基于“雙機”耦合下前部刮板輸送機“上竄下滑”研究

張嘉巋,李 鐵,賈春濤,雷 鳴,彭 湃,李曉璐

(潞安化工集團 潞寧孟家窯煤業有限公司,山西 忻州 036700)

煤炭是我國的主體能源之一,在國民經濟發展中發揮著壓艙石的作用。2022年,全國原煤產量45.6億噸,較2021年增長10.5%[1]。截至2023年9月底,我國生產原煤34.4億噸,同比增長3.0%.進口煤炭3.5億噸,同比增長73.1%[2]。其中,山西省原煤產量達10.143 97億噸,較上一年同期增長4.5%[3]。

在井工煤礦開采過程中,傾斜煤層工作面前部刮板輸送機自身結構很難保持穩定。隨著工作面不斷向前推進,前部刮板輸送機在重力作用下并不一定發生下滑,也會出現上竄現象。在實際生產過程中,多次停機處理“拉回煤”、“轉載搭接”等問題,頻繁加減溜槽加重了檢修班工人的勞動強度,影響了生產班開機率;而煤層傾角越大,控制前部刮板輸送機越困難。

張科學等[4]針對工作面前部刮板輸送機的力學行為進行闡述,分析出前部刮板輸送機發生與不發生上竄或下滑的力學條件;劉建輝[5]對工作面前部刮板輸送機進行了受力分析,將偽傾斜開采在1412(3)工作面進行實踐并取得成效;趙啟安等[6]將激光定位法應用于18107工作面,有效掌握了工作面前部刮板輸送機“上竄下滑”量;劉世峰等[7]提出了巷道中線控制法、液壓支架推移桿觀察法兩種刮板輸送機“上竄下滑”判斷方法;張文濤等[8]提出基準線參照法,基準線平行于巷道中線,懸掛鉛垂線的方式對刮板輸送機機頭進行動態監測;馬昆等[9]提出在刮板輸送機機頭交叉側卸處、轉載機進料口靠上幫處加裝超聲波測距裝置用于判斷刮板輸送機“上竄下滑”情況;白曉生等[10]對現有的刮板輸送機“上竄下滑”觀測方法進行總結,并根據實際情況修正調斜經驗公式;張帥等[11]在對刮板輸送機“上竄下滑”控制技術研究中指出,工作面刮板輸送機是彎曲蛇形推進的;梅伏萍等[12]提出增加中部槽、液壓支架與底板的接觸面積,采用1 750 mm較1 500 mm規格中部槽有明顯優勢;程昆坡等[13]從工作面傾角、支架與刮板輸送機位置、采斜、推移刮板輸送機方向、采煤機截割方向、刮板輸送機張力、采煤工作面面長變化及底板平直等方面分析了刮板輸送機“上竄下滑”原因。

眾多學者在刮板輸送機“上竄下滑”問題上進行了相關研究,并取得了大量研究成果。本文在前人研究基礎上,以潞安化工集團潞寧孟家窯煤業有限公司11501工作面為工程背景進行研究,嘗試采用一種新方法用于預測前部刮板輸送機“上竄下滑”,研究成果用于指導11501工作面后續正常生產。

1 工程概況

潞安化工集團潞寧孟家窯煤業有限公司11501綜放工作面位于11采區5號煤層,地面標高1 711～1 800 m,井下標高1 293～1 454 m.運輸巷走向長度為1 383 m,回風巷走向長度為1 229 m,切眼長度為177 m(斜長189 m),平均傾角24°.煤層厚度為7.3～15.8 m,平均厚度為13.2 m,煤層普氏系數f=1.5,工作面易片幫、冒漏,支架經常采取超前移架支護措施,工作面直線度較差,管理難度大。前部刮板輸送機經常出現“上竄下滑”現象,嚴重影響生產。

