俄罗斯南方矿综采成套设备配套技术研究与应用

于 雷

(中煤科工集团国际工程有限公司，北京 100013)

俄罗斯煤炭储量丰富，根据2019年BP世界能源统计年鉴披露的信息：俄罗斯煤炭资源储量为1603.64亿t，占世界总储量的15.2%，居世界第二。近几年，煤炭产量一直保持在4亿t左右。

苏联解体之后俄罗斯经历了“去工业化”，导致制造业产值在工业中的比重从1990年的66.5%降至2014年的32.8%。近年来，俄罗斯政府虽然深刻觉察到了“去工业化”对国家发展所带来的严重冲击，也采取了一系列的补救措施，但长期形成的产业结构、资源分配结构、人才结构等问题难以在短期内得以扭转[1]。此外，俄罗斯的煤矿开采理念、矿井设计规范、安全规程、科研技术水平并没有显著更新和提高，大多仍停留在20世纪末的水平[2-4]。与此同时，近40年来，我国煤炭开采技术与制造水平不断提高，特别是近10年来，通过对智能化开采技术与装备的创新研发，突破了多项关键核心技术，智能化综采、特厚煤层智能化综放开采技术与装备等方面取得了重要成果[5-12]，这些情况给中国煤机企业走进去带来了机遇。然而，中国煤机装备在原材料、加工工艺、服务理念等方面与国际知名企业还存在着一定的差距，特别是中俄两国的文化差异、思维方式、工作习惯也给中国煤机企业走进去带来了巨大的挑战。

针对俄罗斯现阶段开采理念和设备使用习惯，基于俄罗斯设计规范、安全规程以及南方矿煤层产状走向起伏较频、倾向有起伏且倾角变化较大的复杂条件下布置的综采工作面进行了设备选型配套并进行现场应用。

1 综采工作面总体配套的前提条件

1.1 工作面情况概述及综采主要设备确定

南方矿位于俄罗斯中部的库兹巴斯煤田。矿井现开采的煤层最小埋深300m，煤层厚度1.32～3.84m，倾角±25°，走向角度±16°；直接顶为粉砂岩，f=4～6；基本顶为砂岩，f=6～8；直接底为粉砂岩，f=4～6。瓦斯相对涌出量25m3/t，有煤尘爆炸危险；工作面最大涌水量500m3/h；采用走向长壁综合机械化全部垮落法开采。10L综采工作面走向长度2300m，倾斜长度220m，设计产能3.0Mt/a。两回采巷道断面形状均为矩形，回风巷宽4.5m，高3.6m；运输巷宽5.1m，高3.6m。

根据煤层赋存条件以及产能要求采用理论计算并结合工程类比法确定工作面设备型号，设备选型结果见表1。

1.2 刮板输送机侧卸方式选择

刮板输送机的卸载方式有两种，分别是交叉侧卸和端卸。交叉侧卸方式是指煤流运至刮板输送机机头后经犁煤板导向卸入转载机溜槽。而端卸则是指煤流运至刮板输送机的机头后直接卸载到转载机上。

表1 综采面主要设备明细

1)交叉侧卸配套方式的优点：①刮板输送机机头与转载机机尾合为一体，降低卸载高度，为端头支护和割透三角煤提供了方便；②提高设备工作效率、延长设备使用寿命；③消除块煤卸载障碍，提高刮板输送机运输能力；④犁煤板将煤流转向与转载机同向，减缓煤流对转载机的冲击，降低了转载机能耗；⑤交叉侧卸机头处不经处理就可安装双动力部，能提高输送机运输能力，特别是工作面倾角较大时，一旦工作面出现上窜下滑，卸载距离保持不变，提供工作效率和安全系数。交叉侧卸配套方式的缺点是由于刮板机转载机之间为固定连接，在工作面设备发生上窜下滑时，调整比较困难。

端卸的优点：①由于刮板机和转载机无固定连接，当工作面设备出现上窜下滑时，调整比较方便；②设备结构简单，容易制造。端卸的缺点：①卸载高度大，煤流垂直直接卸载至转载机上，对转载机的冲击较大；②使用中容易出现搭接不够或搭接过长而导致卸煤不畅、积煤等问题；工作面出现上窜下滑时，卸载距离不稳定[13-16]。

通过对比两种卸载方式的优缺点，同时结合俄罗斯矿井设计规范、煤矿安全规程等要求以及俄罗斯南方矿综采工作面的实际布置情况，决定对10L综采工作面刮板输送机采用交叉侧卸的方式。

