同發東周窯千萬噸礦井建設機電關鍵技術

葉志勇 孟國勝

(1.大同煤礦集團有限責任公司同發東周窯煤業公司；2.大同煤礦集團有限責任公司)

目前，千萬噸礦井建設已成為煤炭行業結構性產業調整的重要舉措。千萬噸礦井的鮮明特點是裝備的大型化及控制系統的智能化、高端化，機電裝備是千萬噸礦井安全高效生產的重要保障[1-2]。大型固定設備、供配電系統、采掘運設備及輔助設施是千萬噸礦井的關鍵設備，該類設備能否安全可靠運行直接決定礦井能否安全高效生產[3-6]。因此，有必要對千萬噸礦井關鍵機電裝備進行系統研究，科學選型、合理配套，優選出成套設備，并根據設備運行過程中出現的問題對設備及應用環境進行改造，使設備安全可靠運行，確保礦井安全高效生產。

同煤集團同發東周窯礦是繼塔山礦、同忻礦之后的第3座千萬噸級礦井，也是同煤集團“十二五”發展規劃建設的“東—馬—潘”循環經濟園區的主力礦井。礦井設計年生產能力1 000萬t，2008年8月開工建設，2011年9月竣工試生產。礦井采用斜井—平硐聯合開拓，中央并列抽出式通風方式。機電裝備是礦井安全高效生產的關鍵，本研究根據礦井實際情況，對主副提升機、主通風機、壓風制氮設施、主排水泵等大型固定設備的選型、安裝和運行等關鍵技術進行研究，對地面供電、井下供電、信息化控制等供配電系統進行綜合分析，對采掘運設備及輔助設施等機電項目的設備選型、安裝和運行等可靠技術進行討論，優選出適合千萬噸礦井的機電成套裝備，此外，根據實際生產過程中機電設備運行存在的問題，對相應的改造建議進行探討，確保設備安全可靠運行。

1 大型固定機械

1.1 主副提升機

礦井主提設備選用DTL180/2×2240型膠帶輸送機，提升高度468.6 m，斜長1 703.4 m，角度16°。提升系統配套4臺變頻電動機，頭部集中驅動。系統配套西門子無諧波高壓變頻軟起動裝置，降低了起動和停車對機械和電氣系統的沖擊，有效控制設備軟啟動和軟停車的動態過程，實現了各驅動電動機之間的功率平衡和速度同步，有效抑制膠帶輸送機動態張力波可能對膠帶和機械設備造成的危害，延長了設備使用壽命，增加了系統的安全性和可靠性。系統配套阻燃型鋼絲繩芯抗撕裂的大強度、大帶寬、多鋼絲繩輸送帶，運輸能力4 000 t/h，帶速5.6 m/s，帶寬1 800 mm，帶強ST7000，帶厚 35 mm，單重145 kg/m，鋼絲繩數量91根、直徑 13.5 mm。

副立井提升機選用JKMD-3.25×4(I)型落地式多繩摩擦輪提升機，提升高度482.8 m。副斜井提升機選用JK-4×2.5/31.5型單繩纏繞式提升機，提升斜長1 282.6 m，提升傾角22°。副井提升均配套選擇德國西門子ABB直流調速系統，通過直流傳動，實現無極調速，運行平穩，各種保護齊全，系統自動化程度高，監控畫面實現人機互動，減少了人工操作失誤率，生產效率大幅提高。

存在問題及針對性建議：

(1)主提升DTL180/2×2240型膠帶輸送機輸送帶帶寬較大(1 800 mm)，單重大(145 kg/m)，更換膠帶工程相當復雜。建議在井口房工業場地附近設計安裝大功率絞車，用于更換膠帶；在井下機尾處開拓存放新舊膠帶的硐室，便于快速更換。

(2)井口房卸載出料口與原煤101皮帶輸送機受料點落差16 m的溜煤筒未設計緩沖裝置或大型受料給煤機，致使煤流量不均勻，易造成受料101皮帶輸送機尾壓煤、歘煤等事故。生產實踐中，可將溜煤筒改造為“S”形，提高緩沖效能，有效緩解機尾壓煤問題，減少事故發生。建議安裝大容量大型給料機，徹底解決該類問題。

(3)副斜井提升機房在設計中將電動機、鼓風機安裝于機房內，未能充分考慮噪聲污染，建議將其設計安裝于機房外，從源頭上遏制噪聲污染。

1.2 主通風機

主通風機配套AGF606-3.8-1.8-2型雙級抽出式軸流通風機。AGF606型通風機是目前國內較為先進的安全高效能軸流通風機。AGF606型通風機調節方便，可以選擇液壓動葉調節裝置，也可通過停機一次調節葉片角度，實現方便調節。通過1臺稀油潤滑站向軸承組件箱、電機軸承等摩擦部位供送潤滑油，無需人工注油，減輕了工人的勞動強度。該型設備配套有級變頻無級調壓軟起動裝置，電動機通過頻率變化的2個階段加速，完成從靜止到全速的加速過程。

