同發(fā)東周窯千萬(wàn)噸礦井建設(shè)機(jī)電關(guān)鍵技術(shù)

葉志勇 孟國(guó)勝

(1.大同煤礦集團(tuán)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(tuán)有限責(zé)任公司)

目前，千萬(wàn)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(wàn)噸礦井的鮮明特點(diǎn)是裝備的大型化及控制系統(tǒng)的智能化、高端化，機(jī)電裝備是千萬(wàn)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(yùn)設(shè)備及輔助設(shè)施是千萬(wàn)噸礦井的關(guān)鍵設(shè)備，該類設(shè)備能否安全可靠運(yùn)行直接決定礦井能否安全高效生產(chǎn)[3-6]。因此，有必要對(duì)千萬(wàn)噸礦井關(guān)鍵機(jī)電裝備進(jìn)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(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)設(shè)備及應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行改造，使設(shè)備安全可靠運(yùn)行，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

同煤集團(tuán)同發(fā)東周窯礦是繼塔山礦、同忻礦之后的第3座千萬(wàn)噸級(jí)礦井，也是同煤集團(tuán)“十二五”發(fā)展規(guī)劃建設(shè)的“東—馬—潘”循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)的主力礦井。礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力1 000萬(wàn)t，2008年8月開(kāi)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(kāi)拓，中央并列抽出式通風(fēng)方式。機(jī)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(shí)際情況，對(duì)主副提升機(jī)、主通風(fēng)機(jī)、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(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)地面供電、井下供電、信息化控制等供配電系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，對(duì)采掘運(yùn)設(shè)備及輔助設(shè)施等機(jī)電項(xiàng)目的設(shè)備選型、安裝和運(yùn)行等可靠技術(shù)進(jìn)行討論，優(yōu)選出適合千萬(wàn)噸礦井的機(jī)電成套裝備，此外，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)電設(shè)備運(yùn)行存在的問(wèn)題，對(duì)相應(yīng)的改造建議進(jìn)行探討，確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

1 大型固定機(jī)械

1.1 主副提升機(jī)

礦井主提設(shè)備選用DTL180/2×2240型膠帶輸送機(jī)，提升高度468.6 m，斜長(zhǎng)1 703.4 m，角度16°。提升系統(tǒng)配套4臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)，頭部集中驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)配套西門子無(wú)諧波高壓變頻軟起動(dòng)裝置，降低了起動(dòng)和停車對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，有效控制設(shè)備軟啟動(dòng)和軟停車的動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了各驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)之間的功率平衡和速度同步，有效抑制膠帶輸送機(jī)動(dòng)態(tài)張力波可能對(duì)膠帶和機(jī)械設(shè)備造成的危害，延長(zhǎng)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(qiáng)度、大帶寬、多鋼絲繩輸送帶，運(yùn)輸能力4 000 t/h，帶速5.6 m/s，帶寬1 800 mm，帶強(qiáng)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(jī)選用JKMD-3.25×4(I)型落地式多繩摩擦輪提升機(jī)，提升高度482.8 m。副斜井提升機(jī)選用JK-4×2.5/31.5型單繩纏繞式提升機(jī)，提升斜長(zhǎng)1 282.6 m，提升傾角22°。副井提升均配套選擇德國(guó)西門子ABB直流調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)直流傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，運(yùn)行平穩(wěn)，各種保護(hù)齊全，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，減少了人工操作失誤率，生產(chǎn)效率大幅提高。

存在問(wèn)題及針對(duì)性建議：

(1)主提升DTL180/2×2240型膠帶輸送機(jī)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(chǎng)地附近設(shè)計(jì)安裝大功率絞車，用于更換膠帶；在井下機(jī)尾處開(kāi)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(jī)受料點(diǎn)落差16 m的溜煤筒未設(shè)計(jì)緩沖裝置或大型受料給煤機(jī)，致使煤流量不均勻，易造成受料101皮帶輸送機(jī)尾壓煤、歘煤等事故。生產(chǎn)實(shí)踐中，可將溜煤筒改造為“S”形，提高緩沖效能，有效緩解機(jī)尾壓煤?jiǎn)栴}，減少事故發(fā)生。建議安裝大容量大型給料機(jī)，徹底解決該類問(wèn)題。

(3)副斜井提升機(jī)房在設(shè)計(jì)中將電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)安裝于機(jī)房?jī)?nèi)，未能充分考慮噪聲污染，建議將其設(shè)計(jì)安裝于機(jī)房外，從源頭上遏制噪聲污染。

1.2 主通風(fēng)機(jī)