2 “雙機”耦合研究分析

“三平兩直”對刮板輸送機、液壓支架的直線度提出了要求。在偽斜放頂煤工作面下,液壓支架在不斷前移的過程中易出現不同程度的調向,前部刮板輸送機在被推移后局部段產生不同程度的彎曲,整體直線度不理想。在大量生產實踐中發現,單獨把控前部刮板輸送機、液壓支架直線度效果并不理想。例如:工作面某一段前部刮板輸送機變彎曲,而支架在移架的過程中,仍可以保證其與鄰架的直線度;前部刮板輸送機直線度較好,而工作面局部分段支架仍會出現不同程度的調向,支架直線度較差。因此,僅關注前部刮板輸送機直線度或液壓支架直線度對于保障工作面工程質量是遠遠不夠的,兩者在偽斜工作面下很難保持同步狀態。

本文提出“雙機”耦合相對直線度的概念,即:將前部刮板輸送機與液壓支架各自的直線度進行耦合,將液壓支架推移桿與相對應的前部刮板輸送機溜槽兩者間的夾角作為判斷相對直線度的指標。相對直線度判斷指標確定流程如圖1所示。

圖1 確定“雙機”耦合相對直線度判斷指標流程圖

如何測量并保證夾角的準確度至關重要。綜采一隊選用數顯角度尺測量支架推移桿與相應溜槽夾角度數。如圖2所示,短邊尺靠緊溜槽邊,長邊尺靠緊推移桿,角度尺開合方向朝運輸巷側。

《采煤工作面質量標準化標準》規定,支架與輸送機要垂直,偏差應小于5°.對此,液壓支架推移桿與相應溜槽夾角θ控制在85°～95°區間內即符合規定要求。在偽斜工作面中,角度范圍需進行相應校準,液壓支架推移桿與相應溜槽夾角θ控制范圍如下:

(1)

式中:β為偽斜角,°.

其中,偽斜角計算公式為:

(2)

式中:l為工作面偽斜距離,m;L為工作面斜長,m.

在日常生產過程中,前部刮板輸送機通常會出現彎曲段,一般由10節相鄰溜槽構成,呈現兩種彎曲形態,即:凹陷彎曲(見圖3)和突出彎曲(見圖4),兩種不同彎曲形態下其夾角變化存在差異性。

圖3 前部刮板輸送機凹陷彎曲段夾角示意

圖4 前部刮板輸送機突出彎曲段夾角示意

對于凹陷彎曲,從彎曲段上邊沿向彎曲段下邊沿方向,夾角逐漸減小,彎曲段中心位置處夾角存在短暫平穩現象;對于突出彎曲,從彎曲段上邊沿向彎曲段下邊沿方向,夾角逐漸增大,彎曲段中心位置處夾角同樣會處于短暫平穩狀態。根據這一特性可以在夾角日常觀測數據圖中,通過相對直線度得知前部刮板輸送機直線度情況,該特性對于偽斜工作面同樣適用。

3 工作面變化長度超前預控研究

工作面在不斷回采過程中,運輸巷、回風巷走向標高發生變化,致使工作面長度變長或縮短。

(3)

式中:H'為相對標高變化高度,m;△hmax為標高較高變化量,m;△hmin為標高較低變化量,m.

為了大致掌握因巷道標高變化致使工作面長度變化量,設計繪制了標高變化梯度圖,根據兩巷標高變化梯度圖取值進行計算。以圖5為例,圖5(a)為工作面端頭標高變化梯度圖,圖5(b)為工作面端尾標高變化梯度圖。遵循“定一議一”原則,觀察不同傾角下工作面端頭、端尾標高變化梯度圖可以發現,運輸巷標高增大時與回風巷標高減小時,運輸巷標高減小時與回風巷標高增大時,兩種情況在相同標高變量下工作面變化長度相同。

圖5 25°傾角下標高變化梯度圖

以工作面偽斜長度189 m、25°傾角條件繪制工作面兩巷標高變化梯度圖。該圖可用于超前預測工作面長度變化(△L)、端頭處長度變化(△hyi)、端尾處長度變化(△hfi)。具體計算方法如下:

(4)

式中:△hxi為工作面兩端變化長度,m;x取y、f,分別表示工作面端頭、工作面端尾,i取1、2、3、…,表示自初始傾角開始向遞增或遞減方向第i個傾角度數;h△βi為隨著傾角增大、減小度數間工作面長度變化量,i的取值及含義同上,m;其中,n取1、2、3…,n≥i.

