綜放工作面設備選型配套研究及工程應用

張鵬亮

（山西煤炭運銷集團晉城有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

近年來，不論是煤炭開采理論還是相關設備的研發生產，都取得了較大進步。先進開采設備的運用不僅增強了煤炭開采工作的安全性，還提升了企業的開采效率。但是單個采煤機械設備并不能顯著地提高生產效率，必須從整體角度出發更新換代開采設備，其中“三機”設備的選型配套最為典型[1]。只有根據具體工作面的生產地質條件選用不同型號的“三機”設備，才能有效發揮先進設備的優良性能和提高企業的生產效率。

1 綜放面生產系統及厚煤層開采技術研究

1.1 綜放工作面生產系統研究

綜放面生產體系通常由采煤機、刮板輸送機、液壓支架等設備組成，為了維護該體系的正常運轉，應根據綜放工作面生產系統的特點，在整合各機械設備的基礎上對其運行情況進行分析，并作為一個可維修的系統。根據綜放工藝情況可以將其分為平行作業與單行作業兩種方式，這兩種作業方式的差異是運輸帶布置所造成的。對山西潞安集團部分礦井進行調查后發現，割煤工藝系數為0.53，而放煤工藝系數則為0.58，綜放工作面的產量主要由割煤工藝系統及放煤工藝這兩方面構成，在進行開采作業時具有較高的可行性，割煤、放煤與運輸互相影響程度不大，通過有序操作可將這些工序進行有機整合。

綜放開采系統中各設備的獨立性較低，易受多方面因素影響。雖然機械設備、工作環境與作業人員彼此相互獨立，但通過煤炭生產企業這一平臺進行有機結合，可逐步完善綜放開采理論和提高開采系統的可靠性[2]。

隨著現代開采技術的不斷發展，可以通過計算機軟件對綜放開采進行全面模擬，對該過程中可能出現的問題進行系統分析，并對相關問題給出針對性改善方案。但計算機畢竟具有一定程度的局限性，而且計算機受輸入數據的影響，如果數據出現較大差異將會導致模擬結果出現錯誤，所以必須對輸入進行嚴格分析管理，從而方便企業對工作管理體系進行完善，挖掘整個生產系統各環節的生產潛力，全面考慮各方面影響因素。

1.2 厚煤層開采技術研究

我國煤炭行業運用厚煤層綜放開采技術的過程可以分為兩階段。第一階段起源于20世紀末期，當時我國的煤炭開采行業正處于世紀變革當中，大量引進了國外先進管理方式與生產技術。沈陽蒲河礦首先對綜放技術進行研究，并將該技術運用于烏魯木齊六道灣礦，經過初期探索我國煤炭生產企業積累了大量經驗。第二階段則是20世紀末至21世紀初，隨著經濟快速發展對煤炭資源需求量迅猛增加，刺激了相關技術的研究與發展，綜放開采技術從1992年進入了成熟階段。該階段所使用的設備已經完成了國產化，并且部分關鍵設備達到了國際標準水平，尤其是放頂煤液壓支架技術已經達到國際領先，煤炭行業進入了高速發展時期。

我國厚煤層綜放開采技術的典范是陽泉一礦與潞安王莊礦。陽泉一礦通過使用中位后開天窗液壓支架技術有效提升了資源開采效率，僅在8603面就取得了月產13萬t的成績，而潞安王莊礦則通過高位開天窗液壓支架取得了年開采100萬t的業績。這些數據表明我國厚煤層綜放開采技術已經取得了較大成功，而且具有較高的可行性與安全性。潞安礦區在1992年完善了低位放煤工藝，在后部刮板輸送機的推移裝置上設置液壓支架，在4402工作面進行試驗開采，日產量增幅達150%。綜放開采技術在煤炭開采領域已經得到了較為普遍的運用，為我國煤炭開采行業改良自身生產方式提供了可靠的發展方向。

2 綜放工作面設備性能參數基本要求

2.1 采煤機性能參數基本要求

正確選擇和使用采煤機對工作面生產能力有很大影響，采煤機型號一般涉及多方面問題，選型時除與煤層厚度、傾角、地質條件等因素有關外，還應考慮與運輸機械和液壓支架的協調匹配[4]。因此，選擇采煤機型號時應統籌規劃，綜合考慮多種因素。

一般采煤機的滾筒直徑應大于工作面切割煤體高度的一半，截深為采煤機工作時滾筒可完全截入煤壁的深度。在實作過程中，對于厚煤層綜放工作面，應加大采煤機滾筒的工作截深，目前常用截深0.8 m。

采煤機滾筒轉速可直接對單位能耗、粉煤量及裝載能力產生重大影響[5]。當同一型號采煤機的牽引速度和截齒數一定時，轉速越高，單位能耗越大，粉煤量占比越多，裝載速度也越快。實際生產過程中，采煤機的滾筒轉速一般控制在30～50 r/min比較經濟合理[3]。

牽引速度是指滾筒正常切割煤體時采煤機沿工作面滑行的速度。采煤機的電動機功率、液壓支架移架速度和刮板輸送機輸送能力是影響牽引速度的外在可控制因素。實際生產過程中，電牽引采煤機工作時的牽引速度選擇10～12 m/min、不工作時的牽引速度選擇15～36 r/min比較經濟合理。

