綜采工作面設備與采煤工序的協同關系探討

孫 浩，管守軍

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036000）

引言

改革開放40 年來，中國經濟高速發展，煤炭工業在該背景下也進入了高質量發展軌道，促進了采煤工藝的一次次變革，實現了由人工采煤、炮采、普采、高檔普采到綜合機械化開采、自動化開采的跨越，并逐步向智能化開采邁進，同時，工藝的進步極大釋放了生產力，原煤產量由1978 年的6.2 億t 增加至2018 年的36.8 億t，增加了近5 倍[1-2]。目前，作為井工煤礦重要的采煤工藝即綜合機械化采煤工藝（簡稱“綜采”），其中的基本工序破煤、裝煤、運煤和頂板支護全部實現了機械化。

同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司作為朔南礦區的一座千萬噸礦井，井巷布置高度集中化，工作面直接在開拓大巷兩翼布置，“一礦兩面”實現年產千萬噸的規模，那么保證工作面正常生產就顯得尤為重要。作為工作面內兩大重要組成部分設備與工序，不同的學科范疇，如何進行銜接？當兩者發生沖突時，一方面采煤工序不能正常循環，影響工作面產量，不利于實現礦井高產高效；另一方面對設備損壞嚴重，增加了配件的更換頻率，加大了工作面的經濟投入。因此，作為一名采礦工程師必須結合兩者的特性將兩者進行有機結合，協同確保工作面的穩定生產。目前一些學者主要在各自的領域分別進行研究[3-8]，而針對兩者協調關系的文章較少。王祥生，陳再明等[9]通過建立力學模型分析了推移千斤頂在推溜工況下的力學行為，發現推移桿和千斤頂活塞桿的鉸接處所受彎矩較大，容易發生彎曲破壞；胡登高[10]采用動力學仿真的手段著重研究了工作面回采過程中刮板輸送機中部槽的受力狀態；薛挺[11]研究與探討了厚煤層綜放工作面綜采設備的選型要素和原則；樊銀輝[12]認為綜放開采系統具有大尺度和復雜的特點，對其進行了深入研究，完善了基本理論。

1 工作面綜采設備及采煤工序

1.1 工作面開采條件

14203-1 工作面主采煤層為二疊系山西組4 號煤，煤層厚度為6.25～12.23 m，平均9.24 m，傾角1°～6°，平均3°，埋深平均600 m。

工作面走向長度2 870 m，可采走向長度1 727 m，傾向長181.5 m，采用雙巷布置，采用一進一回，即工作面進風側沿煤層底板布置膠帶運輸順槽，用于煤炭運輸兼進風；回風側沿煤層底板布置輔助運輸順槽，用于輔助運輸兼回風。14203-1 膠帶巷斷面尺寸為5.5 m×3.8 m，14203-1 輔運巷斷面尺寸為5.0 m×3.8 m，工作面采用走向長壁后退式全部垮落綜合機械化放頂采煤，采煤機割煤高度為3.5 m，放頂煤厚度為5.74 m，采放比為1∶1.64。

1.2 工作面設備及其技術特征

工作面共布置1 臺采煤機、2 臺刮板輸送機、107套液壓支架（端頭支架1 套、過渡支架8 套（頭3 尾5）、中部支架98 套）、1 臺轉載機和破碎機，設備的主要技術特征見下頁表1。

1.3 工作面采煤工序

采煤工藝為采煤工作面各工序所用方法、設備及其在時間、空間上的相互配合。14203-1 工作面各工序內容為采煤機SL500AC 割煤和裝煤，前部刮板輸送機PF6/1142、后部刮板輸送機PF6/1342 和轉載機PF6/1542 運煤，破碎機SK1118 對大塊煤和矸進行破碎，液壓支架（端頭支架ZTZ30000/27.5/42、過渡支架ZFG13000/27.5/42 和中部支架ZF15000/27.5/42）支護頂板。

工作面各工序在時間上的先后順序是采煤機端部斜切進刀→割煤→移架→推前部刮板輸送機→放頂煤→拉后部刮板輸送機，以上工序大致分為進刀、端頭停機等待和工作面正常割煤三個階段，全部完成為一個正規循環，割煤循環如圖1。

表1 設備主要技術特征表

圖1 工作面割煤循環圖

其中，液壓支架在一個工序循環中起著承上啟下的作用，它的工作狀態包含六個動作：降柱、移架、升柱、推前溜、放煤、拉后溜，隨著工作面回采，有次序地控制支架不斷完成工序循環[13]。

2 設備與工序的協同關系

2.1 生產能力協同

綜采工作面一個正規循環內各工序的完成需要操作對應的設備來實現，其生產能力的協同是保證工序循環、充分發揮綜合生產效能、實現高產、高效的關鍵。采煤機割煤作為采煤工序的切入點，其生產能力（Q生）必須與工作面日產萬噸的生產任務要求相適應，保證采煤機有大功率、大截深和較高的運行速度。工作面前部刮板輸送機的輸送能力（Q前運）必須大于采煤機的生產能力，即Q前運＞Q生；后部刮板輸送機的輸送能力（Q后運）要大于放頂煤生產能力（Q放），即Q后運＞Q放；轉載機的生產能力應能滿足綜采工作面前后兩部刮板輸送機的卸載要求。

