大高差采煤工作面刮板輸送機“上竄下滑”控制技術研究

程昆坡 王向軍 趙延冰

(兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東省濟寧市，272100)

在采煤工作面推進過程中，由于刮板輸送機受重力、支架推力等諸多因素影響，使其沿采煤工作面傾斜方向受到了“向上”或“向下”的分力，導致刮板輸送機向采煤工作面兩巷方向竄動(俗稱“上竄下滑”)，造成刮板輸送機機頭處搭接不合理，極易引發機械事故，產生安全隱患，影響安全生產。本文通過現場實測和理論分析，形成了一套極為有效的控制刮板輸送機“上竄下滑”的方式和方法。在采煤工作面回采過程中，以機頭處搭接合理為前提，在兩巷高差起伏變化較大以及采煤工作面凈斜長“變長”和“變短”的情況下，通過該技術的現場應用，將長出或短出的部分調至機尾，以方便刮板輸送機溜槽的添加或撤除，從而實現刮板輸送機“上竄下滑”的精準控制。

1 采煤工作面刮板輸送機“上竄下滑”原因分析

1.1 采煤工作面傾角的影響

刮板輸送機受力示意圖如圖1所示。

圖1 刮板輸送機受力示意圖

由圖1可以看出，G表示刮板輸送機自重及負重的合力，Gx表示合力G沿采煤工作面向下的分力，Gx表示合力G垂直底板的分力，f表示刮板輸送機受到的底板摩擦力，α表示采煤工作面傾角。在確定采煤工作面設備配套的前提下，當刮板輸送機自重及負重產生的合力的分力Gx大于刮板輸送機靜摩擦力f時，刮板輸送機向下滑動，采煤工作面傾角越大，則刮板輸送機的下滑力Gx越大。

1.2 支架與刮板輸送機位置關系的影響

支架與刮板輸送機受力示意圖如圖2所示。

圖 2 支架與刮板輸送機受力示意圖

由圖2可以看出，P表示支架推移千斤頂給刮板輸送機的力，F1表示推力P垂直煤壁的分力，F2表示推力P沿采煤工作面方向的水平分力，β表示支架的推移千斤頂與刮板輸送機夾角。當采煤工作面液壓支架與刮板輸送機不垂直時，支架推移千斤頂會產生一個水平分力F2(F2=Psinβ)，支架與刮板輸送機夾角β越大，則水平分力越大，刮板輸送機竄動的趨勢也越明顯。

1.3 采斜的影響

采斜的影響原理圖如圖3所示。

圖3 采斜的影響原理圖

由圖3可以看出，P表示支架推移千斤頂給刮板輸送機的力，β表示采煤工作面的偽斜角。P的兩個分力Fx=Psinβ，Fy=Pcosβ。Fx為作用于刮板刮板輸送機水平向左的力，Fy為作用于刮板輸送機沿豎直方向指向煤壁的力。支架推移千斤頂對刮板輸送機的作用除了指向煤壁產生位移外，還會產生令刮板輸送機向機尾方向竄動的力。兩頭進尺相差越大，則偽斜角β越大，刮板輸送機向機尾竄動的力也越大。

1.4 推移刮板輸送機方向的影響

推移刮板輸送機受力分析如圖4所示。

圖4 推移刮板輸送機受力分析

由圖4可以看出，P表示支架推移千斤頂給刮板輸送機的力，F1表示推力P沿刮板輸送機推移段指向煤壁的分力，Fx表示推力P沿刮板輸送機推移段指向機頭的分力，β表示刮板輸送機推移段與采煤工作面夾角。支架推移千斤頂作用于刮板輸送機的力P，產生2個分力，F1=Pcosβ，F2=Psinβ，由于β較小，故F1遠大于F2，因為從右向左推移刮板輸送機，而右部分刮板輸送機已經頂至煤幫固定不動，而且靠近煤壁處浮煤較多，導致底板不夠平整，靜摩擦力大，所以指向機頭的F2的水平分力大部分被抵消。即將被頂至煤壁的刮板輸送機位置是變化的，在較大F1力的作用下，其中一個分力F1y垂直指向煤壁，另一個分力F1x則水平向左，而且推移過程中刮板輸送機滑動摩擦力較小，所以從機頭向機尾方向推移刮板輸送機的過程中形成了刮板輸送機向機尾方向的竄動，反之則從機尾向機頭推移刮板輸送機會使刮板輸送機向機頭方向竄動。

