绿水洞煤矿急倾斜煤层综合机械化开采三机配套.docx
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绿水洞煤矿急倾斜煤层综合机械化开采三机配套
绿水洞煤矿急倾斜煤层综合机械化开采
“三机”配套设备选型
1引言
急倾斜煤层是指倾角＞45°的煤层，在国内分布较广，赋存条件复杂，开采难度大，开采技术落后，国家对急倾斜煤层开采安全准入要求高。
绿水洞煤矿在倾斜煤层综合机械化开采技术成功的基础上，经过多年对急倾斜煤层综合机械化开采技术的论证和装备升级，现对3212采面煤层倾角≥50°的急倾斜煤层综采的“三机”配套设备提出初步意见。
23212急倾斜工作面概况
该工作面位于打锣湾背斜，跨越
3、3-
1、4号勘探线，标高+487m～+610m。
煤层走向布置，为一单斜构造，工作面南北走向长平均约1400m，倾斜长平均约130m，煤层厚度在2.2m～2.8m之间，可采储量42.0万t。
煤层硬度为半暗半亮型煤，上亮（硬）下暗（软）；其中上分层煤厚约1.0m较亮且较硬，下分层煤厚约1.4m较暗且较软；普氏系数f=2～3。
煤层局部有分岔现象，工作面内共有三个块段存在，上分层煤厚一般1.0m，下分层煤厚一般1.4m，分岔矸最厚1.0m，平均0.7m。
煤层倾沿角走向方向的变化趋势是：
从北到南工作面倾角由缓变陡，北段平均倾角约40°，中段平均倾角约38°，南段平均倾角约20°。
煤层倾角倾向方向的变化趋势是：
从风巷到机巷由缓变陡，风巷部分煤层倾角8°～41°（平均约30°），该段约占工作面倾斜长度左右；机巷部分煤层倾角38°～52°（平均约48°），局部最大倾角达55°，该段约占工作面倾斜长度的左右。
煤层伪顶为一层粘土岩、厚度0.2m左右，直接顶为钙质泥岩厚度为8m，老顶为钙质泥岩、砂岩及薄层含燧石结核灰岩，属二级三类顶板。
煤层直接底板为炭质泥岩厚1.2m左右，老底为泥岩、砂岩及页岩厚2.5m～3.8m，其下为铝土岩及裂隙铝土岩层；属二级Ⅱ类底板。
顶底板岩性较稳定、层理清晰、节理不发育，断层和裂隙局部破坏了顶底板的完整性。
本矿属于高瓦斯矿井。
该工作面绝对瓦斯涌出量为3.87m3/min，绝对CO
2涌出量0.86m3/min。
煤层不易自燃，煤尘具有爆炸性，煤与瓦斯无突出危险性，无冲击地压危险性。
3急倾斜工作面设备的选型与配套
3.1工作面设备选型配套原则
（1）装备升级、安全高效的原则。
3212工作面关系到我矿今后在急倾斜煤层回采与支护的发展。
对工作面进行设备选型时，按一次采全高，设计生产能力45万t/a，以及急倾斜煤层回采与支护特点选择相应的配套设备。
着力提高工作面设备的配套能力和安全生产能力，建立安全高效的生产模式。
（2）设备先进性、装备重型化的原则。
按照设备的技术先进性与开采技术条件相适应的原则，提高设备适应急倾斜煤层开采条件的能力，满足较大功率、高强度连续开采对设备重型化的需求，优先选用国内一流设备。
（3）设备选型系列化原则。
为便于使用、维护及管理，满足设备、备件互换性的要求，设备型号尽可能统一，以提高设备保障能力，取得最大经济效益。
3.2液压支架选型
3.2.1架型的确定
参考《缓倾斜煤层工作面顶板分类方案》，直接顶为二级三类顶板时应选用支撑式液压支架；由于急倾斜煤层采空区矸石必然要向下方滚落，所以应要求支架具有掩护性能，并且底板又有垮落出现推底的的趋势，而四柱式支架对底板的比压分布优于两柱掩护式支架；煤层厚度在2.2m～2.8m之间属中厚煤层，矿山压力较大，顶板属中等稳定，高瓦斯矿井通风断面要求足够，综合5654急倾斜工作面顶、底板特点，最终架型选定为四柱支撑掩护式液压支架。
3.2.2架高、中心距的确定
