煤礦綜采工作面“三機”配套技術分析

劉克雷 吳華

摘 要 通過對綜采工作面三機在地質條件、開采工藝、生產能力、設備性能、空間幾何尺寸、壽命等方面進行分析，明確了三機配套應注意的問題及原則，并對三機配套技術發展做了敘述。

關鍵詞 三機配套;技術分析;發展;一致性

綜采與炮采、普采相比較，具有可靠性高、安全性好、產量高等優點，隨著煤礦采煤機械化程度的不斷提高，我國煤炭產量也在逐年提高，綜采工作面已經成為煤礦生產中的主力軍。綜采“三機”（指采煤機、刮板輸送機、液壓支架）配套設備的合理選擇，關系到綜采工作面能否在短期內達產，各設備技術特征能否滿足該工作面的要求，能否在可采期間高產高效。因此，綜采三機設備選擇是否合理，配套關系是否正確，顯得尤為重要。

1三機配套技術

綜采工作面“三機”配套是整套綜采設備的核心。采煤機要依靠刮板輸送機導向并在其上移動，刮板輸送機依靠液壓支架推移，液壓支架又依靠刮板輸送機支承而移動。因此，為了實現綜采工作面生產能力的最大化和安全生產，“三機”在地質條件、開采工藝、生產能力、設備性能、空間幾何尺寸、壽命等方面必須互相適應和匹配。

通過調查研究掌握詳細的地質資料和采煤工藝，是搞好綜采設備選型配套的基礎，設計研制新的機械設備，可以通過協商，調整結構尺寸和性能參數，達到配套的要求。

1.1 地質條件配套

影響地質條件匹配的因素有：①煤層厚度：影響支架的結構空間、伸縮比和支護強度。對薄煤層而言，影響采煤機的是最大結構高度和采高。②煤層傾角：影響系統的穩定性，當傾角>10°，采煤機和支架要有防滑裝置;當傾角>16°時，輸送機要有防滑裝置。③煤層硬度：硬度小（f≤2）的煤層，應當選用較大截深的采煤機，雙中鏈的刮板輸送機;硬度大（f>2）的煤層，應當選用大功率和截深較小的采煤機，優先選用雙邊鏈或中雙鏈刮板。④頂底板條件：頂底板的穩定性決定著液壓支架的支護強度和架型。在頂板不穩定的條件下，應選用截深較小的采煤機，槽寬較窄的刮板輸送機;在底板抗壓強度不同時，支架的底座形式，刮板槽寬應與煤機底托架的形式相匹配。⑤底板比壓：底板比壓影響液壓支架底座形式和面積。底板較軟，承受比壓較小，使支架前端比壓增大，應選用整體閉式底座。

1.2 開采工藝配套

根據地質條件及煤層賦存條件確定一次采全高、放頂煤、分層開采方式。當煤層可放性好通常選用放頂煤開采工藝，而影響可放性的主要因素有煤的厚度、煤層硬度及其裂隙發育程度、開采深度、煤層夾矸厚度和巖性、頂板條件及煤層開采技術條件等。

1.3 生產能力配套

工作面生產能力取決于采煤機落煤能力。要保證工作面高產，刮板輸送機、轉載機、可伸縮帶式輸送機等設備的輸送能力就要大于采煤機落煤能力，液壓支架移架速度就要滿足采煤機割煤、落煤、裝煤的工作速度要求。工作面“三機”生產能力配套按下列步驟校核：

（1）確定工作面所需要的生產能力。在確定工作面生產能力時應考慮如下因素：①同類綜采設備在生產中的實際生產能力;②所選設備能夠保證實現的生產能力;③考慮到投資、效益及礦井發展計劃所需要的生產能力。 最終，工作面所需的生產能力以工作面的小時生產能力為基礎。

工作面小時生產能力：

式中 ——工作面需要的生產能力，t/h;

——日生產能力，t/日;

K——生產不均衡系數，K=1.1～1.15;

N——日作業班數;

M——每日檢修班數;

t ——每班工作時數;

s ——時間利用系數。

（2）核算采煤機可實現的生產能力

=60

式中 ——采煤機可實現的生產能力，t/h;

——牽引速度，m/min;

H ——平均采高，m;

B ——截深，m;

R ——煤的容重，t/m?;

——采煤機開機率﹪，一個生產班內采煤機有效割煤時間與當班時間之比×100﹪。

（3）核算刮板輸送機可實現的生產能力

=3600

式中 ——輸送機可實現的生產能力，t/h;

F——載貨斷面積，㎡;

ρ——滿載系數;