△L=△hyi+△hfi

(5)

式中:△L為工作面變化長度,m;△hyi為工作面端頭變化長度,m;△hfi為工作面端尾變化長度,m.

在實際生產實踐中,可將不同條件下標高變化梯度圖按照一定比例尺進行繪制,通過查看《工作面采掘工程平面圖》中兩巷走向變化,得出工作面在推進的過程中,運輸巷、回風巷標高變化量,按照標高變化梯度圖中比例尺分別在兩張圖中進行標定,通過該點作垂直于工作面變化長度軸的垂線,交點分別為工作面端頭、端尾處變化長度。

為了避免前部刮板輸送機“上竄下滑”失控而影響生產,可根據工作面預測變化長度對其進行超前預控。以端頭為主導,前部刮板輸送機根據工作面端頭處變化長度對其進行上竄或下滑控制,若工作面端頭處變長,則應控制前部刮板輸送機下滑,使其與轉載槽邊合理搭接;反之,則應控制前部刮板輸送機上竄。隨著兩巷走向標高變化,會出現工作面長度與前部刮板輸送機長度不匹配的現象,在進行預測計算時,應考慮到工作面需要增加、抽出支架數量以及增加、縮減溜槽長度、數量,提前做好準備工作,避免因設備匹配問題影響生產。

4 正負偽斜下夾角特征研究

經過長期實踐研究,大致總結出在正、負偽斜工作面下基于“雙機”耦合夾角測量法,前部刮板輸送機發生上竄、下滑時的夾角數據特征。在夾角數據圖中繪制了3條虛線,用于輔助判斷前部刮板輸送機上竄下滑趨勢。其中紅色虛線為平穩線,灰色虛線為偏移線,橙色虛線為調向線。平穩線參照圖1相對直線度判斷標準進行計算,平穩線±1°(負偽斜工作面取+,正偽斜工作面取-)即為偏移線(忽視推移桿小幅偏移情況),平穩線±2°(同上)即為調向線(忽視支架調向情況)。由于工作面偽斜變化、工作面長度變化等因素,每日夾角數據圖中3條線也在隨之變化。其中,偏移線與調向線的角度確定應根據實際使用支架規格參數進行。

4.1 夾角數據特征

在負偽斜工作面下,夾角數據整體呈機頭段夾角度數小,機尾段夾角度數大的特征,且隨著偽斜減小(偽斜角減小),機頭段夾角度數增大,機尾段夾角度數減小。不同狀態下前部刮板輸送機夾角所呈現的特征如下:

1) 當前部刮板輸送機下滑時,呈現的夾角特征為:前部刮板輸送機呈現機頭段夾角較上一次測量結果增大(支架調向為主導因素),或因負偽斜增大后平穩線降低使得機頭段夾角較上一次測量結果相對減小(工作面偽斜調整、前部刮板輸送機直線度變化為主導因素),夾角高于調向線;中間段夾角、機尾段夾角較上一次測量結果保持相對穩定。

2) 當前部刮板輸送機上竄時,呈現夾角特征為:前部刮板輸送機呈現機頭段夾角較上一次測量結果減小(支架調向為主導因素),或因負偽斜減小后平穩線升高使得機頭段夾角較上一次測量結果相對增大(工作面偽斜調整、前部刮板輸送機直線度變化為主導因素),夾角低于調向線;中間段夾角、機尾段夾角較上一次測量結果保持相對穩定。

3) 當前部刮板輸送機保持穩定狀態時,夾角狀態存在兩種情況:一種情況是機頭段或機尾段夾角高于平穩線,另一側夾角低于平穩線,中間段夾角處于平穩線與調向線間且直線度相對較好;另一種情況是整體夾角處于平穩線與調向線間,局部夾角超出這一范圍。

以上介紹了在負偽斜工作面下,前部刮板輸送機預計出現上竄、下滑以及保持穩定時的夾角數據特征,而在正偽斜工作面下,機頭段與機尾段相應特征與負偽斜工作面相反,中間段夾角數據特征相近。需要注意的是,在正負偽斜工作面下,通常推移前部刮板輸送機的順序不同,負偽斜工作面除特殊情況外,一般是由機頭向機尾推移刮板輸送機;而正偽斜工作面與其相反,不同推移方向使得在觀察數據圖時需要關注的區間也不同。

