大采高分層鋪網開采工作面設備選型配套及關鍵技術研究

何 明，張洪清，馮立友，辛家祥

1中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

2天地科技股份有限公司開采設計事業部 北京 100013

3扎賚諾爾煤業有限責任公司靈東煤礦 內蒙古滿洲里 021410

厚煤層開采的主要方法有放頂煤開采、一次采全高開采和分層鋪網開采。放頂煤開采和一次采全高開采經過多年的發展取得了長足的進步，而分層鋪網開采則發展緩慢。制約分層鋪網開采發展的主要原因有生產效率低及下分層開采時頂板維護難度大，因此，分層鋪網開采中鋪網的速度和質量是關鍵問題。

傳統鋪網材料為金屬網，存在的問題主要有：成本高、材料笨重、成卷運輸受限；網材抗腐蝕性差、質量低；一架一網或兩架一網，鋪網速度慢、生產效率低。近年來，新型鋪網材料高強度聚酯纖維柔性網在工作面回撤鋪網中得到了廣泛應用。該網材具有抗壓強度大、延伸率低、兜護能力大、耐腐蝕等性能優勢，可實現工作面整體一次性鋪設，每卷網的長度為 10～25 m，克服了金屬網聯網搭接可靠性差的難題，在工作面回撤中逐步取代了金屬網。同時，隨著大采高綜采裝備技術的發展成熟，通過增加采高使支架后部空間加大，既可以滿足產量要求、提高開采效率，又可以為鋪網工藝的實施提供安全可靠的作業空間。新型鋪網材料的研發和大采高綜采裝備技術的發展，有效解決了制約分層鋪網開采技術的效率和質量問題[1-5]。

扎賚諾爾礦區靈東煤礦Ⅱ2、Ⅱ3 煤層厚度較大（煤層厚度為 15.00～17.50 m，平均厚度為 16.32 m），目前多采用綜采放頂煤技術進行回采，由于“煤硬頂軟”的特殊賦存條件，頂煤和頂板破碎塊度差別較大，頂煤回收率與低混矸率難以兼顧。分層鋪網開采技術的實施有利于提高煤炭回收率、降低含矸率、提高煤質，使煤炭資源回收率和開采效益最大化。筆者基于扎賚諾爾礦區靈東煤礦Ⅱ3 煤層地質條件，對大采高分層鋪網開采工作面設備選型配套及關鍵技術進行了研究。

1 大采高分層鋪網開采工作面設備選型

大采高分層鋪網開采在國內外沒有成功實施的先例，設備選型必須解決材料運輸、鋪網及作業空間安全保障等問題。

1.1 選型配套原則

大采高分層鋪網開采工作面設備的選型設計，既包括傳統綜采工作面液壓支架、采煤機和刮板輸送機等設備的選型設計，也包括新型運輸系統、鋪網系統的設計研發。選型設計應遵循以下原則：

（1）設備的技術性能應滿足生產能力設計要求。

（2）設備應能適應該礦煤層賦存條件，包括煤層厚度、傾角、硬度；煤層頂底板的厚度、巖性及其分類；煤層層理與節理發育情況；煤質和儲量等技術要求。

（3）配套設備應滿足鋪網材料高效運輸要求，便于運網并具有足夠的運網空間。

（4）配套設備應滿足運網、鋪網作業安全要求，有效解決作業空間漏矸、竄矸等問題。

（5）配套設備應滿足運網、鋪網裝置的安裝和使用要求，并可隨支架自動前移。

（6）生產工藝與配套設備之間，以及各種配套設備之間應能相互適應與協調。

（7）以工作面設備為基礎，形成一條由工作面向外生產能力配套的“喇叭口”煤流系統。

1.2 與常規大采高工作面設備選型配套的區別

常規大采高工作面設備配套平面布置如圖 1 所示，若應用于鋪網工作面，存在以下問題：

圖1 常規大采高工作面設備平面布置示意Fig.1 Plane layout of equipments on traditional large mining height work face