γ——貨載松散容重，t/m?;

——鏈速，m/s。

（4）確定三機綜合生產能力。綜采工作面的各配套設備必須適應與滿足高產高效的需要，就要以工作面設備為基礎，形成一條由工作面向外生產能力配套的“喇叭口”煤流系統，用綜采設備的協調性以保證工作面快速推進的需求，參照國內外高產高效綜采工作面系統生產能力的設計，應以工作面生產能力的1.2倍為基數，由采煤機、刮板輸送機、轉載機、皮帶機能力逐漸遞增[1]。

1.4 設備性能配套

工作面“三機”性能配套主要解決采、運、支護三種設備性能之間的相互配合、避免運轉時的相互制約問題以及系統之間連接方式的匹配，以充分發揮設備性能，最大程度的滿足工作面生產需要。這就需要通過對各個設備的性能及特點研究分析，確定其性能配套的要素，進行必要的調整和改進，使其相互之間性能匹配。

（1）采煤機自開切口的搖臂長度與刮板輸送機機頭、機尾的長度相適應。

（2）采煤機底托架的形式、規格參數與刮板輸送機的中部槽及其鏟煤板、擋煤板的導向方式與其強度相適應。

（3）采煤機的牽引機構、行走機構與刮板輸送機間的聯系和嚙合方式及其強度相適應。

（4）液壓支架的底座和推移裝置與輸送機的機頭、機尾和中部槽的連接及其運用方式（如立即支護還是滯后支護），它們間的連接位置設置以及性能強度相適應。

（5）液壓支架的移架速度與采煤機的割煤速度相適應。

（6）刮板輸送機、液壓支架的防倒、防滑性能與煤層傾角大小相適應。

（7）采煤機的采高與液壓支架的高度相適應。

（8）采煤機滾筒寬度及截深與液壓支架的步距相匹配。

（9）采煤機的搖臂與刮板機的匹配：刮板機的機頭鏈輪中心高度在滿足卸載高度的前提下，應盡量降低;當采煤機進行到刮板機機頭、機尾時，搖臂下擺能夠截透“三角煤”，保證留有一定臥底量，并且設備間無干涉現象。

（10）采煤機的滾筒外輪廓在運行到工作面的端部極限位置時，其底部不得與刮板輸送機的過渡槽部件干涉。

（11）連接頭銷軸尺寸與輸送機擋板槽幫推移耳孔的尺寸匹配;

（12）連接頭與刮板機推移耳的干涉檢查。

（13）連接頭在極限位置時與輸送機中部槽或推移梁的干涉檢查。

（14）電纜槽最大外廓與支架間的極限間隙檢查，應保證人行通道順暢。

（15）電纜槽連接螺栓頭與采煤機牽引支座的間隙檢查。

（16）電纜槽與采煤機外廓的間隙檢查。

（17）電纜槽的高度及寬度與采煤機的配套關系檢查。

1.5 空間幾何關系配套

綜采成套設備的幾何關系匹配主要是中部“三機”幾何關系配套設計，保證設備運行是采煤機、刮板輸送機和液壓支架相互配合、不相互發生干涉與影響，使設備的效能能夠充分發揮。幾何關系的主要檢查配套關系主要包括6 個部分的設備配套及布置關系：工作面綜采成套設備整體布置圖、中部斷面三機配套圖、過渡支架三機配套圖、端頭支架三機配套圖、上下端頭設備布置圖、工作面整體布架圖。

在三機配套中必須合理地控制工作面采高、梁端距、鏟間距、臥底量、采煤機機面高度、過煤空間、過機間隙、行人空間等尺寸，以保證工作面設備最大效能地發揮。

（1）工作面采高。工作面采高決定著采煤機及液壓支架的工作高度。工作面采高（H）依據煤層的開采厚度（h）來選擇：

式中--可能冒落的偽頂厚度，一般約為200～300mm。

--頂板最大下沉量，一般取100～200mm。

a--支架移架需要的最小降架量，一般取50mm。

b--浮煤厚度，一般取50mm。

（2）梁端距。梁端距主要依據煤的軟硬程度、頂板冒落情況、底板沿走向起伏變化情況以及采高等因素來選取，過大將會加大支架控頂距，過小易造成采煤機滾筒割到頂梁，一般為100～300mm。梁端距小有利于維護近煤壁頂板，采高越小，梁端距應越小。

（3）鏟間距。鏟間距過小，則采煤機在斜切進刀時會與鏟板干涉，距離過大，裝煤效果會顯著降低，同時會增加支架的推溜力，影響工作面的推進速度，一般取值在200mm左右。