主通風(fēng)機(jī)配套AGF606-3.8-1.8-2型雙級(jí)抽出式軸流通風(fēng)機(jī)。AGF606型通風(fēng)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的安全高效能軸流通風(fēng)機(jī)。AGF606型通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方便，可以選擇液壓動(dòng)葉調(diào)節(jié)裝置，也可通過(guò)停機(jī)一次調(diào)節(jié)葉片角度，實(shí)現(xiàn)方便調(diào)節(jié)。通過(guò)1臺(tái)稀油潤(rùn)滑站向軸承組件箱、電機(jī)軸承等摩擦部位供送潤(rùn)滑油，無(wú)需人工注油，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該型設(shè)備配套有級(jí)變頻無(wú)級(jí)調(diào)壓軟起動(dòng)裝置，電動(dòng)機(jī)通過(guò)頻率變化的2個(gè)階段加速，完成從靜止到全速的加速過(guò)程。

AGF606型通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中風(fēng)道閘板式風(fēng)門存在倒機(jī)時(shí)運(yùn)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(wèn)題。建議升級(jí)改造為旋葉式風(fēng)門，縮短倒機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)快速、安全倒運(yùn)行。

1.3 壓風(fēng)制氮設(shè)施

壓風(fēng)制氮車間設(shè)計(jì)采用地面集中布置方式，易于實(shí)現(xiàn)集中管理，占地面積小，減少基建工程投資。設(shè)計(jì)配套ML350-2S型螺桿空氣壓縮機(jī)9臺(tái)，為井下風(fēng)動(dòng)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(shí)滿足井下2個(gè)工作面注氮量的需求。

壓風(fēng)制氮設(shè)施在運(yùn)行中存在的問(wèn)題是空氣壓縮機(jī)進(jìn)風(fēng)口與制氮機(jī)出氣口方向設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)風(fēng)口朝北，易吸入塵土和雜物，對(duì)設(shè)備造成損傷；制氮機(jī)出氣口朝向辦公和生活區(qū)域，對(duì)工作人員易造成噪聲污染。建議在制氮機(jī)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(jì)安裝5臺(tái)MD450-60×9型礦用耐磨泵，2臺(tái)工作、2臺(tái)備用、1臺(tái)檢修。配套5臺(tái)QBRG-150/10K型高壓軟起動(dòng)器控制水泵起停；設(shè)計(jì)安裝1套PLC全自動(dòng)排水系統(tǒng)，根據(jù)操作臺(tái)集中控制鍵開(kāi)停水泵，自動(dòng)完成從抽真空(無(wú)需人工灌引水)、開(kāi)閥選擇排水管路、起泵排水的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)排水自動(dòng)化。

設(shè)備運(yùn)行中存在的問(wèn)題是泵房?jī)?nèi)D426排水管路未設(shè)計(jì)安裝閘閥，給后期電動(dòng)閘閥檢修和維護(hù)帶來(lái)了不便。建議射流泵管路設(shè)計(jì)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(chǎng)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(chǎng)地建有1座35/10 kV變電站。供電電源選擇110 kV電壓等級(jí)。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(dá)到線路的經(jīng)濟(jì)截面所需的線徑比35 kV線路小。副井工業(yè)場(chǎng)地和主井工業(yè)場(chǎng)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(jī)容量的提高對(duì)10 kV供電電網(wǎng)產(chǎn)生的壓降及沖擊電流帶來(lái)的影響。礦井供電電源及地面主運(yùn)、副提、主扇、壓風(fēng)制氮設(shè)備等重要負(fù)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(fù)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(jì)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(dú)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(jìn)線，形成Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段母線段，通過(guò)2個(gè)聯(lián)絡(luò)高爆開(kāi)關(guān)，構(gòu)成“三回路雙聯(lián)絡(luò)”供電系統(tǒng)。通過(guò)不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，其中Ⅲ段母線段專為掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)供電，另外2個(gè)母線段分別為綜采、綜掘等回采工作面供電。升級(jí)后的供電系統(tǒng)消除了原局部通風(fēng)機(jī)與動(dòng)力線路在同一母線段的制約因素，提高了局部通風(fēng)機(jī)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(tái)，建設(shè)了瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、無(wú)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(jī)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(jì)不合理的問(wèn)題。波紋管布置于弱電管溝內(nèi)，由于地面壓力會(huì)造成波紋管變形破裂，且季節(jié)性雪雨水會(huì)滲入波紋管，沉積的泥沙會(huì)將其堵塞，給檢修工作帶來(lái)了不便。建議將弱電管溝設(shè)計(jì)改造為電纜溝，以便于線路巡查維修和更換。

3 采掘運(yùn)機(jī)械

3.1 采掘機(jī)械

該礦綜放工作面采用單一走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化低位綜采放頂煤開(kāi)采工藝[7-8]，引進(jìn)德國(guó)艾柯夫SL-500采煤機(jī)，卡特彼勒PF6系列刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)，鄭煤機(jī)ZF13000液壓支架，配套使用英國(guó)B&F公司2 500 kVA和3 150 kVA負(fù)荷中心，順槽選用DSJ140/350/3×500帶式輸送機(jī)等設(shè)備，綜合機(jī)械化程度達(dá)到了100%，設(shè)備引進(jìn)率達(dá)到了95%。工作面采煤機(jī)采用IGBT逆變變頻器，有效控制截割電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)恒功率控制。前后刮板輸送機(jī)配套有CST機(jī)電軟起動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)空載起車到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的功能，并在緊迫停車或突然斷電時(shí)，實(shí)現(xiàn)可控停車。工作面和順槽皮帶機(jī)引進(jìn)德國(guó)貝克全自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域自動(dòng)化。該類大功率、大容量、高強(qiáng)度、高效率機(jī)電設(shè)備引進(jìn)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(lái)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(jì)工作阻力為13 000 kN，建議加大支架工作面阻力設(shè)計(jì)，由13 000 kN 改變?yōu)?5 000 kN。