（1）機頭、機尾處支架滯后布置較多，形成三角區，不利于運網，需單獨鋪網，影響鋪網效率，竄矸問題難以有效解決，給鋪網作業帶來安全隱患。

（2）機頭處支架滯后布置較多，使得鋪網材料運輸系統的安裝位置滯后較多，既不安全，也不便于操作。

（3）隨著機頭、機尾處工作面高度的降低，支架后部作業空間將減小，無法滿足運網作業要求。

（4）機尾支架、輸送機機尾與煤幫的距離小，無法滿足運網作業要求。

（5）傳統超前支架布置完全占用了靠近煤幫的空間，無法滿足網材運輸要求。

（6）傳統大采高工作面多采用交叉側卸布置方式，如圖 2（a）所示。交叉側卸機頭自身結構尺寸大，很難有效解決支架滯后布置問題。而端卸機頭結構尺寸較小，如圖 2（b）所示，通過采用合理的配套，可實現全工作面支架布置在一條直線上。因此，大采高鋪網工作面輸送機宜采用端卸方式。

圖2 輸送機卸載方式Fig.2 Unloading mode of conveyor

1.3 設備總體選型配套

按照大采高分層鋪網開采對工作面設備配套的要求，并基于該礦Ⅱ3 煤層賦存條件和生產技術條件，本次鋪網工作面總體設備布置如圖 3 所示，配套設備具體型號如表 1 所列。

表1 大采高鋪網工作面設備選型Tab.1 Equipment selection matching for large mining height netting work face

圖3 大采高鋪網工作面設備平面布置示意Fig.3 Plane layout of equipments on large mining height netting work face

本次設備配套的特點如下：

（1）創建了 1 條寬度大于 2 m 的 L 形鋪網材料運輸通道。

（2）解決了機頭、機尾處支架滯后布置問題，全工作面支架布置在一條直線上。

（3）通過大采高鋪網支架的研發，創建了足夠的鋪網作業空間。

（4）實現了運網、鋪網裝置與工作面支架間的有機連接。

（5）通過中部支架后部防漏、竄矸設計，機尾配置加寬過渡支架等技術措施，建立起鋪網作業空間安全保障體系。

2 大采高鋪網中部液壓支架研究

大采高鋪網中部支架設計除滿足傳統大采高支架設計要求外，還應在支架后部創建安全的鋪網作業空間，滿足運網、鋪網要求，同時支架間應設計前后行人通道。

2.1 架型的確定

大采高液壓支架有兩柱掩護式和四柱支撐掩護式2 種，按中心距為 1.75 m、工作阻力為 13 000 kN 考慮，兩柱掩護式支架（立柱缸徑為 420 mm）和四柱支撐掩護式支架（立柱缸徑為 320 mm）架間距如圖 4 所示。對于鋪網工作面而言，需要從架間行人，兩柱掩護式支架難以滿足實際使用要求，因此鋪網中部支架的架型確定為四柱支撐掩護式。

圖4 2 種支架架間距對比Fig.4 Comparison of two kinds of support in support space

2.2 采高和支架高度的確定

根據該礦Ⅱ3 煤層賦存條件和生產技術條件，煤層最大采高確定為 5.5 m。依據液壓支架設計規范，支架最大高度相應確定為 6.0 m；根據鋪網支架設計的特殊要求（后部需要有足夠的鋪網空間），支架最小高度確定為 2.8 m，因此，支架高度范圍確定為 2.8～6.0 m。

2.3 工作阻力的確定

根據該礦Ⅱ3 煤層頂板條件和現有支架工作阻力，確定支架工作阻力為 13 000 kN，支護強度為1.10～1.18 MPa。中部支架最終型號確定為 ZZ13000/28/60D，結構如圖 5 所示。

圖5 ZZ13000/28/60D 型大采高鋪網中部支架Fig.5 ZZ13000/28/60D middle support for large mining height netting operation