AGF606型通風機在運行中風道閘板式風門存在倒機時運行阻力大、不靈活、拉不到位現象和絞車鋼絲繩易出現扭曲等問題。建議升級改造為旋葉式風門，縮短倒機時間，實現主通風機快速、安全倒運行。

1.3 壓風制氮設施

壓風制氮車間設計采用地面集中布置方式，易于實現集中管理，占地面積小，減少基建工程投資。設計配套ML350-2S型螺桿空氣壓縮機9臺，為井下風動工具及制氮設備提供壓縮空氣；選用KGZD98-3000型變壓吸附制氮裝置3套，同時滿足井下2個工作面注氮量的需求。

壓風制氮設施在運行中存在的問題是空氣壓縮機進風口與制氮機出氣口方向設計不合理。由于礦井特殊的地理位置，西北風較猛烈，空氣壓縮機進風口朝北，易吸入塵土和雜物，對設備造成損傷；制氮機出氣口朝向辦公和生活區域，對工作人員易造成噪聲污染。建議在制氮機出口處安裝大功率消聲器，減小噪聲污染。

1.4 主排水泵

主排水泵房設計安裝5臺MD450-60×9型礦用耐磨泵，2臺工作、2臺備用、1臺檢修。配套5臺QBRG-150/10K型高壓軟起動器控制水泵起停；設計安裝1套PLC全自動排水系統，根據操作臺集中控制鍵開停水泵，自動完成從抽真空(無需人工灌引水)、開閥選擇排水管路、起泵排水的全過程，實現排水自動化。

設備運行中存在的問題是泵房內D426排水管路未設計安裝閘閥，給后期電動閘閥檢修和維護帶來了不便。建議射流泵管路設計采用螺紋活接口，以方便檢修和更換。

2 供配電設備

2.1 地面供電系統

礦井在副井工業場地建有1座110/35/10 kV變電站及1座10/0.4 kV變電站；在主井場地建有1座35/10 kV變電站。供電電源選擇110 kV電壓等級。110 kV供電線路在供電可靠性方面比35 kV線路高，線路電流比35 kV線路小，達到線路的經濟截面所需的線徑比35 kV線路小。副井工業場地和主井工業場地分別選擇110 kV和35 kV電源線路，相較于10 kV供電電源可以避免因裝機容量的提高對10 kV供電電網產生的壓降及沖擊電流帶來的影響。礦井供電電源及地面主運、副提、主扇、壓風制氮設備等重要負荷均采用10 kV供電電源，與6 kV供電電源相比較，系統電流減少約1/3，在礦井用電負荷增大的條件下，有助于提高供電能力。

2.2 井下供電系統

井下設計安裝了主變電所以及一采區、二采區、南盤區等變電所。所有變電所的供電電源分別取自地面變電站10 kV母線段，各自形成獨立系統，互不干涉，提高了供電質量，使供電更為安全可靠。二采區和南盤區變電所分別以10 kV三回電源進線，形成Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段母線段，通過2個聯絡高爆開關，構成“三回路雙聯絡”供電系統。通過不斷進行技術升級改造，其中Ⅲ段母線段專為掘進工作面局部通風機供電，另外2個母線段分別為綜采、綜掘等回采工作面供電。升級后的供電系統消除了原局部通風機與動力線路在同一母線段的制約因素，提高了局部通風機的供電質量，確保了礦井安全生產。

2.3 信息化系統建設

礦井依托生產調度指揮中心和工業以太環網為數字化傳輸平臺，建設了瓦斯安全監測系統、礦壓在線監測系統、束管監測系統、人員定位系統、應急廣播系統、無線通信系統、工業電視監控系統等管理系統，以及主井原煤皮帶集控系統、副井提升系統、主通風機系統、壓風制氮系統、井下排水系統、供電監控系統等安全生產子系統，使礦井管理更為安全、高效、便捷。

供電系統存在弱電管網設計不合理的問題。波紋管布置于弱電管溝內，由于地面壓力會造成波紋管變形破裂，且季節性雪雨水會滲入波紋管，沉積的泥沙會將其堵塞，給檢修工作帶來了不便。建議將弱電管溝設計改造為電纜溝，以便于線路巡查維修和更換。

3 采掘運機械

3.1 采掘機械

該礦綜放工作面采用單一走向長壁綜合機械化低位綜采放頂煤開采工藝[7-8]，引進德國艾柯夫SL-500采煤機，卡特彼勒PF6系列刮板輸送機、轉載機和破碎機，鄭煤機ZF13000液壓支架，配套使用英國B&F公司2 500 kVA和3 150 kVA負荷中心，順槽選用DSJ140/350/3×500帶式輸送機等設備，綜合機械化程度達到了100%，設備引進率達到了95%。工作面采煤機采用IGBT逆變變頻器，有效控制截割電機起動轉矩，實現采煤機恒功率控制。前后刮板輸送機配套有CST機電軟起動驅動裝置，實現了刮板輸送機空載起車到額定轉速運行的功能，并在緊迫停車或突然斷電時，實現可控停車。工作面和順槽皮帶機引進德國貝克全自動控制系統，實現了區域自動化。該類大功率、大容量、高強度、高效率機電設備引進后，充分適應了復雜多變的地質條件，發揮了應有效能，為礦井穩產高產創造了條件。

