成莊礦綜采工作面系統設計優化與現場應用

郭曙光

（山西晉城煤業集團成莊礦，山西 晉城 048021）

1 實施前的狀況及存在問題

1.1 實施前狀況

成莊礦首個大采高工作面投產以來，對礦井的整體發展規劃做出了一些調整，按高效開采及減人提效的要求，今后成莊礦生產模式為一個大采高工作面配一個綜采放頂煤工作面，放頂煤工作面要達到日產15000 t的保障能力，這就對放頂煤工作面的設備配套提出了更高的要求。

成莊礦以往放頂煤工作面在設計時，采面供電系統、支架供液系統、順槽出煤系統等主要系統一直以來遵循如下設計原則：3300 V電壓等級供電距離、泵站最大供液距離、1.2 m順槽皮帶機（驅動電機為2×200 kW）運輸距離均不超過1200 m，這種方式，在一定程度上保證了設備運行的可靠性。

1.2 存在問題

（1）當工作面走向長度超過1200 m時，往往將泵站及移動變電站布置在巷道中部，以此來縮短供電及供液距離[1]。因此，在巷道掘進過程中需在設計位置將80 m范圍內的巷道斷面擴寬500 mm，以保證設備安裝并留出行人通道，加大了巷道工程量。回采過程中，當采至泵站附近時，需提前將泵站處設備倒移至巷口設計位置，重新形成供電、供液系統，這一過程將會導致工作面至少停產一天。

（2）當工作面走向長度超過1200 m時，順槽皮帶機至少布置兩部1.2 m皮帶機，甚至三部皮帶機。因此，需在巷道中部皮帶機頭設計位置對斷面進行加寬，保證機頭驅動布置。回采過程中，需將靠近工作面的皮帶機拆除并回收，同時延伸第一部膠帶機，這一過程也需停產一天。

（3）皮帶機如果正好跨輔助運輸大巷時，需在機頭增加一部轉載溜，將煤流轉運至盤區膠帶機巷，增加了設備及崗位人員。

2 改進目的

在成莊礦現有放頂煤設備的基礎上，按照安全高效開采的要求，通過優化設計，對放頂煤工作面供電、供液、出煤等主要系統進行優化，改變傳統的供電、供液及順槽皮帶布置方式，以理論計算為依據，結合現場經驗，適當加大供電供液距離，將乳化液泵站及移動變電站直接布置在采煤工作面巷口的措施巷或運輸橫川內，滿足2000 m以內的供電、供液要求，同時對原來的1.2 m順槽皮帶機進行技術升級，使其運輸能力分別達到2000 m，實現皮帶機一部化，取消順槽膠帶機布置兩部及以上的方式，在綜采放頂煤工作面實現 “三長”：長距離供電、長距離供液、長距離運輸[2]。

3 優化設計方案

3.1 長距離供電

要實現長距離供電，其技術難點在于克服供電系統中所產生的電壓降，以保證大容量設備可靠啟動并正常工作。放頂煤工作面大容量設備主要是機組、轉載機、前后刮板輸送機，其中刮板輸送機啟動及運行工況最為惡劣，產生的電壓降最大。其裝機功率如表1所示。

表1 工作面大容量設備功率統計表

（1）合理設計供電系統，合理選擇移動變電站及電纜截面。擬定供電系統時，機組和刮板輸送機在采區變電所分別引自不同的高開，同時來自不同的母線段；刮板輸送機移動變電站采用2000 kVA或2500 kVA的大容量移變；移變至開關架處的供電干線電纜截面不低于95 mm2。

（2）對供電干線電纜采用一些必要的技術手段，例如距離較長時，可以利用高壓三通并聯一段干線電纜，降低電纜的等效長度；在開關架處將前后刮板輸送機用一段過線并聯起來，相當于電纜截面增粗了一倍。

通過這些技術手段，3300 V電壓等級條件下，經核算，供電距在2000 m左右能保證設備正常啟動，可靠運行。

長距離供電系統簡圖如圖1所示。

圖1 長距離供電系統簡圖

3.2 長距離供液

要實現長距離供液，技術關鍵在于泵站及高壓管路的選型與布置，保證供液線路上壓力損失在規定范圍內，同時供液流量滿足工作面支架動作要求。

（1）設備及管路選型。經核算，選用2臺BRW400/31.5型乳化液泵，配備XR-WS2500乳化液箱一個，該泵額定流量為400 L/min，額定壓力為31.5 MPa。