4.2 Cubic擬合曲線數據特征

夾角數據圖采用Cubic曲線對原始測量數據進行擬合,使得每日夾角數據更加直觀。不同狀態Cubic夾角數據擬合曲線特征如下:

1) 前部刮板輸送機下滑時,呈現Cubic夾角數據擬合曲線特征:沿推移刮板輸送機方向夾角由小變大,中部可能會略微降低(如圖6所示),中部夾角度數逐漸升高是常見現象(如圖7所示)。按照上述推進方向,負偽斜工作面機尾段夾角高于調向線,正偽斜工作面機尾段夾角低于調向線。

圖6 負偽斜工作面下前部刮板輸送機預測結果為下滑時夾角數據示意

圖7 正偽斜工作面下前部刮板輸送機預測結果為下滑時夾角數據示意

2) 前部刮板輸送機上竄時呈現Cubic夾角數據擬合曲線特征為:擬合夾角曲線呈兩段均勻波浪狀。在正、負偽斜工作面下夾角數據擬合曲線自機頭段至中間段均出現波峰,中間段至機尾段均出現波谷(如圖8、圖9所示)。

圖8 負偽斜工作面下前部刮板輸送機預測結果為上竄時夾角數據示意

圖9 正偽斜工作面下前部刮板輸送機預測結果為上竄時夾角數據示意

3) 前部刮板輸送機保持穩定時呈現Cubic夾角數據擬合曲線特征為:與上述夾角數據特征相似,同樣存在兩種情況。正、負偽斜工作面下Cubic夾角數據擬合曲線近似鏡像對稱(如圖10、圖11所示)。

圖10 負偽斜工作面下前部刮板輸送機預測結果為穩定時夾角數據示意

圖11 正偽斜工作面下前部刮板輸送機預測結果為穩定時夾角數據示意

綜上可知,圖6、圖8、圖10取自11502工作面回采期間前部刮板輸送機不同狀態下具有代表性的夾角數據圖,且當時工作面偽斜均為-5.5 m;圖7、圖9、圖11取自11501工作面回采期間前部刮板輸送機不同狀態下具有代表性的夾角數據圖,且當時工作面偽斜均為8.9 m.

5 工程實踐

5.1 “上竄下滑”判斷方法

如圖12～圖16所示,孟家窯煤業綜采一隊采用激光指示儀對前部刮板輸送機機頭、機尾進行定位,在每個生產班接班時,測量激光至前部刮板輸送機機頭、機尾蓋板邊沿的距離,在交接班時再次測量,根據兩次測量距離差值,確定出當班前部刮板輸送機上竄下滑情況,若第二次測量數據較初始數據增大,則判定為前部刮板輸送機上竄;反之,則判定為前部刮板輸送機下滑。若出現交接班時測量數據與接班時測量的初始數據一致時,說明前部刮板輸送機變化與工作面長度變化相適應。本方法以工作面端頭為基準,端尾作參考,可能存在前部刮板輸送機激光至機頭變化距離與激光至機尾變化距離不一致的情況,屬于正常現象,前部刮板輸送機機頭段、機尾段存在彎曲段時,差異性尤為明顯。

圖12 兩巷激光指示儀布置示意

圖13 激光(負值)測量示意

圖15 激光指示儀實物圖

圖16 激光效果圖

5.2 數據校準與輔助調整

孟家窯煤業11501工作面采用ZF8000/19/38四柱低位放頂煤支架,支架推移桿在不掉道的情況下,可左右活動的距離為2.5 cm(左右各1.25 cm),經計算,與溜槽夾角角度變化范圍在-1°～1°,以此確定夾角數據圖中的偏移線、調向線。超出這個范圍后,可以判斷出,推移桿掉道并壓在支架底座上方。