1.5 采煤機截割方向的影響

采煤機截割受力分析如圖5所示。

圖5 采煤機截割受力分析

由圖5可以看出，F1表示截割阻力，F2表示采煤機牽引力，F3表示刮板輸送機受到的反作用力，f表示刮板輸送機受到的底板摩擦力。在采煤機向機頭割煤過程中，采煤機的牽引力F2會產生一個大小相等、方向相反的作用力F3和底板對刮板輸送機起阻礙作用的摩擦力f，當F3大于最大靜摩擦力f時，刮板輸送機向機尾竄動，F3的大小取決于采煤機前進的牽引合力，f的大小取決于底板的平整程度、刮板輸送機的自重和負重以及采煤工作面傾角等諸多因素。

1.6 刮板輸送機張力的影響

刮板輸送機張力分析如圖6所示。

圖6 刮板輸送機張力分析

由圖6可以看出，刮板輸送機運行過程中產生指向機頭方向的張力為F1+F3，指向機尾方向的張力為F2+F4。F2和F3都作用于刮板輸送機松鏈方向且近似相等，即F2≈F3，而F1作用在重鏈，F4作用在空鏈，因此只要刮板輸送機有載荷，刮板輸送機指向機頭的力就要大于指向機尾的力，刮板輸送機就有向機頭竄動的趨勢。

1.7 采煤工作面面長變化及底板平直的影響

采煤工作面受兩端頭高差變化影響及偽斜超前距離變化影響，其凈斜長會發生變化，導致刮板輸送機相對變長或變短，進而影響刮板輸送機的“上竄下滑”。采煤工作面底板的凹凸不平產生兩種影響：一是影響采煤工作面長度，導致刮板輸送機發生相對位移；二是影響底板與刮板輸送機間的摩擦力，對刮板輸送機“上竄下滑”的控制造成影響。

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綜上所述，刮板輸送機“上竄下滑”是由多種因素共同導致的綜合結果，各影響因素在不同采煤工作面、不同設備配套及采煤工作面現場條件發生變化的情況下，所占比重不同，但歸根結底刮板輸送機的“上竄下滑”是由于力的不平衡性所導致的。而采煤工作面傾角及面長、設備位置狀況是動態變化的，如何找到一個相對平衡的狀態是控制刮板輸送機“上竄下滑”的核心。

2 刮板輸送機“上竄下滑”控制技術

3304下綜放采煤工作面凈長為210 m，兩端頭高差為20～38 m，采煤工作面傾角為6°～12°，“上竄下滑”控制難度較大。2017年8月下旬在3304下采煤工作面組織生產，采煤工作面兩端高差約為28 m，自然傾角約為8°，按照采煤工作面調斜經驗公式，采煤工作面調斜距離計算見式(1)：

S=Ltan(α/2) (1)

式中：S——采煤工作面調斜距離，m；

L——采煤工作面長度，m；

α——采煤工作面傾角，(°)。

根據式(1)確定采煤工作面調斜至機尾超前15 m。調斜后，刮板輸送機明顯上竄，導致機頭和轉載機搭接失控。經過現場實測及理論分析研究，采取了相應控制措施，迅速改變被動局面，且后續推進過程中(特別是高差達到38 m時)沒有再次出現該問題。

2.1 科學統計分析“上竄下滑”運動趨勢

(1)現場標定基準點，采取拉長線的方式，減小人為測量誤差。

(2)取機頭和機尾至巷道中心線變化的平均值作為“上竄下滑”運動的判定依據，降低因局部提臥刀變化導致面長變化帶來的誤判。

2.2 分清主導因素，確保控制措施“對癥下藥”

刮板輸送機“上竄下滑”問題的控制要分清何種影響因素占據主導，由于各種因素的動態變化，主導因素也會因不同措施發生相應改變。調面有時出現特殊情況，即采取調面措施后，刮板輸送機并未按照預想軌跡運動，而是向相反方向運動，且越調面刮板輸送機越向相反方向運動。出現這種現象的原因有以下兩點。

