薄煤层煤矿综采装备优化研究

张要展

（河南省新郑煤电有限责任公司，河南省新郑市，451184）

薄煤层煤矿综采装备优化研究

张要展

（河南省新郑煤电有限责任公司，河南省新郑市，451184）

赵家寨煤矿围绕薄煤层开采，改进综采装备及配套设备主要技术参数，进行了大量的现场实验研究，对开采工艺及参数选择进行了全面、系统的现场实验和优化设计，以此提高31106薄煤层综采工作面生产的回采工艺技术，有效发挥综采设备优势，实现安全简便操作，实现薄煤层生产的高效、安全、经济效益并举的良好局面。

优化 薄煤层 综采装备

多年来，薄煤层开采是我国煤矿所面临的重大工程技术难题。我国煤炭资源丰富，但煤层构造较为复杂，目前大部分生产矿井已经向深部开采。采用适合地质条件的综采设备，对较薄煤层进行高效开采，已成为可持续发展的一个关键所在。由于薄煤层设备配套方面的不成熟和技术上的不合理，目前还难以满足高产高效和可持续发展的要求。

郑州矿区为典型的华北“三软”不稳定煤层，地质条件复杂，综采工作面综采装备的正常安全运行是综采面高效、安全回采的保证，特别是近年来矿井综采装备事故的频繁发生，故对综采工作面综采装备的合理科学优化的要求越来越高，因此研究薄煤层综采装备的优化，为赵家寨煤矿薄煤层安全高效开采具有十分的重要意义。

1 薄煤层综采面开采过程中遇到的问题

31106薄煤层综采工作面设计能力60万t／a，所采煤层为3＃煤层，工作面长度170m，煤层厚度1～2m，平均1.37m，倾角10～15°，有走向起伏，煤层为黑色粉状及片状半亮型，煤质为痩贫无烟煤，局部含夹矸矿区大部分可采。考虑到采煤机机身高度、采高要求、煤质情况等因素，31106薄煤层综采工作面采煤机选用300kW左右的装机功率。根据对比，本工作面选用MG160／360－BWD型交流电牵引采煤机。从软顶板条件看，应该选用掩护式支架对维护顶板有较好的适应性，但对支架的底座的前端比压大，易造成支架扎底。综合考虑31106综采工作面使用的主要配套设备见表1。

1.1 输送机运行存在的问题

在薄煤层开采过程中出现了以下几种情况。首先，工作面采用的输送机齿轨为镶入式，生产运行时，煤落入后，造成粉煤在齿轨孔内积聚；采煤机在运行时将粉煤压入齿轨孔，将齿轨孔堵满压实，导致采煤机打滑，不能运行；采煤机齿轨孔不能吐煤，采煤机运行时下方积煤增加了采煤机运行阻力。其次，每天施工单位要派大量的工人清理齿轨孔，才能保证采煤机正常运行，人工消耗大，提高了吨煤成本；输送机电缆槽浅，电缆铺设后，采煤机拖拉链浮在输送机上，运行时采煤机拖拉链容易掉入输送机，造成采煤机电缆拉断，严重影响安全生产，缩短了生产时间。另外，原输送机在使用过程中安全系数低，消耗人工多，事故频率高，影响生产时间长，给矿井的安全生产带来重大隐患。尽管赵家寨矿制定了专项措施，仍多次发生采煤机电缆拉断、采煤机打滑行走不动，工作面停产等事故，使生产时间缩短，满足不了日臻成熟的薄煤层综采工艺生产能力的要求，致使工作面出现停产清煤现象。

为此，对薄煤层综采面输送机进行安全可靠性技术改造势在必行。

表1 31106综采工作面主要配套设备

1.2 原薄煤层综采面端头支护存在的问题

31106工作面利用的π型钢配合单体柱支护不能承受端头整体压力，支护强度不够，效果不理想，常出现端头高度不够、行人通道不畅通等情况；工作面推进时端头工序多，打基础慢；盲巷单体柱不易回收，存在极大不安全因素。

从整体来看，原有的支护技术已经不能满足矿井正常的安全生产需求。对传统的端头支护方式进行安全可靠性技术改造势在必行。

2 综采工艺优化及试验效果分析

2.1 输送机优化

采煤机平均割煤速度是根据工作面设计来计算的，通过经验公式（1）可计算出煤机割煤速度：

式中：A——综采工作面年单产能力，取600000t／a；

T——设计年工作天数，取300d；

b——采煤机截深，取0.6m；

h——综采工作面平均采高，取1.37m；

r——煤的容重，取1.31t／m3；

t——每天工作时间，取18×60min／d；

u——综采机组开机率，取0.5；

t1——每天机组辅助工序时间，取60min／d；

c——综采工作面回采率，取0.93。

基于此算法，可以获得输送机的主要优化方案。

2.1.1 输送机优化技术关键

一是改造后加高齿轨高度，并在合适位置加垫块，提高齿轨孔落煤量。二是在溜槽底托架侧板上割方孔，以利于吐煤，减小输送机运行阻力。三是对电缆槽进行改造，避免采煤机电缆拉断。

