大傾角綜采設備選型及關鍵技術研究

甄亞東，李小國，姚 堯

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

根據我國煤炭行業標準MT 555—1996《大傾角液壓支架技術條件》中對大傾角液壓支架的概念規定：大傾角液壓支架一般是指支架最大支撐高度小于等于3.2 m，使用傾角在35°～55°；或最大支撐高度在3.2 m以上4.5 m 以下，使用傾角20°～40°的液壓支架。

在全國范圍內，煤層傾角超過35°的煤炭儲量約占總數的17%，主要集中在我國的西部地區。在寧夏、甘肅、新疆、云南、貴州和四川等西部礦區，大傾角煤層占比超過50%，已成為當地礦井的主采煤層。

國外對于大傾角煤層開采的研究主要是在20 世紀50—90 年代。德國、法國等國家對大傾角煤層的開采方法和設備進行了研究試驗，并取得了良好的經濟效果。前蘇聯研制了可用于45°大傾角的液壓支架；德國威斯特豪爾特煤礦將緩傾斜液壓支架改造后應用于大傾角煤層。進入21 世紀以來，受各種政策制約，西方壓縮了煤礦產能，后期在大傾角開采上的研究發展相對緩慢。

國內大傾角綜采工作面發展自20 世紀80 年代，開始是非機械化開采，轉步轉向綜合機械化開采。綜采的核心設備有采煤機、刮板運輸機和液壓支架，俗稱“三機”。大傾角工作面與普通工作面差異較大，初始階段采用普通工作面三機設備應用于大傾角工作面，出現支架傾倒、采煤機和刮板運輸機下滑等問題，極大影響煤礦產出和生產效率。

因此，綜采面三機設備選型合適與否是大傾角工作面能否高產、高效開采的關鍵。

1 大傾角工作面特點

區別于普通近水平綜采工作面，大傾角工作面具有如下特點。

1）工作面機頭、尾落差會隨工作面傾角增大而增大，機尾方向的煤或矸石滑落時，會對機頭方向的人或設備產生沖擊，造成人員傷亡或經濟損失。

2）工作面傾角大，支架重心超出支架底座邊緣，容易發生倒架事故；工作面傾角超過刮板機和底板的摩擦角，容易出現刮板機下滑。

3）采煤機的上行爬坡能力不足，下行時容易出現失速下滑。采煤機和刮板運輸機嚙合的銷排磨損量大，容易出現銷排損壞。

4）工作面傾角大，機尾老塘處的頂板斷裂后隨重力作用向機頭處滾落，在機頭老塘處形成堆積。因此，工作面頂板活動不均衡，工作面機尾處的頂板活動相對強烈。

2 大傾角液壓支架選型

2.1 液壓支架初撐力和工作阻力

建立大傾角液壓支架受力模型如圖1 所示，其中σ 為工作面傾角；q 為頂板巖石壓力；G 為支架重力；p為支架支撐力；F1和F2為上下2 側支架頂梁的反作用力；f1和f2為頂板和底板對支架的靜摩擦力；u1和u2為頂板和底板對支架的摩擦系數。

圖1 大傾角液壓支架受力模型

根據以上大傾角液壓支架受力模型，建立垂直工作面底板方向的支架受力的平衡公式，液壓支架的初撐力

式中：在大傾角工作面，液壓支架僅承受頂板巖石壓力的分力，因此，相對于近水平工作面，大傾角液壓支架工作阻力可適當減小。

根據大傾角液壓支架受力模型，建立平行工作面頂板方向支架受力的平衡公式為

將式（1）代入式（2），得出

由式（3）可知，頂板對支架頂梁的靜摩擦力f1和支架支撐力p 成正比。因此，在工作阻力確定的情況下，可以通過提高泵壓，將液壓支架初撐力適當提高，可以預防大傾角液壓支架出現倒架事故。

煤炭行業標準MT 555—1996《大傾角液壓支架技術條件》中規定，支架初撐力和額定工作阻力之比，不小于83%，也是出于預防倒架的目的。

2.2 液壓支架重量

根據大傾角液壓支架受力模型，建立平行工作面底板方向的支架受力的平衡公式

由式（1）—式（4）可得

由式（5）可知，大傾角工作面傾角σ 和支架重力G成反比。因此，為保證大傾角工作面液壓支架的穩定性，可以通過提高高強鋼板比例，盡可能地將支架重量降低。

由以上分析可得：大傾角工作面液壓支架工作阻力相對近水平工作面可適當減小，盡量選用重量較輕的兩柱掩護式液壓支架。工作面機尾上部頂板活動強烈，可在大傾角工作面機尾布置工作阻力稍大的液壓支架，利于工作面整體的穩定。

