大采高綜采工作面大塊煤破碎關鍵技術與裝備

陳必貴

（陽泉市燕龕煤礦有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著我國科研投入的增加，礦山機械化開采水平顯著提高。其中應用于大采高綜采工作面的技術及設備有了長足的發展。采用大采高開采可以在保證安全生產的同時提高生產效率，降低煤炭的損失率。這十分符合我國的可持續發展戰略，所以此項開采技術應大力推廣。然而開采擾動的范圍會因采高的增加而擴大，工作面礦壓會逐漸顯現動力特征，這會導致采用大采高綜采技術的巷道內發生大塊煤壁從而發生垮落甚至是片幫事故。一旦塊度較大的煤塊滑入輸送機就會對原煤的輸送造成不利影響。當大塊煤被輸送到輸送機的機頭位置時不易在卸載點處卸載，即使被成功卸載也難以進入轉載機的箱式輸送槽中，極易在輸送機的機頭處形成堵塞，導致生產停止，不僅會降低煤礦的生產效率還會造成安全隱患。因此亟待一種片幫大塊煤破碎綜合配套技術解決大采高綜采工作面大塊煤破碎的難題。

1 大塊煤破碎相關技術

大采高一次采全高工藝主要被應用于開采特厚煤層，相較于大采高綜放工藝，一次采全高工藝在采煤效率和資源利用率方面具有較大優勢。本文將兗礦集團金雞灘煤礦108工作面作為研究對象，進行大塊煤破碎配套技術的研究。

1.1 現場概況

該礦108工作面所開采的煤層埋深為246.1～256.3 m，工作面設計長度為300 m，沿走向長度為5500 m，傾角為0°～3°，最大采高為8.2 m，設計年生產能力1500萬t。此煤層屬于近水平全區可采較穩定的厚煤層。煤層巖性為砂巖和泥巖，巖體較脆容易垮落。

由于該工作面屬于近水平煤層，所以沿煤層走向推進，采用一次采全高綜合機械化采煤工藝，全部垮落法處理頂板。采煤機裝機功率2900 kW，液壓支架最大支護高度為8.2 m，刮板輸送機槽寬1400 mm，總裝機功率4800 kW，輸送長度320 m，交叉卸載。

1.2 大塊煤破碎裝置最佳安裝位置分析

從煤壁上垮落的大塊煤落入刮板輸送機后，被刮板攜帶到輸送機的機頭，然后轉移到轉載機上。因為轉載機與刮板輸送機相垂直，所以大塊煤在轉載機與刮板輸送機上的運動軌跡為L形，導致刮板輸送機的卸煤處成為易堵煤區[1]。防止發生堵煤事故最有效的方法是將大塊煤在輸送機機頭架卸載處之前就進行破碎。要求破碎裝置的安裝位置盡可能地靠近輸送機機頭架，避免發生片幫落下的大塊煤在破碎裝置的后部進入刮板輸送機。結合發生堵煤事故的機理和工作面的實際情況，大塊煤破碎裝置的最佳安設位置為靠近側卸機機頭架的過渡槽上。

1.3 大塊煤破碎裝置的安裝

大塊煤破碎裝置的驅動方式為液壓驅動，采用搖臂垂直擺動結構。為使液壓的推力達到最大，盡可能地減小液壓缸的動程，液壓缸的安裝位置盡量垂直于搖臂。根據大塊煤破碎裝置的安裝位置可分為擋板內、擋板外兩種[2]。具體安裝方式及優勢如下頁表1所示。

1.4 滾筒過煤空間的計算

設計大塊煤破碎裝置時必須考慮對刮板輸送機運輸原煤的影響。108工作面刮板輸送機的最大設計運輸量為Q=4500 t/h，運行速度為1.68 m/s，中部槽斷面面積為0.98 m2，計算原煤輸送量的公式為：

式中：Q為原煤輸送量，t/h；S為刮板輸送機中部槽斷面面積，取0.98 m2；μ為刮板輸送機的運行速度，取1.68 m/s；a為刮板輸送機中部槽裝滿系數，取0.9；b為載貨散集比例，取0.9。

通過式（1）計算得 Q=4801 t/h＞4500 t/h，因此破碎錘處于最低處時不會對原煤的運輸產生影響。

表1 大塊煤破碎裝置的配套方式

2 大塊煤破碎裝置設計

2.1 總體設計

大塊煤破碎裝置的設計需考慮安裝的位置、刮板輸送機過渡槽的構造、工作面高度、巷道寬度等因素。綜合以上因素將大塊煤破碎裝置主體設計為電機、減速器、截齒一體式結構，分成搖臂、滾筒、電動機、減速器、法蘭盤5個部分[3]。在搖臂的臂架上安裝電動機，減速器為行星減速器，動力依次通過電動機、花鍵、太陽輪和行星架傳遞到破碎滾筒，破碎滾筒依靠滾筒上的截齒進行破碎煤塊。