5654工作面煤层厚度为2.2m～2.8m，考虑到伪顶厚度0.2m，工作面有裂隙及小断层，根据系列化要求，支架采高选为3.1m，为适应工作面采高及顶底板变化，又采用长为500mm的顶帽加高，实际液压支架架高为3.6m；根据双伸缩立柱的伸缩比，支架的最低高度应为1.5m。
支架的中心距，目前国内外有1.25m、1.50m、1.75m、2.0m四种。
5654综采工作面月产能力要求达到4.5万吨，要求采煤机牵引速度在2～3m/min，如今绿水洞煤矿使用的中部槽为1.5m的工作面刮板机已应用多年，较为成熟，为便于设备的配套互换能力，故液压支架的中心距保持不变仍为1.5m。
3.2.3辅助装置的确定
急倾斜综采液压支架除应满足生产配套条件外，还必须具有工作面安全防护和防滑功能。
安全防护上，应做到防止工作面飞矸及片帮煤串入液压支架内伤人及损坏设施，因此，在液压支架设计上增设了可调式伸缩架前挡矸板和架间推拉式挡矸门。
防滑应用上，除继续使用排头液压支架防倒、防滑成组连接装置外，还增设了调推千斤顶，通过作用推溜杆防止溜子下滑。
液压支架上还需设有满足行人安全行走的拉手、阶梯等辅助设施。
目前，国内尚无成熟的设计、生产急倾斜综采液压支架的厂家，根据绿水洞煤矿5654急倾斜工作面现存条件，由广能集团公司自主研发并由下属企业嘉华机械公司制造生产了型急倾斜综采液压支架，满足选型设计要求，操作方式为邻架操作，最大移架距离为700mm。
3.3采煤机选型
（1）5654工作面计划月产能力4.5万t，工作制为两班生产、一班检修，工作面需最小平均生产能力Q
h为：
Qh=45000÷（25×2×7）=129t/h
由于54急倾斜综采工作面目前只能采用单向割煤，上行返空，考虑到生产的不稳定系数1.4，故所需采煤机实际生产能力Q
t为：
Qt=Q
h×1.4×2=129×1.4×2=362（t/h）
（2）液压支架的移架速度V
y为：
Vy=Q
bA/kQ
J（m/min）
式中Q
b—泵站流量，m/min。
乳化泵流量为200m/min。
A—支架中心距，m。
k—管路泄漏损失系数，1.1～1.3。
QJ—支架动作时所有千斤顶所需液体容积，L。
Q
J=S
tF
t+4S
lF
l=6.3×1.54+4×1.5×2.01=21.8（L）
S
t、S
l—移架步距、立柱降距（dm）
F
t、F
l—推溜千斤顶、立柱工作腔面积（dm2）
∴V
y=Q
bA/kQ
J=200××21.8=10.6（m/min）
（3）采煤机所需牵引速度V
q为：
Vq=Q
t/60HBρ
式中H—工作面平均采高，m。
B—截深，m。
ρ—煤的实体密度，一般为1.3～1.4t/m3。
采煤机的选型直接关系到安全高效能否实现，5654工作面平均煤厚2.7m，实行一次采全高，在选择采煤机时应选用较大功率，适应采高3.0m以上的中、硬煤。
在先进技术与故障率低的现用采煤机中，天地上海分公司生产的变频调速电牵引采煤机在大倾角煤层综采使用效果较好，采煤机的开机率达到70%。
因此，选定天地上海分公司生产的无链电牵引大倾角采煤机用于该面生产，其截深为0.63m，理论生产能力为780t/h。
∴V
q=Q
t/60HBρ×2.7×0.63×1.4=2.54（m/min）
电牵引采煤机的牵引速度为0～6m/min，根据三机配套原则要求，移架速度必须大于采煤机牵引速度，因此，所选采煤机符合实际生产要求。
采煤机在最大牵引速度6m/min时的牵引力为689kN，因此，采煤机适应5654工作面。
按行业经验数据牵引功率占截割功率10～25%计算，上行截割功率较小，牵引速度占采煤机理论最大速度的42%，若上行割煤时牵引功率将达到所选采煤机牵引功率的75～95%之间，所以要实现双向割煤，牵引功率应适当增加。
3.4刮板运输机选型
