特厚煤層大采高綜放工作面成套裝備關鍵技術

金 強

（太原東山煤電集團有限公司， 山西 太原 030013）

引言

在現階段全國煤炭總可采量中，厚及特厚煤層大約占43%，平均每年的煤炭產量占總產量的40%左右。大采高綜放技術因具有效率高、產煤量高、機械化水平高且耗能較低的特點，成為了中國現階段特厚煤層開采技術的主要發展方向，其“三機”配套裝備及其可靠性能對提高煤炭開采的安全與高效以及高采出率發揮著重要的作用[1]。

1 工程概況

1.1 某大采高綜放工作面概述

本文以某大采高綜放工作面為研究對象，其全長為207 m，且有2965.9 m的推進長度，工作面所開采的煤層厚度平均為17 m，最大厚度為20 m，且煤層的單軸抗壓強度為15 MPa左右，最大抗壓強度為25 MPa。整個礦區沒有高溫熱還區，每百米的低溫梯度是2.41℃左右。由于該礦井是瓦斯礦井，煤層中儲存了平均每噸1.95 m3的瓦斯相對涌出儲量，且礦井中的瓦斯絕對涌出量能夠達到50 m3/min。另外，該工作面綜放實驗礦區的煤塵存在37%的爆炸指數，且有著68 d的自然發火期，存在爆炸的可能性。

1.2 煤礦3號—5號煤層頂底板巖性

煤礦3號—5號煤層偽頂為灰黑色炭質泥巖，局部為0.33 m，且不穩定；直接頂厚度為2.50～6.43 m，下部由高嶺巖、巖漿巖以及灰黑色炭質泥巖組成，上部主要由巖漿巖、2號煤層以及深灰色的高嶺質泥巖組成，中部主要由發生了硅化的煤以及煤線組成。煤礦的基本頂厚度為11.30～27.35 m，由上到下分別由山4號煤層、巖漿巖、硅化煤、粉砂巖、細砂巖、高嶺質泥巖、砂質泥巖等多種煤質組成。煤礦的直接底處煤層煤質較為松脆，且極容易破碎，煤層的厚度為1.50～9.17 m，分布著砂質泥巖、灰褐色高嶺質泥巖，并夾雜煤屑。而煤礦的基本底大體上是外表呈深灰色的粉砂巖，并伴有少量的細砂巖分布，最底部含有呈灰白色的含礫中以及粗砂巖，部分區域存在少量的細粉砂巖。

1.3 實驗工作面煤層條件

3號—5號煤層在火成巖侵入的影響下開始硅化，形成了復雜的煤層結構。硅化由煤層的上部開始，導致煤層最上方的煤質較為松散，但質地較硬，而中部煤層的結構卻極為細碎蓬松，且性脆容易破碎，最下部的煤質與上部以及中部的煤質相比更為穩定，且較為堅硬，這樣的上中下三種完全不同的煤質狀態形成了某工作面特殊的煤層結構，如圖1所示。

圖1 3號—5號煤層結構圖

3號—5號煤層特性使放煤工作提高了難度。若將割煤高度提升至4.5 m左右，很可能引發頂煤從梁端前冒落或因壓力作用導致礦區的煤壁變形、破損以及塌落的現象。除此之外，如果一次放頂煤高度達到15 m，也會加大工作面頂板壓力對液壓支架的沖擊，產生不可估量的后果。

2 大采高綜合工作面裝備

2.1 大采高綜放液壓支架

在特厚煤層大采高綜放開采的過程中，由于頂部煤層較厚，并且具有極大的冒放空間，一定程度上增加了頂板的移動范圍。當支架與頂板相互作用時，雙方之間的合力作用點會出現較大的變動。通過對工作面進行礦壓的觀測，明顯發現了頂板周期來壓時產生了立柱與前立柱進行交替增阻，因此，根據煤層情況分析可知，在工作面中應用四柱正、四連桿式的放頂煤支架更為合適[1-2]。