2.2 截齒布置方式

采煤機滾筒上截齒的布置方式會對采煤機的截割速率、塊煤率和穩定性有直接的影響。采煤機滾筒上截齒常見的布置方式有4種：順序式、棋盤式、畸變Ⅰ式和畸變Ⅱ式。其中棋盤式布置的滾筒在進行割煤時承受的荷載大小與波動均比順序式布置方式小，單塊煤率較高；畸變Ⅰ式與畸變Ⅱ式布置方式在荷載的平均值和塊煤率方面無太大差異，但畸變Ⅰ式布置方式進行割煤時滾筒承受的荷載波動小，轉矩卻較大。破碎滾筒與采煤機滾筒在截割煤工作時間方面存在一些差異，破碎滾筒不必持續割煤。將破碎滾筒設計為間歇式碎煤，只有大塊煤被輸送到過渡槽處時，破碎滾筒開始工作將大塊煤破碎，實際作業時間遠小于采煤機，將破碎滾筒的截齒設置為棋盤式即可滿足實際需要[4]。

采煤機滾筒上截線距的設計是否合理，對碎煤的塊度、截齒和滾筒的荷載以及截割比能耗產生直接影響。一般截線距與截齒切削厚度比值為2時截割比能耗最小。截割比能耗計算公式為：

式中：H為截割比能耗，kW·h/m3；R為煤的截割阻抗，kN/m；c為截割厚度，m；λ為煤的脆性指數；ω為截割厚度，m。

通過式（2）可知，截割厚度與截割比能耗呈負相關關系。

破碎滾筒單齒最大截割厚度計算公式為：

式中：h為單齒最大切削厚度，mm；μq為相對運動速度，取100.8 m/min；m為轉速，取174 r/min;n為單位截線上截齒數量，取3個。

通過式（3）計算得，破碎滾筒單齒最大截割厚度h=193 mm，因此選擇截齒截線距390 mm。

3 過載保護

本破碎裝置屬于大功率、大扭矩設備，為保障設備安全穩定運行，延長設備的使用年限，需為設備進行可靠性分析并提供保護。

大塊煤破碎裝置的太陽輪中間段設有剪切槽，一旦在破碎煤塊時截齒承受的轉矩超過最大預定轉矩，剪切槽便無法承受轉矩發生斷裂，電動機的動力就無法傳到破碎滾筒，電動機空轉就不會因荷載過大燒壞電動機，且滾筒和齒輪也能得到保護。將太陽輪設計為兩端開螺紋扣的空心軸，此設計既能使設備輕量化也方便更換。

太陽輪中心軸的扭矩計算公式為：

式中：Φ為剪切槽截面直徑，mm；T為加載轉矩，取2576N·m；ρ為材料最大荷載扭轉切應力，取55 MPa；θ為中心軸內徑，取20 mm。

通過式（4）計算得Φ≥62.92 mm，因此剪切槽截面直徑取65 mm。

在大塊煤破碎裝置碎煤過程中，液壓缸會因為煤塊在搖臂上的作用而受到一個拉力的作用。當煤塊的硬度比較高或者出現夾矸時，刮板會對煤塊施加一個較大的作用力，此作用力傳遞到液壓缸上，會由于大塊煤無法被破碎而持續增加，有可能導致液壓缸爆缸。因此在液壓缸的進液口上安裝泄壓閥，一旦壓力過高就會打開閥門進行泄壓防止爆缸造成生產事故。

4 現場應用效果

該煤礦108工作面進行綜采工作面大塊煤破碎技術現場試驗。在應用該技術之前，煤塊的塊度最大能達到2.5 m，在運輸過程中經常發生堵塞嚴重降低了生產效率。引進綜采工作面大塊煤破碎技術后，調整好搖臂的高度，并保持破碎裝置常開，無需人工操作就能自動破碎煤塊且破碎效果良好。經過3個月的井下生產試驗，108工作面刮板輸送機卸煤機頭處的卸煤狀況良好，沒有出現堵煤事故，完全符合生產要求[5]。

[1]王國法，李希勇，張傳昌.8 m大采高綜采工作面成套裝備研發及應用[J].煤炭科學技術，2017，45（11）：1-8.

[2]梁東.大塊煤破碎系統在煤礦大采高工作面中的設計與應用[J].內蒙古煤炭經濟，2016（18）：105-107.

[3]楊俊哲.8 m大采高綜采工作面關鍵回采技術研究[J].煤炭科學技術，2017，44（1）：61-66.

[4]王海軍.神東礦區8 m以上超大采高綜采工作面技術探討[J].煤炭技術，2014，33（10）：169-171.

[5]陳泓旭.淺談大采高綜采工作面雙向割煤工藝的應用[J].科技視界，2012（24）：310-311.