綜合機械化和機電一體化在煤礦開采中應用初探

＊井增泉

（山西靈石華苑煤業有限公司 山西 031302）

前言

為實現自身的可持續發展，煤礦企業對工藝和技術創新的重視程度較高，綜合機械化和機電一體化的相關探索受此影響大量開展，由此實現的機器結構簡化、經濟效益提升、安全生產保障必須得到重視。為保證綜合機械化和機電一體化更好服務于煤礦開采，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1.煤礦開采中綜合機械化和機電一體化的應用路徑

(1)綜合機械化的應用

綜合機械化采煤屬于現階段應用最廣泛的采煤工藝，主要生產環節的全部機械化可由此實現，這對煤礦開采的人力參與減少、勞動效率提升能夠帶來積極影響。高效、高產集中化生產屬于煤礦開采發展方向，綜采工作面單產的提高屬于這一發展的前提，高產高效的工作面需設法實現高度集中化生產，具體可從采煤機有效開機率和開采強度提升入手，如增加出煤點、提高配套設備小時生產能力、提高生產系統及設備可靠性、減少輔助工序，如采用新型綜采裝備、單一長壁綜采工作面。新型綜采裝備具備能力大特點，如電牽引采煤機（＞800kW）具備1000～1200t以上的小時生產能力，轉載機、運輸機、破碎機具備500～2000t以上的小時生產能力。此外，綜合機械化的采煤機還能夠實現自動調高，輔以電液控制的液壓支架，自動控制的液壓支架、刮板輸送機、采煤機可更好服務于煤礦生產。近年來我國綜合機械化采煤工藝的進步顯著，這種進步在長壁綜采、短壁綜采、薄煤層綜采中均有著直觀體現。以薄煤層綜采為例，受煤礦超強度開采和綜合機械化程度提升影響，很多煤層因開采條件較好而不斷枯竭，薄煤層這一在我國煤礦儲量中占比較大的煤層的開采開始受到廣泛重視，綜合機械化開采的相關探索也隨之涌現。作為典型的難采煤層，以往薄煤層綜采存在相對較低的機械化水平，較小的人員活動空間、較薄的煤層對采煤方法選擇也提出了較高挑戰，傳統采煤工藝的應用往往存在安全性差、產量低等不足，這種不足的應對必須得到綜合機械化開采的支持，以此實現綜采經濟效益提升、應用范圍擴大，高產高效的煤礦生產也能夠更好開展[1]。

(2)機電一體化的應用

近年來機電一體化在煤礦開采中的應用也較為深入，這種應用在大采高強力滾筒采煤機、低位放頂煤液壓支架等方面均有著直觀體現，液壓支架電液控制系統便屬于其中代表，該系統可滿足放頂煤工作面（年產600萬噸以上）、一次采全高長壁工作面（年產400萬噸以上）需要，機電一體化優勢可見一斑。在煤礦開采中，機電一體化的應用離不開變頻器、可編程控制器的支持，如電牽引采煤機可由此實現轉速同步、功率平衡，系統可顯示運行狀態參數，同時可實現故障自診斷記憶，電牽引采煤機的安全性、穩定性、自動化程度均得以大幅提升。在礦井運輸領域，機電一體化同樣有著深入應用，如煤礦配備的運輸機計算機控制系統，這類系統多具備自我保護、故障診斷、自動控制等功能，礦井運輸的停車時間延長、皮帶機的預拉伸均勻加速、各部件使用壽命延長均可在系統支持下實現。此外，安全向來屬于煤礦生產管理的重點，這使得機電一體化在煤礦安全生產監控系統中也有著深入應用，典型的煤礦安全生產監控系統可實現礦井人員定位、監測監控環境安全、提升運輸監控、膠帶運輸監控、供電監控、排水監控、軌道運輸監控，以監測監控環境安全為例，該系統可實現氧氣、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳的含量監測，同時具備聲光報警、風機開停、火災報警、斷電報警等功能，在機電一體化支持下，煤礦生產安全可更好得到保障，煤礦開采機電一體化的重要性可見一斑[2]。

2.煤礦開采中綜合機械化和機電一體化的具體應用

(1)礦井概況

為提升研究的實踐價值，以某煤礦的大傾角薄煤層開采實踐作為研究對象，案例屬于煤層群開采，存在6層可開采煤層，總厚度、傾角分別在7.41～7.62m、24～46°區間，其中的2#煤層為保護層，煤厚、平均厚度分別為0.42m～1.2m、0.95m，屬于典型的薄煤層，其首采面厚度、煤層傾角分別為0.42～1.2m、27～45°，硬度系數、傾斜長、工作面走向長、地質儲量分別為0.5～2、193m、791m、22.3萬噸，可采率、可采長度、可采儲量分別為87.5%、690m、19.07萬噸，屬于穩定性較高的大部可采煤層，存在泥質砂巖和粉砂質泥巖構成的煤層頂底板。由于其它煤層能否得到有效開采利用直接受到2#煤層影響，因此案例煤礦圍繞這一薄煤層開展了綜合機械化和機電一體化的應用探索，最終取得了預期成果，因此案例大傾角薄煤層的綜合機械化和機電一體化實踐具備較高借鑒價值。