根据工作面生产能力的要求以及采煤机、液压支架和运输机的配套关系，刮板机边双链的挡矸下溜效果优于其它链型刮板输送机，对急倾斜工作面销排机道强度要求高，结合我矿大倾角综采的经验，与原生产厂家中煤国际张家口煤机厂共同协商对原刮板输送机作技术改进后，应用于5654急倾斜综采工作面的生产。
表一为绿水洞煤矿5654急倾斜工作面最终的配套设备汇总表。
表一绿水洞煤矿5654急倾斜工作面设备配套汇总表
设备名称
采煤机产地型号技术参数
装机总功率为618.5KW，供电电压1140V，采高为1.6-3.0m，生产能力780t/h工作阻力为3551-3933KN，支撑高度为
1.5-3.6m，支护强度为0.55-0.56MPa运输能力为800t/h，装机功率为160kw，电压等级为1140v
液压支架四川华蓥
刮板输送
机张家口
急倾斜下
端头支架
桥式转载机破碎机
乳化液泵
带式输送
机四川华蓥
石嘴山西
北奔牛
石嘴山西
北奔牛
平顶山
煤机厂
安徽
淮南PLM1000工作阻力为3487～3778KN，支撑高度为
1.5-2.3m，支护强度为0.88～0.95MPa运输能力为800t/h，总装机功率为320kw，电压等级为1140v
破碎能力为1000t/h，装机功率为110kw，电压等级为1140v
额定压力为31.5MPa，额定流量200L/min，装机功率为110kw，数量2台
功率为2*160KW，输送带宽度为1000mm，运输能力为1000t/h，数量2台4生产情况分析
4.1开采工艺
5654急倾斜工作面采煤方法为单一煤层走向伪倾斜长壁后退式综合机械化采煤法。
根据煤层赋存条件和型急倾斜支撑掩护式液压支架适应高度，确定工作面最大采高3.4m，最小采高2.0m。
煤层厚度在3.4m内采全高，煤层厚度小于2.0m时卧底，大于3.4m时留底煤开采。
工作面伪倾斜量定为机巷端超前风巷端15～18m推进，即伪倾斜角β为8°左右，工作中根据支架、溜子的下滑、上串量作适时调整。
工作面及上端头区使用型急倾斜支撑掩护式液压支架支护顶板，下端头区使用3架型急倾斜横式端头液压支架、按3#
、2#
、1#
顺序由老塘向煤壁并排在机巷支护出口处顶板。
若工作面倾斜长度变短、机尾吃上方煤柱超过3m时，及时回撤多余支架及160溜子中部槽。
工作面采用斜切式割三角煤方式进刀。
割煤机组从进刀位置上行或下行割煤至机尾或机头再返向下行或上行割煤，直至进入下一循环进刀位置。
工作面煤层倾角小于40°时双向往返割煤；煤层倾角大于40°时单向割煤（下行割煤、上行收浮煤）。
割煤司机在支架及挡矸板的保护下用遥控器操控割煤机：
一名司机操作并负责观察前滚筒割顶煤及顶板情况、割净伪顶，一名司机操作并负责观察后滚筒割底板情况、控制采高，发现问题及时停机处理。
割煤最大速度：
上行≤3m/min（割矸时≤1.5m/min），下行≤4m/min（割矸时≤2.0m/min）。
割煤机防滑及故障处理：
保证割煤机液压制动系统完好可靠；当工作面倾角大于40°时，割煤只能从机尾向机头下行单向割煤，从机头向机尾移溜，严禁采煤机从机头向机尾割煤；随时检查采煤机行走齿轮和工作面溜子销轨完好状况；采煤机停机时，将两滚筒落到底板上或插入煤壁；检修采煤机时，必须敲帮问顶，找尽悬矸；处理采煤机故障或更换零部件时，必须在距下滚筒5m内用木料、单体支柱打两排防滑支柱，并把采煤机固定在工作面溜子和支架上，防止下滑，在采煤机的上方和煤壁用木料或单体支柱打好档栏，防止片帮或窜矸煤矸下滑伤人；需更换的零部件或大件要搁实并固定好，同时禁止下方有人。
防飞矸伤人：
每架支架安设架前挡矸装置，每隔5架安设架间推拉挡矸门，架前、架间挡矸装置平时均处于挡矸状态；割煤时，架前挡矸板提前于前滚筒一架打开，待后滚筒经过后立即关闭；架间挡矸板人员通过时打开，经过后关闭。