2.2 刮板輸送機性能參數基本要求

中雙鏈刮板輸送機的工作原理如圖1所示，啟動傳動電機后，鏈輪組件會在減速器和液力耦合器的帶動下旋轉，循環運動的刮板鏈帶動煤體沿溜槽移動至機頭部并卸載。刮板輸送機的運行速度及單位長度上的貨載重量直接決定其運輸能力大小。

圖1 中雙鏈刮板輸送機工作原理示意圖

綜放工作面“三機”選型配套時，液壓支架前部刮板機的輸送能力應滿足采煤機的割煤速度的要求，保證能夠及時把采煤機割落的煤體運出工作面；后部輸送機應滿足放煤要求，必須將支架放煤口放落煤體在放煤時間內運出采空區，對提高厚煤層綜采放頂煤工作面的采出率發揮關鍵作用[4]。

2.3 液壓支架性能參數基本要求

在設計和制造放頂煤液壓支架時，其具體的“三機”配套要求如下：支架在封閉工作空間的同時，還應具有較高的工作阻力和可靠的穩定性；為促進頂煤冒落和加快放煤速度，應盡量縮短掩護梁的長度；為運輸方便，支架高度可調，配置伸縮前探梁縮短空頂面積，增強護幫護頂能力；支架底座設置抬底機構和較大的移架力，可在底板破碎不平整的條件下快速順利移動[6]；支架前、后安裝噴霧降塵系統。

從巖層控制角度考慮，綜放開采要取得理想的效果，就需要控制頂煤在支架上和架前保持完整性，而在支架后方破碎并及時冒落放出。因此，厚煤層綜采放頂煤工作面選用的液壓支架在具有一般支架功能的基礎上，還應具備可控的破煤功能。在破碎頂煤時，需要煤層頂板和液壓支架相互配合，使頂煤在有時間限制的情況下沿切頂線冒落。綜放支架需要承受的靜載主要由控頂區冒落帶的頂板巖塊重量、頂煤重量、掩護梁上松散煤體壓力以及頂板變形壓力四部分組成。綜放采場結構剖面圖如圖2所示。

圖2 綜放采場結構剖面圖

3 綜放工作面設備選型配套研究及應用

基于設備尺寸的綜采放頂煤工作面采煤機、刮板輸送機和液壓支架配套原則是[5]：采煤機要適應煤層地質條件變化，滿足工作面生產能力要求；“三機”設備幾何尺寸、性能、生產能力和壽命相互匹配；“三機”都具有良好的技術性能和保護功能，工作可靠，使用和維護過程便捷。

基于生產能力要求的“三機”配套原則是：采煤機要達到工作面對回采生產能力的要求標準，生產能力必須超過綜放工作面的割煤任務；液壓支架前部刮板輸送機的輸送能力一定要大于采煤機的生產能力，而后部刮板輸送機的輸送能力和頂煤的放煤能力相協調；液壓支架的移架速度和刮板輸送機的推溜速度與采煤機和放頂煤的工作速度互相匹配。

設備選型配套一定要注重各單機之間能力與性能相適應，“三機”選型配套一般指空間幾何關系配套，使三種機器設備的尺寸相互匹配協調，確保在工作過程中互不影響。配套設備應滿足的尺寸要求為：過煤空間充足，確保采煤機具有合適的機面高度；采煤機與刮板輸送機之間具有一定的安全距離；采煤機滾筒與液壓支架頂梁間具有一定的距離，且刮板機的電纜槽要與液壓支架底座及立柱保持安全距離；刮板輸送機的鏟板、槽幫與采煤機的支撐滑靴之間也應保持適當的間距[6]。

根據上述設備配套原則，針對某綜放工作面走向長（推進長度）為1 300 m、傾向長（切割長度）為180 m、礦井生產能力為400萬t/a、綜采放頂煤工藝回采厚度為5.6 m的8號煤，該煤層埋深約350 m，傾角小于8°，頂底板巖層情況如下頁表1所示。

表1 8號煤頂底板巖層情況

根據前文所述“三機”設備選型配套原則，針對該工作面8號煤層賦存條件及礦井生產能力，確保工作面配套設備基本性能及生產能力要求，確定配套設備能力大致按“喇叭口”方式拓展。按照保證設備安全高效、經濟可靠目標確定的配套設備選型為KSW-1500EU電牽引采煤機、前后部SGZ1000/2X 1200中雙鏈鑄焊封底式刮板輸送機、ZF 15000-23/43綜采放頂煤液壓支架。綜放工藝采高為2.8 m，循環進度（截深）為0.8 m，采用采放結合、一采一放工序作業，割煤、放煤步距0.8 m。回采過程統計該綜放工作面實際平均出煤量為5 200 t/班，月產量平均突破40萬t，年產量達到了500萬t，開機率為57%，經濟效益顯著。

4 結語

采煤機、刮板輸送機、液壓支架等綜采設備是一個整體系統，相互聯系，任何一個子系統出現故障，都會對工作面的工作造成很大影響，工作面各系統的關系是相互串聯的。配備綜放工作面設備，主要指的是匹配綜放面生產系統中的各種設備，以及前后部刮板輸送機、采煤機、轉載機、液壓支架間的能力。設備配套一旦出現意外，綜放面的生產能力將會受到直接影響，不能發揮各設備的最大效能，無法實現高產高效的目標。