2.1.2 输送机优化内容

（1）对输送机销排进行加高。由于原输送机销排高度仅193mm，齿轨孔较浅，输送机运输过程中，浮煤往齿轨孔积聚较快，采煤机过后压实粉煤，堵塞齿轨孔，导致采煤机行走打滑，行走不动。赵家寨矿根据生产实际，要求张家口煤矿机械有限公司，在原输送机销排高度上再加高80mm，并在销排底悬端头下加规格为25mm×30mm的垫片，在销排圆柱下加规格为80mm×30mm×35 mm的垫块，以加强销排增高后的稳定性和牢固性，加深了齿轨孔深度，增大了销排过煤量，输送机运行过程中造成的粉煤积聚问题得到了解决。

（2）对输送机溜槽进行改造。由于原输送机设计过程中，没有考虑到销排下积煤的清理困难的问题，吐煤困难，输送机阻力加大，为了解决这些问题，我们根据现场实际，对输送机溜槽进行了改造，在输送机溜槽底托架侧板上割规格为340mm×170mm×80mm的方孔，以利于吐煤，减小输送机阻力，确保输送机正常运行。

（3）对电缆槽进行改造。31106工作面为薄煤层，当时配套的设备选型比较困难，考虑到煤层太薄，使用后问题暴露不少，如电缆槽太浅，槽深不足200mm，这样采煤机行走时电缆夹容易掉进去，从而造成电缆夹内电缆被拉断，为避免上述原因，综采车间进行了改造。首先把电缆槽外面用12mm钢板加工模具U型板一次冷轧成型，并焊接在电缆槽采空区侧，将电缆翻出后放入U型里，每节电缆槽上焊3个。这样电缆按顺序铺设，中间电缆特殊节开口，穿入采煤机电缆及水管，并用胶带防护，这样电缆槽里面就只有电缆夹在来回移动，杜绝了电缆故障。

2.2 端头支架的优化研究

以现行通用的岩石容重法进行计算支架的支护强度和支架工作阻力，以此来确定端头改进方案：

式中：q——支架所需要的支护强度；

M——采高；

x——倍数，一般取6、7、8；

r——岩石容重，取25kN／m3。

公式（2）中，矿压显现剧烈时，取较大倍数，矿压显现较小时取较小倍数，根据矿井的实际顶底板情况，取倍数为7。

式中：L——支架控顶长度，取4m；

B——支架支护宽度，取1.5m；

η——支架支护效率；取0.8。

2.2.1 原薄煤层综采面端头支护基本情况

原薄煤层综采面使用的端头支护形式多为π型钢配合单体柱，见图1，在转载机上、下两侧打4个抬棚，其中一个跨输送机头，工作面推进时回单体柱将梁向前移，推溜后重新将梁升起，要求梁、柱升紧背实，一梁三柱，盲巷及时回收，梁交替向前移动，一般此工序及日常维护需每班配4～6人。

2.2.2 端头支架优化关键技术

端头支架改造主要是根据集团公司现有步移支架结合使用地点实际情况，将预留加大输送机机头位置，能够保证割两刀煤拉一次端头支架，为生产节省时间。实现自移，保证了安全可靠。改造后端头支护见图2。

图1 原有端头支护

将步移支架输送机位置的油缸移位，加大输送机机头位置，支架中间的链接滑块用油缸代替并加宽，使其能跨转载机支护，靠底座前安装的拉移千斤顶拉架，将滑道帮两个滑板上各加装一根伸缩梁油缸，支撑千斤顶的柱窝的排列方式改为横竖交替，在后顶梁与底座上加装一根支撑千斤顶，见图3。整个端头支架采用操作阀组控制。其优点为：用油缸代替了顶梁之间的滑块，使其伸缩可自动调节支架的宽窄；千斤顶不易损坏，不必经常更换；千斤顶可实现多个分组对称安设，由一人利用操作阀组集中远程控制；千斤顶承载能力大，供液均匀、作用力连续平稳；能够保证割两刀煤拉一次端头支架，为生产节省时间；改造了顶梁柱窝的分布方式，防止了支架前后左右倾斜；解决了薄煤层工作面原端头支架拉不动、不耐压等技术难题；加装支撑千斤顶，防止了后顶梁阻力大。