在負偽斜向正偽斜調整過程中,欲使前部刮板輸送機停止繼續下滑并保持穩定,多次采取回斜調整后效果并不明顯,發現刮板輸送機機頭前部超前于后部,若不能及時改變,使其前部滯后于后部,即使嚴格執行自端頭向端尾推移前部刮板輸送機的順序,也無法達到立竿見影的效果。在大量生產實踐中發現,輔以單體柱推移前部刮板輸送機機頭有利于更好地改變其朝向,縮短調整前部刮板輸送機變向時限。

5.3 應用實例

孟家窯煤業綜采一隊于2023年8月23日對11501工作面9月份將面臨的工作面長度變化進行超前預控。當工作面推進至回采距離140 m時,運輸巷沿走向將呈現下坡段(如圖17所示),直至工作面推進至180 m處變平緩,自190 m處開始運輸巷沿走向呈上坡段,在相應推進距離內,回風巷沿走向呈上坡態勢(如圖18所示),屆時工作面長度、傾角會發生改變。工作面長度按照189 m、正偽斜5 m進行預測計算。參照運輸巷、回風巷標高確定相關數據,如表1所示。

表1 運輸巷、回風巷標高數據

圖17 運輸巷標高示意

圖18 回風巷標高示意

按照每日生產班單班2刀煤組織生產進行測算,單日推進度取3.2 m,工作面由回采距離140 m推進至190 m需16 d,工作面長度預計將以0.3 m/d的平均增長速度變長,其中工作面端頭處預計以0.18 m/d的平均增長速度變長,工作面端尾處預計以0.13 m/d的平均增長速度變長。在140～190 m的回采距離范圍內,工作面平均傾角預計將由21°增長為25°.預計在機尾處需陸續增設3臺8 000 kN支架,前部刮板輸送機機尾處加3節1.5 m溜槽,以適應工作面長度變化,滿足安全生產要求。

11501工作面自9月5日4點班推進至回采距離140 m處起,至9月25日0點班推進至回采距離190 m處,比預計時間推遲了4 d.在此期間工作面出現支架推移油缸竄漏液、端頭三角區片漏等現象,影響工作面整體推進度。

9月5日4點班至9月25日0點班,工作面端尾增加127號、128號支架(126號架已提前加設),前部刮板輸送機機尾加設2節1.5 m溜槽,機頭加設1節1 m溜槽、1節1.5 m溜槽。實際情況與預測情況相近,20 d內前部刮板輸送機累計上竄1 m.如表2所示,與以往前部刮板輸送機上竄下滑隨機型、粗放型、被動型控制管理相比,采用“雙機”耦合夾角測量法掌握前部刮板輸送機上竄下滑趨勢,通過標高變化梯度圖預測工作面長度變化,雙管齊下可超前預控前部刮板輸送機上竄下滑,已獲得顯著成效。

表2 工作面預測變化、實際變化數據

6 結 語

目前,前部刮板輸送機上竄下滑受多重因素影響,其上竄下滑具體數值仍無法預測,但“上竄下滑”趨勢及其大小可以大致掌握,通過日常監測夾角數據,可根據夾角數據圖及時采取措施,有效控制其繼續向惡化態勢演化,保障工作面正常生產。

調整工作面偽斜對前部刮板輸送機產生一定的影響,有時是在前部刮板輸送機“上竄下滑”失控的情況下主動調整偽斜以抑制其進一步惡化;有時是由于工作面端頭、端尾處條件變化,為保證工作面產量,不得已而選擇避開條件差的一端,在另一端增加推進度。通過現有的研究成果可以指導正偽斜、負偽斜工作面前部刮板輸送機上竄下滑控制。

本文所繪制的夾角數據圖除了能反映前部刮板輸送機“上竄下滑”趨勢外,還能根據此圖掌握前部刮板輸送機直線度情況,在需要進行回斜調整時可以根據此圖確定回斜進刀位置。

此外,在觀察每日夾角數據圖時,應注意前部刮板輸送機的推移順序,若自端頭向端尾推移前部刮板輸送機,則關注端頭段夾角大小、變化趨勢以及該段“雙機”耦合相對直線度;若自端尾向端頭推移前部刮板輸送機,則關注端尾段夾角大小、變化趨勢以及該段“雙機”耦合相對直線度。