(1)調面實效性：調面后，支架變向幅度滯后于刮板輸送機變向幅度，支架推移力迫使刮板輸送機向相反方向運動，此時支架推移力為刮板輸送機運動的主導因素。

(2)“調過了”：當采煤工作面大比例調面后，支架保持與刮板輸送機垂直關系，此時采斜影響占據主導因素。

當3304下采煤工作面的進風巷超前12 m以上時，基本以采斜影響占據主導因素；當進風巷超前8～12 m左右時，支架的推移力影響占據主導因素；當采煤工作面進風巷超前小于5 m以下時，采煤工作面傾角影響占據主導因素。

區隊采用以側護板調架的方式進行“上竄下滑”控制，將進風巷超前距離控制在8～10 m左右，現場每班間隔5組支架監測“線縫”，對支架與刮板輸送機的位置關系進行動態監測，發現支架向機頭擺向應立即采取調架措施。

單純的依靠經驗公式調面來控制超前距離，進而控制刮板輸送機的“上竄下滑”，這種方式不具備普遍適用性，且短期內難以改變。而“調架”措施經現場實踐行之有效，且避免了因頻繁調面而造成支架“擠架、咬架”、面長變化導致的設備搭接不合理以及調面導致的采煤工作面局部“拖后”等問題。

2.3 分清“輕重緩急”，采取“微調”與“急調”措施

(1)“輕重”控制：刮板輸送機“上竄下滑”運動速度快慢不一，因此需要對刮板輸送機采取相應的措施。3304下采煤工作面控制“上竄下滑”程度由輕及重措施分別為：單向割煤、單向推溜、調架、調面。調面主要有3種分類方式：一是調面措施按吃刀位置分為短刀調面和長刀調面。短刀調面的優點在于見效快，缺點是迫使刮板輸送機運動距離小，因此多用于“攔截”刮板輸送機“上竄下滑”趨勢。長刀調面的缺點是見效慢，優點在于刮板輸送機運行距離大；二是調面運行軌跡分為圓弧調面和扇形調面。圓弧調面的優點在于見效快，缺點是迫使刮板輸送機運動距離小。扇形調面缺點是見效慢，優點在于迫使刮板輸送機運動距離大；三是按調面比例分為大比例調面和小比例調面，大比例調面對刮板輸送機“上竄下滑”控制見效較快。

(2)“緩急”控制：若機頭搭接已經不合理，出煤空間不足，且機尾本身超前，如果盲目采取機尾多進的調面方案，勢必造成采煤工作面變短，導致機頭出煤空間繼續惡化。正確方案是及時采取調架、單向割煤、單向推溜等不改變面凈斜長的辦法，進而迫使刮板輸送機先向機尾運動一段距離后，再采取機頭調面措施。

應根據實際情況具體采取哪種方式來控制刮板輸送機的“上竄下滑”，經過分析和討論各方案的優缺點，采取最優措施。

2.4 分清調面目的，采取“因事為制”措施

調面有兩個目的：一是控制刮板輸送機的“上竄下滑”；二是將采煤工作面調至一定偽斜角度，如采煤工作面過老巷、過斷層、采煤工作面停采等情況。第二種情況調面必須保證刮板輸送機不運動或少運動。例如需要采煤工作面機頭多進，如不采取相應措施，機頭多進會造成刮板輸送機向機尾運動。通過分析，可以采取調架使支架向機頭擺向、采煤機采取單向割煤(采煤機向機尾方向割煤，向機頭方向跑空刀)、單向推溜(刮板輸送機自機尾向機頭方向推溜)、采取改變兩頭進尺微調(兩端頭進尺分別為800 mm和700 mm)等措施，或多種輔助措施并用的方式控制刮板輸送機的運動。

3 結語

刮板輸送機的“上竄下滑”控制是系統問題，沒有固定的模式。本文通過對刮板輸送機受力狀態的理論分析，結合現場工作實踐，提出了一套極為有效的控制刮板輸送機“上竄下滑”的方式和方法，科學分析了“上竄下滑”的趨勢，找到了相應階段影響刮板輸送機“上竄下滑”的主導因素，并采取了相應的最優措施。通過一系列技術措施的實施，最終實現了刮板輸送機“上竄下滑”的精準控制。