(2)綜合機械化和機電一體化應用

基于大傾角薄煤層特點和較為復雜的地質條件，截割巖石的采煤機往往需要通過地質條件變化區，因此需選擇具備制動能力強、機面高度低、割煤工效高、過煤空間大、機組功率大等特點的采煤機，案例煤礦因此選擇了雙滾筒采煤機，雙向割煤可通過工作面自開缺口實現。結合現有的“騎刮板輸送機”“爬底板”等機型，同時創新設計了非機載式布置變頻器、跨刮板輸送機懸臂式布置機身，在搖臂上橫向布置截割電機，過煤空間和機面高度得以提高，機身長度縮短也得以實現。采用內牽引設計的牽引機構，以適應工作面彎曲、起伏及煤層厚薄和傾角變化。為解決大傾角條件采煤機結構件潤滑、機身防滑難度較高問題，采用分腔潤滑系統的各機構，具體結構如圖1所示，圖中的1、2、9、3、4分別為左切割滾筒、左搖臂、調高油缸、左牽引、過橋一，5、6、7、8分別為過橋二、右牽引、右搖臂、右切割滾筒[3]。

圖1 采煤機整體結構示意圖

受煤礦頂板破碎影響，膨脹和變形發生幾率高，而結合完整性差的頂板、易充滿采空區的開采垮落矸石影響可以發現，存在頂板壓力較小的工作面，同時存在不強烈的采場礦壓顯現，因此案例煤礦選擇掩護式結構的液壓支架，并采用板式結構替代了箱式結構的支架頂梁，頂梁厚度降低、支架內過機高度增加得以實現。為阻擋架前飛矸、架間飛矸，同時設置可伸收擋矸板于頂梁上和相鄰底座上，為避免工作面輸送機下滑，設置調推千斤頂于支架底座前端。支架底座側面和頂梁分別設置調架梁、側護板，倒架、滑架可由此規避，綜采安全得到了更好保障；受到采用內牽引的采煤機影響，為避免采煤機下滑，刮板運輸機選擇大節距輸送機中銷排和雙鏈結構，采煤機二級防滑能力和行走能力得以提高。刮板輸送機槽幫高度、寬度分別為250mm、730mm，以此適當降低、加寬，采用雙驅傳動的機頭、機尾設計，機風兩巷內垂直布置中心向下的鏈輪與驅動，采煤機機面高度降低、刮板運輸機運輸能力保障得以同時實現，采煤機順利割穿煤壁也可同時得到保障；基于走向長壁開采，案例煤礦采空區管理采用全部垮落法，自開缺口雙向割煤的內牽引懸臂式采煤機，循環進度設置為0.7m，同時選擇強制裝煤技術，端面布置采煤機截割滾筒。煤層起伏及厚薄變化可由可彎曲刮板運輸機適應，開采全程可進行連續機械化作業，輔以煤礦原有和針對性設置的礦井水文監測、千兆工業以太環網、礦井安全云等實時管理子系統，案例煤礦得以更好實現作業自動化和安全生產，更為快速的生產運輸系統啟動、設備事故的有效預防、設備維修和保養難度降低也得以實現，綜合機械化和機電一體化得到了充分應用。

(3)應用效果

在案例煤礦的實踐探索中，雖然處于過斷層的工作面安全條件較差，但在綜合機械化和機電一體化的支持下，大傾角薄煤層并未出現重傷以上事故和較大設備故障，運行良好的采煤機雙向割煤過程未出現下滑傾倒、動力不足現象，同時可彎曲刮板運輸機運輸能力充足、液壓支架支護性能良好，案例煤礦的安全高效生產得以順利實現，因此案例煤礦的綜合機械化和機電一體化應用具備較高借鑒價值。

3.結論

綜上所述，綜合機械化和機電一體化在煤礦開采中的應用能夠發揮重要作用。在此基礎上，本文涉及的綜合機械化的應用、機電一體化的應用、相關案例，則直觀展示了綜合機械化和機電一體化的應用路徑。為更好服務于煤礦開采，軟硬件設備的科學選擇、煤礦機械設備安全性能的進一步提升、煤礦機電的實時管理同樣需要得到重視。