2.2.3 端头支架优化的内容

（1）将步移支架输送机位置的油缸向前移位，加大输送机机头位置空间到2.2m；

（2）支架中间的链接滑块用伸缩梁油缸改制成70mm长油缸代替，并加双向液压锁；

（3）在第三、四支撑千斤顶之间留出2m的行人通道；

（4）底座前端一帮各有一根拉移千斤顶作为拉移使用；

（5）移架降柱后后顶梁容易压死，根据同一侧支撑千斤顶的高差，两帮各在后顶梁与底座上加装一根支撑千斤顶来改善此情况；

（6）将支架顶梁中间滑道帮两个滑板上各加装一根伸缩梁油缸；

（7）支撑千斤顶的柱窝的排列方式改为横竖交替；

（8）整个端头支架采用操作阀组控制，实现了端头支护的自动化操作。

3 设备优化结果实验研究

3.1 端头支架优化后的指标性能及操作

（1）优化后端头支架主要由前顶梁、后顶梁、底座、支撑千斤顶、拉移千斤顶、伸缩梁油缸、液压系统组成，见图3。

（2）优化后端头支架的操作程序。

将底座前端支撑千斤顶活塞杆推出，固定至转载机推移装置上，落端头支架一侧支护，将支撑千斤顶活塞杆收缩，沿着导轨前进一个行程，升紧背实后重复此工序来拉移另一侧支护，这样往复循环，从而实现交替迈步前移。如遇巷道不直、不平时，容易产生拉移阻力过大现象，这时用两个滑板上加装的伸缩梁油缸作用力使滑板在滑块内快速移动，实现拉移。

3.2 端头支架优化后应用情况

以31106综采工作面为背景的薄煤层综采装备优化，分别对工作面输送机和端头支架进行必要的科学优化，立足于原综采装备不变，在原综采装备上对部分装备进行了科学的改造和优化，实现综采工作面高产高效的最终目标，缩短了对生产的影响时间，减小吨煤成本，提高经济效益；增加技术含量，减少了设备故障和人身伤亡等安全事故的发生，逐步掌握31106薄煤层工作面安全高效开采装备保障，实现操作简单、方便、安全可靠，达到了矿井薄煤层高产高效的要求。

4 综采工作面装备优化的主要成果

（1）通过对薄煤层综采装备的科学优化，从根本上解决了综采工作面综采装备存在的安全隐患，杜绝了因综采装备不合理引起的人身事故，满足了正常的安全生产需要，实现了矿井综采工作面综采装备正常运行。

（2）对输送机进行优化，提高输送机的正常运行率，减少了输送机影响时间，增加了正常生产时间，降低了吨煤价格，实现了薄煤层综采面的高产高效，实现了综采工作面综采装备的合理科学配套。

（3）端头支架从根本上解决了薄煤层工作面原端头支架拉不动、不耐压等技术难题，实现了端头支护的自动化操作系统的应用，减少了端头支护时间，降低了吨煤成本，提高了薄煤层工作面生产能力，为郑州矿区及其他矿区薄煤层工作面高产高效提供了可靠的技术保证。

（4）薄煤层综采装备的优化适应了“三软”不稳定多煤层综采工作面高产、高效的要求，在郑煤集团乃至全国具有一定的借鉴和推广价值。

[1] 刘刚.薄煤层液压支架设计问题的探讨[J].矿山机械，2010（16）

[2] 李开兴.薄煤层及中厚煤层采煤工艺选择[J].中国新技术新产品，2010（14）

[3] 吴士良，席京德，张开智等.年产400万t综放工作面回采工艺试验研究与设计[J].煤炭学报，2000（4）

Study on optimization of fully mechanized equipments for thin seam mining

Zhang Yaozhan

（Xinzheng Coal Electricity Limited Liability Company，Xinzheng，Henan 451184，China）

In view of the improvement of fully mechanized equipments in Zhaojiazhai coal mine，the main technical parameters for thin seam mining were studied，and the mining technology and the corresponding parameters were tested and optimized systematically，with an objective of improving the mining efficiency on No.31106thin seam fully mechanized working face of Zhaojiazhai coal mine，making full use of advantages of fully mechanized equipments and realizing high efficient，safe and simple operation on thin seam mining.

optimization，thin seam，fully mechanized equipment

TD822

A

张要展（1978－），男，河南临颍人，工程师，主要从事生产技术工作。

（责任编辑 张艳华）