主要結構特點如下：

（1）具有足夠的鋪網作業空間，采高 5.0 m 時作業空間可達 1.8 m×2.3 m（高×寬）以上。

（2）采用整體式頂梁結構，增大支架頂梁前端的控頂力，對大采高工作面防止頂板發生局部冒頂和煤壁片幫有利。

（3）設置內伸縮梁和二級護幫機構，防止頂板發生嚴重冒頂和煤壁片幫。

（4）鋪網作業空間采用全封閉式設計，支架在尾梁上設置活動側護板和弧形長插板，有效防止支架尾部架間漏矸及工作面支架后部竄矸，既保證了作業人員的安全，又防止大量矸石涌入而影響鋪網材料的運輸。

（5）設置限位梁，嚴格控制支架的架間距，保證鋪網質量，若支架發生偏移，可及時進行調整。

（6）在支架底座后設置有滾動軸式運網減阻裝置，防止網材運輸過程中的損壞。

（7）每臺支架上安裝有 1 套鋪網裝置，可實現自動鋪網。

3 大采高鋪網工作面運輸系統研究

為提高鋪網效率以及鋪網質量，鋪網材料需成卷運輸（網卷直徑約為 0.5 m，長度不小于 50 m）。由于工作面較長，人工搬運效率低、難度大，為此研發了鋪網材料高效運輸系統，如圖 6 所示。

圖6 大采高鋪網工作面鋪網材料運輸系統Fig.6 Transportation system of netting material for large mining height netting work face

鋪網材料運輸系統主要由牽引裝置、減阻裝置、轉向裝置、定向裝置、連接裝置和回繩裝置 6 部分組成，在工作面中形成一條順暢的 L 形運網通道。

牽引裝置為鋪網材料運輸系統提供動力源，由電動機、卷筒裝置、底座、變頻器等組成，其作用在于為運輸系統提供動力并控制運輸系統的運行，結構如圖 7 所示。

圖7 牽引裝置Fig.7 Drawing device

轉向裝置的作用是實現鋪網材料由回風巷道順利轉向工作面，結構如圖 8 所示。

圖8 轉向裝置Fig.8 Steering device

減阻裝置的作用是減少鋪網材料運輸過程中的摩擦阻力，便于運輸，同時對鋪網材料起到一定的保護作用，結構如圖 9 所示。

圖9 減阻裝置Fig.9 Buffering device

4 大采高鋪網工作面鋪網系統研究

高效鋪網系統同樣是實現鋪網工作面高效生產的關鍵環節之一，筆者研究了大采高鋪網工作面高效鋪網方式并研發了高效鋪網系統。

每臺支架設計有拉移式鋪網裝置，如圖 10 所示。拉移式鋪網機構由拉移千斤頂、鏈條、旋轉輪等組成。拉移式鋪網裝置的特點是鋪網可與支架前移同步進行，也可獨立進行，具有較高的靈活性。

圖10 拉移式鋪網裝置Fig.10 Pulling-type netting device

整個工作面高效鋪網系統如圖 11 所示。由于工作面推進度受多種因素影響，難以保證每班、每日生產進度不變，而網的寬度是不變的，如采用單網運輸和單網鋪網，難以保證運網時間與檢修班時間完全一致，必然會影響工作面的正常生產。因此采用雙網鋪網作業方式，當網材寬度無法滿足下一日生產進度需求時，利用當日檢修班將備用網提前運入，避免了運網對正常生產的影響。

圖11 大采高鋪網工作面鋪網系統Fig.11 Netting system for large mining height netting work face

根據地面鋪網試驗情況，拉網裝置每 3 架一聯就可滿足鋪網要求，由此可利用拉網裝置拉移備用網，同時支架后部空間完全可以滿足雙網對空間的要求。

5 結語

基于扎賚諾爾礦區靈東煤礦Ⅱ3 煤層賦存條件，完成了大采高鋪網工作面設備選型配套，研發了新型大采高鋪網液壓支架以及高效網材運輸系統和鋪網系統，實現了運輸系統、鋪網系統與工作面液壓支架的有機結合，為鋪網開采工藝的實施提供了安全作業空間。大采高鋪網工作面關鍵技術的研究，實現了快速運網和多架同時鋪網，大幅度減少了聯網工藝，降低了工人勞動強度，加快了工作面推進速度，提高了生產效率，對分層開采鋪網技術的推廣應用具有重要的意義。