（2）經過調研，決定選用6D-64-35型高壓膠管作為供液管，這種管路內壁光滑，壓力損失小，不易產生雜質而造成管路堵塞。

（3）主供液管路到工作面后，支架采用環形供液的方式，這種方式造成的管路壓力損失小。

（4）管路壓力損失及流量校核。按供液距離2000 m計算，管路沿途壓力損失為2.4 MPa，以支架設計初撐力24 MPa計算，泵站恢復壓力應為24+2.4=26.4 MPa。因此，需調整卸載閥恢復壓力使泵站工作壓力范圍為26.4～31.5 MPa，即可滿足工作面支架工作壓力需求。液壓支架的移架速度主要取決于泵站供液流量，經計算實際需要的流量要求為216 L/min＜400 L/min，滿足要求。

實現長距離供電、供液后，設備布置方式大大簡化，移動變電站、泵站及相應的電氣設備便可以集中布置在巷口，可以服務至采面回采結束。其布置簡圖如圖2所示。

3.3 順槽皮帶機長距離運輸

對標準型皮帶機進行升級改造，加大驅動功率，對控制程序進行修改，保證平穩起動，對跨巷段進行特殊設計，取消機頭轉載溜，實現順槽皮帶長距離一部化運輸。

（1）對皮帶機進行重新設計，根據順槽巷道長度及落差確定驅動功率，將標配的雙驅升級為三驅或四驅，分析驅動部受力情況，對驅動架及驅動滾筒同步進行升級改造。

圖2 長距離供電供液系統設置布置簡圖

（2）修改控制程序優化皮帶機起車方式[3]。雙驅時，皮帶機起車方式為手動控制勺桿電機實現加載，驅動增加后，將本布羅控制系統程序進行優化，實現多驅自動加載，加載時間從30 s到180 s，可以根據皮帶機工況人為設定，以達到多驅功率平衡及皮帶機平穩加載，減少起車過程中的沖擊。

（3）皮帶機跨輔助運輸大巷時，對跨巷段設計龍門架，其跨度在為6 m左右，高度不低于2.3 m，以保證正常運輸，達不到這一技術標準時，可以對輔助運輸巷道進行起底；對出煤橫川加工制作延伸架，以連接卸載部和驅動部，從而取消原來的轉載溜。

順槽皮帶機一部化設計如圖3所示。

圖3 順槽皮帶機一部化設計示意圖

4 實施效果

4.1 現場應用情況

綜采放頂煤工作面長距離供電、供液，順槽皮帶等主要系統設計優化后，在井下綜采放頂煤工作面取得了良好的應用效果，自2015年6月以來，已成功在4320、2323、4311、5301等工作面應用，在生產實踐中得到了很好的檢驗，下一步還將在4313及其他類似的放頂煤工作面全面推廣應用。

4.2 效益分析

（1）在綜采放頂煤工作面實現了超長距離供電及供液，相關設備可以集中布置在采面巷口的運輸橫川或措施巷內，直接服務至采面結束，省掉了繁瑣的拆、運、裝等環節，簡化了工藝，提高了效率[4]。

（2）在順槽實現了皮帶機的長距離運輸，一個工作面一條皮帶機，減少了轉載環節，省去了崗位人員及相應維護人員；回采過程中，無需拆除及延伸皮帶機，隊組可以高效組織生產。

（3）綜采放頂煤工作面系統設計優化后，產生的經濟效益體現在以下幾個方面：

① 巷道掘進時，無需施工設備硐室，相當于節省進尺10 m左右，每米進尺成本按2000元計算，節約成本為：2000×10=2.0萬元。

② 設備安裝時，省去了設備往巷道中部鋪設、拆除軌道及相應的運輸環節，相當于節約150個工時，每個工時成本按175元計算，節約成本為：175×150=2.6萬元。

③ 采面回采過程，無需倒移泵站，拆除皮帶、延伸皮帶這兩項工作在實施過程中，采面停產各自至少需要一整天時間，放頂煤工作面按日產10000 t計算，噸煤平均售價為650元。按產量核算的經濟效益：20000×650=1300.0萬元。

產生的總效益為：2.0+2.6+1300.0=1304.6萬元。