特厚較軟煤層開采設備的改進與應用

喬建偉

（陽煤集團新景礦安監處， 山西 陽泉 045000）

引言

我國擁有豐富的煤炭資源，其中特厚煤層資源占有很大的比重。目前，我國主要使用分層開采、放頂煤開采和一次采全高的大采高開采三種開采技術來開發厚煤層煤炭資源。為了提高工作面生產效率，近年來綜采放頂煤開采技術在我國得到快速發展和應用，特別廣泛應用于厚度大于7 m的特厚煤層開采中。但由于綜放開采有兩個出煤點的原因，造成其開采設備配備更加復雜，特別是對于較軟煤層的開采。

1 地質概況

本文選取某采區2號煤層為研究對象。2號煤層全區可采且發育良好，煤層平均厚度為11 m，目前采用綜放開采工藝開采該煤層。2號煤層頂板巖性為砂質泥巖、泥巖或細粒砂巖，頂板厚度為4～5m。底板巖性為砂質泥巖或泥巖，底板厚度為2～4 m。2號煤層中煤的堅固性系數為1.2，屬較軟煤層，且該煤層屬自燃煤層，具有爆炸危險性。

2 存在的問題

2.1 液壓支架存在的問題

根據近年來對我國有代表性的特厚較軟煤層工作面參數的考察研究，其工作面傾向長度基本在150～260 m范圍內，割煤高度一般為3.5 m左右。而現有液壓支架的高度普遍較低且中心距較小，影響液壓支架的穩定性的同時也大幅度增加了液壓支架的總數量，從而導致移架速度較慢和勞動強度過大。

由于目標煤層的煤堅固性系數較低，在超前支護時很容易發生工作面煤壁靠近頂板的上部位置和煤壁與直接頂的交界面拐角處受集中水平、垂直和剪切應力的破壞，從而引起嚴重的安全事故。

2.2 大功率刮板輸送機啟動方式存在的問題

目前主要有雙速電機驅動、閥控充液式液力偶合器（TTT）、可控啟動傳輸裝置（CST）和變頻調速等4種3 300 V供電的輸送機軟啟動技術被廣泛采用。其中，雙速電機驅動技術主要被應用于功率小于700 kW的設備啟動中，但當設備功率遠大于700 kW時，雙速電機驅動技術不再適用，此種技術下斷鏈和啟動失敗等故障會時常發生。

2.3 截割采煤機存在的問題

現有截割采煤機的搖臂高度需要每次啟動時重新進行人工校調，這不僅耗費時間，而且難以完全做到每次搖臂的高度基本一致，不能完全適應特厚較松軟煤層割煤和放煤高度較為穩定的特性。

3 工作面設備的優化改進

3.1 液壓支架的優化改進

3.1.1 主要結構參數

由割煤高度可確定液壓支架高度范圍應在2.3～4.2 m，同時選擇中心距為1.75 m的支架。該中心距的支架可比中心距為1.5 m支架少布置約20架，在大幅度提高移架速度的同時也可降低井下工人的工作強度[1]。此外，大中心距的支架具有更大的底座承載面積和更加良好的穩定性。因此，型號為ZF16000/23/42的支撐掩護式放頂煤支架被選用。

3.1.2 結構形式

由于該煤層相對較低煤堅固性系數，因此選用如下頁圖1所示的具有伸縮梁結構的前端的超前支護。在該支護形式下，兩個0.1 m缸徑的伸縮梁千斤頂被采用，其行程與工作面0.8 m的循環步距相同。由于工作面煤壁靠近頂板的上部位置和煤壁與直接頂的交界面拐角處因水平、垂直和剪切應力較為集中會容易被破壞，因此與水平方向呈夾角為3°的上翹伸縮梁被設計，保證了伸縮梁在伸出過程中與頂板的大面積接觸，提高了其與頂板的接觸性。

由于采高范圍在3.5～4 m之間時會在距頂板約1.2 m的煤壁處出現最大水平位移，由此確定1.4 m為護幫板防護的最大高度，并采用最大護幫力為387 kN、直徑為125/85 mm護幫千斤頂[2]。同時護幫板可以通過挑平來使其具備護幫以及護頂兩種功能，其結構如圖2所示。

圖1 前端伸縮梁結構

圖2 護幫板結構

此外，由于砂質泥巖或泥巖底板巖性遇水易膨脹軟化，具有抬底機構的支架設計可避免較軟底板對工作面回采的影響，因此采用抬底力為485 kN、直徑為140/105 mm的抬底千斤頂。

3.2 大功率刮板輸送機啟動方式的優化改進

基于目前主要采用的雙速電機驅動、閥控充液式液力偶合器（TTT）、可控啟動傳輸裝置（CST）和變頻調速等4種3 300 V供電的輸送機軟啟動技術的優缺點分析及其適用條件，有必要對大功率刮板輸送機啟動方式進行優化和改進，以避免遠大于700 kW設備功率運用現有的雙速電機驅動技術啟動時頻繁發生斷鏈和啟動失敗等故障。此外，雖然這些問題可以被另外三種技術有效解決，但由于對水質和油質的要求較高，且維護成本高，TTT和CST兩種方式并不適用。因此，在綜合考慮變頻調速技術在設備控制、設備節能和設備啟動性能等方面的突出優勢，選用變頻調速技術驅動和控制前后部的刮板輸送機[3]。

3.3 截割采煤機的優化改進

由于特厚較松軟煤層割煤和放煤高度較為穩定，因此搖臂傳感器和位置傳感器可被用來定位采煤機搖臂的高度，從而固定割煤高度。搖臂傳感器通過數據采集得到滾筒高度和臥底量，采煤機搖臂的精確位置則通過位置傳感器來確定。二者相互配合以實現特定工作面設定的采高和牽引速度的功能。此外，還可以實現采煤機的采高自動記憶功能和自動調高功能。

4 現場應用效果

優化改進后的采煤設備在特厚較軟煤層綜放工作面中的應用顯示，其工作面生產效率明顯提升，工人的生命安全得到了極大保障，且煤炭生產的經濟效益顯著提高。此外，改進后采煤設備的成功應用也極大地降低了開采成本，且大幅度提高了特厚較軟煤層綜放工作面回采中的煤炭回采率，現場應用效果良好。

5 結語

針對特厚較軟煤層特殊的地質條件，選用大中心距的液壓支架、采用變頻調速啟動技術控制大功率刮板輸送機并對截割采煤機增設傳感器，可以解決現有特厚較軟煤層綜采工作面液壓支架、大功率刮板輸送機啟動方式和截割采煤機存在的問題。現場應用結果表明，改進后的采煤設備生產效率明顯提升，工人的生命安全得到了極大保障，且煤炭生產的經濟效益顯著提高，現場應用效果良好。