（4）臥底量。臥底量是滾筒處于最低工作高度時，滾筒切到刮板機支承面以下的深度。當底板有起伏時，適當的臥底量對控制設備在煤層中的位置和清理底板有重要作用，臥底量一般取100～300mm。

（5）采煤機機面高度。機面高度主要考慮到實際工作條件，在最低采高即支架在最低工作高度時，采煤機機身之間要有一定的安全距離，以保證采煤機能夠順暢通過支架。工作面起伏較大時，安全距離應稍大一些。

（6）過煤空間。過煤空間是指采煤機機身下側到刮板機中板之間的豎直高度，在采煤機、刮板機已定的情況下，決定著過煤空間的大小，與采面生產能力息息相關。采高越大，過煤空間應越大。在薄煤層采面，最小也不應小于250mm;

（7）過機間隙 過機間隙應能適應煤層厚度的變化、頂板和底板的起伏，以及浮煤使刮板機和采煤機上飄的影響，還要滿足滾筒運作的需要。一般應大于200mm，在中厚及厚煤層中，應有更大的過機間隙。

（8）行人空間 三機在運行中，應能保證人員移動、操縱和維護設備方便的需要。人行通道的寬不小于850mm，高度不小于500mm，必要時在人行通道上鋪設滑槽，還需保證必要的避讓空間，確保過往行人安全。另外工作面兩端頭的人行通道必須大于700mm。

1.5 壽命配套

使用壽命匹配主要是指綜采成套設備各設備的大修周期基本相同或接近，使設備大修總時間縮短，減少在生產過程的交替大修，保證工作面能持續正常生產。傳統行業中，在使用壽命的計算上，不同設備有不同的標準。

目前對設備的大修周期沒有一個統一的標準來衡量， 可根據實際生產情況， 制定配套“三機”的產量規格，對“三機”統一按產煤量來計算和衡量[2]。

2煤礦綜采工作面“三機”配套技術發展

我國綜采經過近60年的發展，煤炭裝備的自主研發能力、制造技術和綜合實力均達到了世界先進水平，年產1200萬噸成套綜采設備業已基本定型。但我國煤炭裝備制造技術與國外先進國家比較還存在著明顯的差距，主要表現在高端材料、焊接工藝技術及質量控制、液壓密封元件、軸承、變頻及軟啟動、工況檢測與故障診斷、自動控制技術以及整機可靠性等方面。

在最近一個時期，我國煤炭開采將以高效集約化生產為發展方向，以安全、高效、高回采率、環保節能為目標，實現自動化與信息化，提高設備的可靠性，降低勞動消耗，提高生產效率。工作面長度達到400m以上，采煤機實現工作面記憶截割，液壓支架跟機自動化推移，基于智能、視頻與神經網絡的工作面巷道集中控制和地面遠程監控，在中厚煤層實現工作面年產1000萬～1500萬t。

通過對煤礦裝備不斷研究，國內部分廠家已經形成了“三機”成套設備供應能力，如太重、中煤等，鄭煤機、三一等正在加緊布局，其他煤機企業也在積極地向成套化靠攏[3]。

3結束語

煤礦綜采工作面“三機”配套是一項復雜的系統工程，涉及地質學、巖石力學、采礦學、機電等各學科，是提高綜采工作面礦井效率和效益的前提所在。目前的設備選型和配套還是以“經驗類比”為主，雖然基本上能滿足生產需要，但還是存在著一些問題。如有些設備選型設計參數是符合要求的，但在實際使用中無法達到或實現;也有的為了利用現有的設備，其他設備選的時候富余量過大，能力過剩，利用不合理。

煤礦綜采工作面“三機”配套不能停留在簡單的“經驗類比”上，而應開發研制相應的綜采設備選型系統，避免在選型設計中受個人偏見的影響，同時還要對系統中的主要環節進行動態優化設計，使其設計參數與實際運行參數得到統一。隨著三維設計軟件的普及，在三機配套中應加強配套的三維化，由此將大大增加配套的直觀性和準確性。中國礦業大學等科研院所已經開發的有相關系統，國內煤機企業也在做相關的工作，但總體來說使用不太理想，沒有很好的推廣使用。

參考文獻

[1] 沈利華.采煤機綜采配套選型與調整[J].煤礦機電，2008（6）：11-13.

[2] 劉中海，李巖松，王啟佳.綜采成套設備的配套原則分析[J].煤礦機械，2012（8）：99-101.

[3] 梁香過，孫艷軍.綜采配套設備采煤機技術參數的計算選擇[J].煤礦機械，2010，31（5）：3-5.