在不同偽斜工作面下,前部刮板輸送機“上竄下滑”趨勢差異性較大。在負偽斜工作面中,前部刮板輸送機直線度較好的情況下,其下滑趨勢明顯;在正偽斜工作面中,前部刮板輸送機直線度較好的情況下,其上竄趨勢明顯。

各煤礦可根據工作面所選用的支架規格測量出支架推移桿左右可活動距離,計算出其左右活動時支架推移桿與相應溜槽可變化角度范圍,以此確定偏移線、調向線;可根據本礦區煤層地質賦存條件自行繪制標高變化梯度圖,用于超前預測工作面長度變化,提前控制前部刮板輸送機促使其上竄或者下滑,使其與轉載槽邊合理搭接,保障工作面正常生產。

7 創新點

1) 提出“雙機”耦合相對直線度的概念并應用于生產實踐中,實現了由視覺觀察前部刮板輸送機直線度、液壓支架直線度到根據夾角數據圖與Cubic夾角數據擬合曲線觀察“雙機” 耦合相對直線度的轉變。

2) 提出“雙機”耦合夾角測量法,并應用于工作面前部刮板輸送機“上竄下滑”日常預測中,用于指導前部刮板輸送機“上竄下滑”控制,獲得顯著成效。

3) 設計并繪制出標高變化梯度圖,將運輸巷、回風巷兩巷沿走向標高變化量于相應條件下的標高變化梯度圖中進行取點,通過作垂線垂直于工作面變化長度軸,垂線交點即為工作面變化長度,遵循“定一議一”的原則,分別確定出運輸巷、回風巷兩端變化量再根據公式進行校準,確定工作面長度總變化量,可提前做好增設或抽減液壓支架、刮板輸送機溜槽的準備,有效避免產生因工作面長度變化致使設備長度與工作面長度不匹配、前部刮板輸送機機頭與轉載槽邊搭接不合理、工作面端頭與運輸巷不相隨等問題而影響正常生產。

8 展 望

潞安化工集團潞寧孟家窯煤業有限公司綜采一隊自2023年2月開始在11502工作面開展前部刮板輸送機上竄下滑預測研究工作,在11502工作面回采期間不斷摸索“雙機”耦合夾角測量法的規律性、合理性以及前部刮板輸送機在正、負偽斜工作面下出現“上竄下滑”的特征、規律,如今在11501工作面大致發現了相關規律,并堅持每日觀測,及時采取相應措施對前部刮板輸送機進行超前預控,研究方法初顯成效。“雙機”耦合夾角測量法在潞安化工集團潞寧孟家窯煤業有限公司的成功實踐為前部刮板輸送機上竄下滑預測研究提供了一種新思路、新方法。

孟家窯煤業綜采一隊在日常生產過程中,夾角數據仍需要人工測量,目前主采的11501工作面沿走向為仰采,在測量方面存在諸多不利因素:

1) 安全因素。工作面傾角大,上部煤壁片幫易出現滾落傷人現象,即使正確掛設擋矸網,仍存在一定的傷人風險。

2) 架前浮煤清理不凈。在仰采工作面下,工作面出現片幫、冒頂后,易出現架前煤炭堆積掩埋液壓支架推移桿的情況,在架前浮煤清理不凈的情況下,測量人員需自行清理架前堆煤,延長了測量時間,影響了夾角測量精準度。

鑒于前兩個因素,曾考慮過在支架推移桿與溜槽間加設角度傳感器,實現在線測量夾角數據,但有所顧慮:工作面片幫、冒頂時,易損壞傳感器、信號線、電源線;若采用無線通信方式,在超前移架時遮擋、堆煤掩埋傳感器等情況下很難保證數據有效傳輸;此外,在采煤機工作、支架移架時,會對傳感器產生一定的擾動,傳感器采集數據的精準度難以保證。

我國煤礦智能化發展尚處于初級階段,存在諸多問題亟需解決[14],期待可以盡快實現工作面“雙機”耦合夾角數據在線監測,使其成為智能化開采2.0中的一部分,待技術成熟后,逐步融合至智能化開采3.0、智能化開采4.0中[15]。