按照割煤高度要求以及支架圍巖耦合參數優化，可得出工作面支架主要技術特征參數為：支架高度為2800～5200 mm，頂梁長度為5614 mm，支架的中心距為1750 mm，底座柱窩中心和頂梁柱冒之間的水平距離為401 mm，支架的作業阻力為15000 kN。圖2是根據工作面支架主要技術特征參數研制出的液壓支架。

圖2 液壓支架

大采高綜放開采對液壓支架的抗沖擊性能要求更嚴格，需要大缸徑雙伸縮抗沖擊立柱。為了滿足立柱受沖擊時的流量要求，研制了每分鐘1000 L的大流量安全閥快速卸載裝置，使液壓支架抗沖擊性得到有效提高。

2.2 電牽引采煤機

電牽引采煤機的總裝機功率為1945 kW，其截割功率為750 kW，且截割高度最低為2.9 m，最高為5.5 m，電牽引采煤機的最大牽引力和牽引的速度分別為2×570 kN與15～25 m/min。該參數下的電牽引采煤機符合綜放工作面的需求，其關鍵技術主要有在研究不同型號采煤機的結構、功能、可靠性、防爆性、優化組合等方面上，實現了采煤機機電一體化。對采煤機牽引行走系統進行了調節與優化，使牽引行走系統的可靠程度得到提升。開發了具備全循環采煤工藝過程自學功能的采煤機自動操縱控制系統，使采煤機操縱者工作強度降低。將可靠性分析軟件RelexStudio與采煤機相結合，進一步提升了采煤機的可靠程度。構建了相關的點牽引采煤機壽命周期內可靠性分析方法對關鍵零件的故障樹進行分析，使采煤機可靠性的預估精度得到了提升。

2.3 后部刮板輸送機

為了保證后部刮板輸送機有足夠的裕量，滿足工作面煤礦年產值的要求，研制了輸送能力為每小時3000 t，槽寬為1200 mm的后部刮板輸送機，如圖3所示。

圖3 后部刮板輸送機運煤斷面

為了滿足煤礦特厚煤層大采高綜放工作面的輸送需求，所使用的大運量SGZ1200/2×1000型后部刮板輸送機具備以下特點：具有大功率閥控液力偶合器。配備了綜合控制集成傳輸系統，能夠在對工作現場進行監控，并進行集中監控。具有可靠程度高、壽命長的中部槽。采用了高承載、高強度的鏈傳動系統。安裝了礦用1000 kW減速器和伸縮機尾架結構以及自動伸縮機尾電液控制系統，以及緊湊型、高強度的端卸機頭架。

3 井下應用效果

工作面設備配套有：ZF15000/25/52支撐掩護式液壓支架、MG750/1915-GWD采煤機、SGZ1200/2000后部刮板輸送機。試驗期間，液壓支架事故影響生產時間0；采煤機事故影響生產時間共31 h 5 min，開機率98.45%；刮板輸送機事故影響時間共17 h 15 min，開機率98.95%，取得了良好的效果。

4 結語

“三機”成套裝備的參數選擇是大采高綜放特厚煤層開采工作面安全高效開采的重要環節。在大采高綜放工作面中，大流量安全閥快速卸載裝置與大缸徑雙伸縮抗沖擊立柱的開發提高了液壓支架的抗沖擊性。高效可靠的電牽引采煤機與可靠性分析方法提高了采煤機的可靠程度。大運量后部刮板輸送機滿足了工作面的需求。可見合理的“三機”配套裝備大大提高了產煤量。

[1]馬沛林.特厚煤層大采高綜放開采關鍵技術探析[J].機械管理開發，2016（5）：148-150.

[2]肖剛.特厚煤層大采高綜放開采關鍵技術論述[J].工程技術，2016（5）：118.

[3]匡鐵軍.特厚煤層大采高綜放工作面端部覆巖活動規律研究[J].煤炭科學技術，2016，44（6）：188-193.

（編輯：趙婧）