在開(kāi)采過(guò)程中，若前后刮板輸送機(jī)同時(shí)達(dá)到3 500 t/h 運(yùn)輸能力，轉(zhuǎn)載機(jī)無(wú)法滿足運(yùn)輸要求，易出現(xiàn)“壓死”、“憋死”事故。建議優(yōu)化開(kāi)采工藝，控制前刮板輸送機(jī)割煤與后刮板輸送機(jī)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(kāi)采，同發(fā)礦井引進(jìn)了英國(guó)多斯科LH1400H硬巖掘進(jìn)機(jī)和MK5全巖掘進(jìn)機(jī)，服務(wù)于礦井機(jī)掘巷道開(kāi)拓。2種機(jī)型裝機(jī)功率分別為430，590 kW，具有裝機(jī)功率大、截割扭矩大、截割斷面范圍廣、機(jī)身穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，確保了特殊條件下巷道安全高效掘進(jìn)。

3.2 運(yùn)輸機(jī)械

井下運(yùn)輸主要由回采順槽DSJ140和盤區(qū)DTL160型膠帶輸送機(jī)組成。DSJ140和DTL160 2種機(jī)型驅(qū)動(dòng)部分均采用頭部集中驅(qū)動(dòng)，配套選擇10 kV 電動(dòng)機(jī)+VOITH調(diào)速型液力偶合器+SEW硬齒面減速器軟啟動(dòng)方式，大大降低了起車和緊急制動(dòng)時(shí)輸送帶的動(dòng)張力，減少了啟車時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和啟動(dòng)過(guò)程中各承力部件的動(dòng)載荷，延長(zhǎng)了減速器、電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)功率平衡。

地面原煤運(yùn)輸系統(tǒng)主要由101、111、112 3部皮帶輸送機(jī)組成，選型參數(shù)均存在偏小問(wèn)題，運(yùn)行中在重載起車、滿載運(yùn)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(guò)數(shù)次提能技術(shù)改造，將原設(shè)計(jì)膠帶帶強(qiáng)、帶速、運(yùn)輸能力和驅(qū)動(dòng)設(shè)備額定功率等技術(shù)參數(shù)均進(jìn)行了重新核實(shí)，充分考慮了惡劣的運(yùn)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(jī)帶強(qiáng)全部更換為ST2000，帶速提升為4.5 m/s，運(yùn)輸能力提升為4 000 t/h，電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)的額定功率全部提升了等級(jí)，并改造應(yīng)用了10 kV 高壓?jiǎn)?dòng)控制技術(shù)。通過(guò)改造，徹底杜絕了原煤皮帶輸送機(jī)事故，提升了運(yùn)輸能力。

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

井下無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸主要由支架搬運(yùn)車、多功能車、客貨兩用車和人車等運(yùn)輸車輛組成。采用無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸材料設(shè)備和人員，機(jī)動(dòng)靈活、效率高、安全可靠，實(shí)現(xiàn)了綜采搬家倒面時(shí)重型設(shè)備不拆卸、不轉(zhuǎn)載整體一條龍快速搬運(yùn)，既減少了工作面非生產(chǎn)時(shí)間，又減少了巷道軌道鋪設(shè)，節(jié)約了成本。主要缺點(diǎn)是支架搬運(yùn)車、鏟運(yùn)車等設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度低，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用較高，對(duì)巷道底板要求較嚴(yán)格。若增加投入進(jìn)行輔助運(yùn)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(yùn)輸效率和安全性。

4 輔助設(shè)施

機(jī)電聯(lián)合修理車間由設(shè)備中轉(zhuǎn)庫(kù)、綜掘液壓設(shè)備修理車間、機(jī)修車間和電氣車間組成，主要承擔(dān)礦井機(jī)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(hù)和修理任務(wù)。

聯(lián)合車間設(shè)計(jì)為一體，占地面積7 128 m2。建議各生產(chǎn)車間單獨(dú)設(shè)計(jì)，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(shí)間較長(zhǎng)，諸如液壓支架、采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)等大件設(shè)備長(zhǎng)時(shí)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(lái)了不便。建議設(shè)計(jì)增大車間使用面積，提供液壓支架和采掘機(jī)械等大型設(shè)備的存放和修理空間。

5 結(jié) 語(yǔ)

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