2.3 液壓支架防倒

大傾角工作面機頭位置低，機尾位置高。所以，控制工作面機頭處支架防倒是關鍵。對此有3 點措施。

一是采用留底煤的方式（圖2），工作面逐步過渡，減緩機頭處工作面傾角，防止機頭處支架傾倒。此時需注意留底煤后機頭采高降低，采煤機在此處過機空間的檢查。

圖2 大傾角工作面機頭布置方式

二是機頭處頂梁和頂梁之間設置防倒裝置，如圖3所示。防倒裝置將相鄰支架頂梁錨固在一起，一般是位于機頭處的3～5 臺支架，保證機頭處支架組的整體穩定。

圖3 頂梁設置防倒油缸

三是支架頂梁和掩護梁側護板采用雙側可同時活動的型式，并且頂梁和掩護梁側護板分開動作，增加側推油缸缸徑，提高側推裝置調整支架姿態的能力。此時，需在側護板內側增加筋板，提高結構強度，避免側護板結構受力變形損壞。

2.4 液壓支架防滑

為防止液壓支架底座沿工作面下滑，主要有2 點措施。一是在采煤工藝上，由機頭向機尾順序移架或交錯移架，保證機頭處支架穩定后再逐步推進向機尾移架；二是在支架底座上設置底調橫梁，在支架底座下滑后便于調整支架底座位置。此時，需注意底調橫梁位置盡量靠后，高度盡量高，在液壓控制系統中需拉支架和收底調聯動，避免底調梁在移架過程中損壞。

另外，液壓支架還擔負有工作面運輸機防滑的任務，運輸機靠推移桿和支架相連防滑。對此，要求液壓支架推移桿的強度高，推移桿和底座大腳之間的單側間隙要小。

2.5 安全防護

在大傾角工作面上部頂板的飛矸或漏煤，容易造成工作面下方人員傷亡和設備損壞，因此，需在支架上設置特殊機構，加強工作面的安全防護。對此，主要有3 點措施。一是手動支架采用鄰架操作方式，人員站在高處操作，避免被頂梁上部矸石砸傷；二是工作面運輸機電纜槽和支架頂梁間設置柔性鋼絲護網，避免機道內的矸石飛竄到人行通道傷人；三是在支架頂梁前部設置機道擋矸板，避免機道高處的大塊矸石或煤塊滾落到機道低處損傷人員或設備。

2.6 人性化措施

大傾角工作面人員行走多有不便，對此，主要有2點措施。一是在立柱前、后的底座行人踏板處采用臺階型踏板，便于人員行走，臺階角度需適應工作面傾角；二是在立柱前、后的行人手臂高度處，設置固定扶手，便于人員穩定行走。

3 大傾角采煤機選型

大傾角工作面采煤機選型，主要有3 個關鍵技術。

一是大傾角工作面采煤機爬坡時，刮板運輸機和采煤機嚙合的銷排受力大，需采用鍛造工藝，增加銷排強度。

二是在傳統的液壓制動上增加機械制動裝置，提高采煤機下滑時制動的可靠性。

三是選用四象限采煤機，可以實現牽引電機在四象限范圍運行，有效緩解采煤機下滑和速度失控。并且，四象限采煤機的變頻調速器帶有能量回收單元，當采煤機下滑時，能夠將下滑的重力勢能回收到電網中，既控制了速度，又節省了能源。

4 大傾角刮板運輸機選型

大傾角刮板運輸機選型，主要有3 個關鍵技術。

一是將工作面采用偽斜方式布置。此時，需注意偽斜角度調整，角度過大，容易導致刮板運輸機上竄，角度過小，不能有效阻止運輸機下滑。因此，在工作面開采過程中，根據工作面角度需調整合適的偽斜角度。

二是可在工作面布置時將工作面刮板運輸機頭、尾設計成微彎，既刮板機頭超上彎曲，刮板機尾朝下彎曲，增加運輸機和底板的摩擦力，阻止運輸機下滑。

三是在刮板機下部焊接防滑條，增加摩擦力，阻止刮板運輸機下滑。

5 結論

中煤北京煤礦機械有限責任公司，自20 世紀70年代開始生產液壓支架，在大采高、大傾角開采領域積累了豐富的解決方案，在工作面防倒防滑、安全防護等方面都有相關專利支撐。其中，北煤機公司研發生產的部分大傾角液壓支架產品應用情況見表1。

表1 大傾角支架產品應用案例

其中，寧煤棗泉煤礦的ZF8600/18/35 型放頂煤液壓支架項目曾獲得煤炭工業科學技術二等獎和煤炭工業專利獎；為寶豐馬蓮臺煤礦研發的大傾角綜采工作面導向桿式端頭和超前支架，能在40°以上大傾角巷道較好地使用，已申報相關專利。

大傾角工作面開采，與普通工作面開采區別較大。但是，針對大傾角工作面的特點，采取一些專門措施，也可以達到高產高效開采的目的。推廣應用大傾角開采的成熟技術，對于提高資源回收率，提高經濟效益，具有十分重要的意義。