由于該礦工作面地質條件復雜，導致工作面頻繁來壓，造成支架部分立柱損壞，加大了立柱、安全閥的更換頻率。支架設計工作阻力為13 000 kN，建議加大支架工作面阻力設計，由13 000 kN 改變為15 000 kN。

在開采過程中，若前后刮板輸送機同時達到3 500 t/h 運輸能力，轉載機無法滿足運輸要求，易出現“壓死”、“憋死”事故。建議優化開采工藝，控制前刮板輸送機割煤與后刮板輸送機放煤的比例，確保均勻上煤。

為適應在粗砂巖、礫巖，甚至有煌斑巖入侵等復雜地質條件下的開采，同發礦井引進了英國多斯科LH1400H硬巖掘進機和MK5全巖掘進機，服務于礦井機掘巷道開拓。2種機型裝機功率分別為430，590 kW，具有裝機功率大、截割扭矩大、截割斷面范圍廣、機身穩定性好等優勢，確保了特殊條件下巷道安全高效掘進。

3.2 運輸機械

井下運輸主要由回采順槽DSJ140和盤區DTL160型膠帶輸送機組成。DSJ140和DTL160 2種機型驅動部分均采用頭部集中驅動，配套選擇10 kV 電動機+VOITH調速型液力偶合器+SEW硬齒面減速器軟啟動方式，大大降低了起車和緊急制動時輸送帶的動張力，減少了啟車時對電網的沖擊和啟動過程中各承力部件的動載荷，延長了減速器、電動機和工作機構等關鍵部件的使用壽命，實現了多電機功率平衡。

地面原煤運輸系統主要由101、111、112 3部皮帶輸送機組成，選型參數均存在偏小問題，運行中在重載起車、滿載運行和煤流不均勻狀況下，易出現悶車、壓煤、停車等事故。經過數次提能技術改造，將原設計膠帶帶強、帶速、運輸能力和驅動設備額定功率等技術參數均進行了重新核實，充分考慮了惡劣的運行工況條件，并增大了各參數的富裕系數，將3部皮帶輸送機帶強全部更換為ST2000，帶速提升為4.5 m/s，運輸能力提升為4 000 t/h，電動機和減速機的額定功率全部提升了等級，并改造應用了10 kV 高壓啟動控制技術。通過改造，徹底杜絕了原煤皮帶輸送機事故，提升了運輸能力。

輔助運輸包括副斜井運輸和井下無軌膠輪車運輸2個部分。副斜井運輸斜長1282.6m，傾角22°。若前期斜井坡度設計為5°～6°，則斜井鋼絲繩牽引運輸將變更為無軌膠輪車運輸。雖然運輸斜長增加、井筒開拓工程量增大，但整體運輸效果更為安全可靠。

井下無軌膠輪車運輸主要由支架搬運車、多功能車、客貨兩用車和人車等運輸車輛組成。采用無軌膠輪車運輸材料設備和人員，機動靈活、效率高、安全可靠，實現了綜采搬家倒面時重型設備不拆卸、不轉載整體一條龍快速搬運，既減少了工作面非生產時間，又減少了巷道軌道鋪設，節約了成本。主要缺點是支架搬運車、鏟運車等設備國產化程度低，設備運行費用較高，對巷道底板要求較嚴格。若增加投入進行輔助運輸巷道車輛交通管理軟件系統建設，有助于大幅提高輔助運輸效率和安全性。

4 輔助設施

機電聯合修理車間由設備中轉庫、綜掘液壓設備修理車間、機修車間和電氣車間組成，主要承擔礦井機電設備中轉存放、綜掘液壓設備修理、低值易耗設備配件加工和高低壓電氣設備維護和修理任務。

聯合車間設計為一體，占地面積7 128 m2。建議各生產車間單獨設計，以避免各車間噪聲、電氧焊煙霧等相互影響。另外，由于晉北地區特殊的地理位置，冬季時間較長，諸如液壓支架、采煤機和掘進機等大件設備長時間暴露于露天敞篷，增加了設備損耗，給冬季設備防凍工作帶來了不便。建議設計增大車間使用面積，提供液壓支架和采掘機械等大型設備的存放和修理空間。

5 結 語

通過對同發東周窯千萬噸礦井“提、通、壓、排”大型固定設備、供配電系統、采掘運設備及輔助設施等關鍵機電項目的設備選型設計、安裝和運行等關鍵技術進行分析，優選出了一整套適合于千萬噸礦井的機電成套裝備，對于同類條件下千萬噸礦井機電裝備配套建設有一定的參考價值。