在溜子机头、桥转机机尾处理故障时，必须有专人看安全，并在工作面溜子机头上方5m处设两排挡矸支柱，并用木料横放固定在支柱上方。
断链事故处理：
首先找到断链位置，在人员操作位置上方3m处打好挡矸及贴帮支柱，并用木料横向固定在支柱上方，用绳子把支柱拴在支架上，防止倒柱伤人，并将采煤机开到操作位置上方，用木料把采煤机底托架与溜子的空间挡好；用回柱机钢绳拉链子时，人员要站在安全地点，防止断绳伤人。
支架防倒、防滑措施：
工作面下端头使用三架组合迈步式端头支架，保持对工作面排头支架的支撑防倒，排头10架液压支架底座靠龙门架用液压缸两两相连，顶梁靠柱窝用液压缸两两相连，使工作面机头处排头10架支架互相制约进行推移架过程的防倒防滑；采用单向移架、推溜，移架过程中，先移第三架，再移第一、二架，以后依次从第四架移至机尾；正确使用好调推千斤顶，推溜时，将调推千斤顶活柱升出抵住推溜杆，保持溜子倾斜推进不下滑，拉架时，收回调推千斤顶活柱，减少拉架阻力并防止损坏活柱。
5.“三机”设备应用效果及改进措施
选用的“三机”设备在绿水洞煤矿5654急倾斜工作面综采实际应用中，达到了产量目标、安全目标的规划要求。
设备配套合理，易于操作，可靠性高，适应性较强，是急倾斜综采成功的基础。
但在几个月生产中，“三机”设备也暴露出一些问题，有必要得到改进，以提高其适应能力。
5.1应用中出现的问题
支撑掩护式急倾斜液压支架：
（1）架间挡矸门操作不灵活。
金属门在大倾角条件下受自身重力的作用向下挤压，导致推拉摩擦力增大。
（2）调推千斤顶损坏量较大。
由于支架底座不封底，调推杆在底板变化大的地方上抬或下落，导致调推杆活柱伸出后串出调推杆上、下端部憋坏，操作时由于不细致，在拉架过程未收回活柱也导致被憋变形。
（3）板式连接头折断。
推溜杆与溜槽间的板式连接头采用铸钢件，综合机械性能不高，当工作面支架与溜槽板夹角由于其他原因变大时，连接头憋断。
双滚筒采煤机：
（1）行走轮折断。
工作面倾角变大后，牵引负荷增大，行走轮磨损加重，每个行走轮使用时间为1～2个月；工作面出现台阶时，行走轮齿更易折断。
（2）行走箱传动齿轮变形、断齿。
花键轴在使用三个月后，花键齿出现弯曲变形，行星齿中心齿损坏两次，行走箱整体更换工期长。
（3）电缆槽内的机组电缆易受飞矸打击，在弯曲点划破造成电缆漏地，影响生产。
刮板运输机：
中部槽腰子连接环处凸头断裂。
中部槽间靠两侧两端的凸头用腰子环连接，四处凸头断裂现象都出现过，共有5块出现过，主要原因有倾角变大后，相互间约束力增大，还有中部槽相互间可能错位过大。
5.2改进措施
在出现上述问题后，我们积极与相关生产厂家一道进行实际分析，并研究改进措施，初步达成了以下解决要点：
（1）液压支架。
架间挡矸门内部增大间隙，并采用推拉缸操作；支架推溜杆增大厚度，调推千斤顶活柱直径加大；板式连接头前端斜角，增大适应角度，并进一步考虑采用锻钢件。
（2）采煤机。
行走轮、行走箱部件从设计选材上、负荷能力上强度加大，并改进设计便于井下装配；改造电缆夹，增大保护面积。
采煤机遥控器要求具有显示采煤机割煤的实际采高。
采煤机的制动保护应采用双极制动。
（3）刮板机。
加大连接凸头质量检查力度。
6.结束语
随着选定的综采“三机”配套设备在绿水洞煤矿5654急倾斜工作面的实际应用，绿水洞煤矿填补了在急倾斜煤层的综采设备装备及生产工艺上的空白，找到了切合急倾斜工作面综采的生产途径，为急倾斜综采的推广积累了宝贵经验；随着“三机”配套设备的改造成功，绿水洞煤矿的急倾斜综采必将更上一个台阶，达到高产高效。
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