。2010年3月在生产基地通过地面初次运转试验，6月在某煤业公司顺利通过地面组装和联调试验。7月，机组及相关设备在工作面进行工业性试验，试验工作面煤层厚度为1.3~1.5m，倾角70°以上，工作面的主要设备及参数如表1所示。
该设备的主要特点如下：
（1）利用急倾斜煤层特点，刨运机梁既做刨头的承载体，又做移架横梁，省略了输送机。
（2）在刨运机落煤期间采用电液控制，刨运综采机组无需司机跟机作业，实现了落煤期间工作面内无操作人员的愿望，一方面利于安全生产，另一方面为智能化无人工作面打下基础。
（3）刨运机的驱动电机由两台矿用变频器控制，即可提高驱动电机的启动转矩、保证驱动电机的功率平衡，又可根据煤层的硬度，调节刨运机的切割速度，提高效率。

（4）采煤时刨运机是全工作面同时运转割煤，不存在斜切进刀段，对工作面长度要求低，开采工艺比较简单。

表1 工作面主要设备及参数

经现场工业性试验，该开采模式取得了较满意的技术经济效果，为大倾角薄煤层工作面高产高效开采提供了新的技术装备。
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