液壓支架作為采場的唯一支護構筑物，乳化液泵站輸出的壓力（MPa）與流量（L/min）一方面要滿足液壓支架對頂板的支護強度，確保采場圍巖穩定；另一方面其移架速度與采煤機的牽引速度要相適應，要能夠完成及時移架、推前部刮板輸送機和拉后部刮板輸送機三個工序。

2.2 相對位置關系協同

綜采工作面設備間相互影響牽扯、相關性強。刮板輸送機機頭和機尾（電機、驅動及減速器）分別與連接槽固定在三角形框架和整體推移橫梁的底座上，連接槽與中部槽、中部槽與中部槽主要通過啞鈴銷連接（轉載機類似）；采煤機的推進輪通過固定在溜槽上的齒桿運行；作為綜采設備的聯接點液壓支架，一方面通過底座上推移千斤和推移桿與前部刮板輸送機連接；另一方面拉后溜千斤頂通過環鏈與后部刮板輸送機連接。綜采設備通過剛性連接和軟連接形成一個系統，當工作面穩裝完成后，設備間的相對位置與采煤工序是協同關系，液壓支架的推移步距與采煤機截深相適應，其最大和最小結構尺寸與采煤機的采高范圍相適應。通過系統控制理論基本內容之一的工序控制來實現各設備間的相對位置關系，進而保證工序質量（工程質量）處于穩定的受控狀態。

長期以來，人們采用被動方法來處理工序中出現的問題，一旦其中一個工序出現故障，直接影響到整個割煤循環，造成停工減產。以推移步距為例，由于工序調整，推移步距達不到采煤機的截深要求，采煤機在此區域割煤時防止滾筒割損支架前探梁，兩滾筒只能割底刀，當底刀完成后二次推溜再割頂刀，直接影響生產進度。為了最大限度降低工序間的制約，找出關鍵工序控制點，超前預控，讓工序管理變被動為主動，最大限度減少工序事故，保證工作面設備正常運轉、生產穩定，關鍵工序控制點如圖2 所示[14]。

3 實例——前部刮板輸送機“上竄下滑”

3.1 “上竄下滑”原因

圖2 關鍵工序控制點框圖

刮板輸送機作為工作面煤流運輸系統中的重要組成部分，當其發生“上竄下滑”現象時，會造成刮板輸送機與轉載機的相對位置關系不協同，造成液壓支架間“打架”，損壞側護板、推溜千斤頂和推移框架，甚至導致工作面處于停產或半停產狀態，嚴重影響工作面的產量[15]。工作面地質條件（煤層傾角）和生產條件（頭尾巷存在高差）作為影響刮板輸送機“上竄下滑”的因素[16]，其作為先天因素可以超前預控，但決定性因素就是設備與工序間的不協同造成的。

當設備與采煤工序關系協同時，刮板輸送機與轉載機的相對位置關系是合理的，如圖3 中①所示，其標志是工作面頭部2 號液壓支架的1/3～2/3 在巷道內，其中②為上竄，③為下滑。

圖3 刮板輸送機與轉載機的相對位置關系示意圖

圖4 為刮板輸送機推溜簡化模型，設備與采煤工序關系協同時，支架推移桿推進方向垂直刮板輸送機，當支架推移桿發生一定量的左（或右）偏移（夾角為α），刮板輸送機單節溜槽受力不平衡，會在其合力方向F 上偏移△x，最終導致整體“上竄”（下滑原理一樣）。

圖4 刮板輸送機推溜簡化模型

3.2 綜采設備與采煤工序的協同處置

工作面多采用調斜方式來解決“上竄下滑”，其調斜的過程實質就是將設備與采煤工序間的不協同變成協同的過程，如圖5 所示。

當設備有“上竄”跡象時，工作面仍采用正規采煤工序時，導致刮板輸送機“上竄”，為①；此時應調整采煤工序，將正規循環改成調斜開采，多割機頭或采用單向推移刮板輸送機，使采煤工序適應設備間相對位置的改變，達到協同，為②；當調斜完成后再刷正工作面，使其正規循環，為③。

4 結論

圖5 設備與采煤工序關系協同處置

1）綜采工作面設備與采煤工序的協同關系包括生產能力協同和相對位置關系協同，其既能超前預控，讓工序管理變被動為主動，最大限度減少工序事故，保證工作面設備正常運轉、生產穩定，又能提高經濟效益，最終實現綜采工作面高產高效。

2）刮板輸送機的竄滑是由其受力不平衡造成的，設備與工序的協同可作為處理該問題的頂層設計。