2 综采工作面三机总体配套

2.1 刮板输送机优化设计

交叉侧卸配套方式的最大缺点就是当倾角较大时工作面设备一旦发生上窜下滑，调整比较困难。本配套刮板输送机采用交叉侧卸结构和转载机搭接，为了保证转载机平稳布置，刮板输送机机头、机尾与巷道底板需要保持水平。10L综采工作面倾角较大，因此机头过渡处将形成较大的破底开采、机尾过渡处将形成较大的留底开采。为了缩短弯曲段的距离，刮板输送机设计时机头过渡处(10×878mm+3×878mm+2×1000mm机头短槽)、机尾过渡处(10×878mm机尾短槽)均采用了较长距离的多节短槽结构。

此外，为了有效地防止因走向起伏较大且较频繁而引起的输送机“漂溜”、“啃底”问题，对刮板机中部槽与支架推杆的连接方式进行了优化，如图1所示。调斜千斤顶的规格为100/70，长度保证刮板输送机可以调整角度为±5°，千斤顶耳板厚度40mm，销孔直径∅42mm。刮板输送机中部为单耳结构，单耳厚度110mm，连接孔2个，直径为62mm，下孔距底板110mm，2孔中心高115mm；刮板输送机过渡段为单耳结构，单耳厚度110mm，孔直径为62mm，距下端中心高110mm。

图1 刮板输送机与支架连接方式

2.2 采煤机优化设计

刮板输送机优化后的配套方式中与1750mm常规槽对接的机头侧短槽、机尾侧短槽均作为变线的起始点，即变线偏转角度相同。该起始点也是采煤机开至机头或尾极限位置时后滚筒对应的位置。因此，机头和机尾侧变线对采煤机导向滑靴的影响相似，如图2所示。

图2 机头及尾极限位相对的变线起始点相同(mm)

机头或机尾短槽偏转角度为：水平±0.65°、垂直±1.75°，相对于1750mm常规槽的偏转角度来讲，水平方向可形成的弯曲曲率半径更小，可较好地适应倾角较大时工作面交叉侧卸方式并解决了输送机机头、机尾垂直弯曲曲率半径过大而造成采煤机在机头破底、机尾破顶量过大等问题。但是，这种短槽的设计方式对采煤机导向滑靴通过时影响较大，因此需要对导向滑靴进行了优化设计，使其能够更好地适应短槽的配套方式，具体优化方式：

1)相对于常规导向滑靴，新型导向滑靴的前后连接壁厚适当增加(垂直的摆动角度适当减少)，同时两侧外扩以便提高前后连接的强度，提高异常受力的能力。

2)增大腰型孔的偏心距，以便提高水平偏转的能力，适应过大的水平弯曲。

3)优化耐磨层位置与圆角形式，提高与销排的接触效果，减少接触应力与焊接应力。

此外，采煤机在机头或机尾时，推溜点位置直接影响导向滑靴通过S弯时的偏转角，若某点的偏转角大于导向滑靴本身能够适应的最大角度，导向滑靴将出现蹩卡现象。采用弯曲图检验法并结合总体配套的综合考虑，机头、机尾处推溜作业时S弯末端点至巷道煤壁之间平直段需保持35m的距离。

2.3 “三机”总体配套

工作面具体配套如图3—图5所示，相关参数及配套主要说明：

图3 工作面中部“三机”配套(mm)

图4 机头总体布置图(mm)

图5 机尾总体布置图(mm)

1)刮板机机头过渡处、机尾过渡处均采用了较长距离的多节短槽结构，中部槽规格为1750mm×1000mm×310mm，“短槽”规格为878mm×1000mm×310mm。

2)中部支架端面距227～394mm；采煤机机面高度1206mm，过煤高度447mm，铲间距283mm。

3)采煤机中部卧底量为385mm，挑顶量为200mm；机头采煤机最大卧底量约318mm、机尾采煤机最大卧底量约318mm。

4)运输巷内配套设备最宽处与巷道下帮之间的最小行人空间为1038mm。

5)为保证割透机头、尾三角煤，输送机采用变线设计。头、尾各有5节变线，变线量150mm。

3 现场应用

成套综采设备于2018年12月—2019年2月进行了井下试生产，采用端头斜切进刀双向割煤回采工艺。试生产期间整体倾向角度基本维持在22°左右且倾向有起伏，走向起伏急剧变化情况经历了多起，变化范围±16°。在此期间重点对优化设计的刮板机、采煤机关键部件或组件进行了观测，结果如下：

1)试生产期间共有5件刮板发生了弯曲变形，齿轨、哑铃销未见异常。

2)“短槽”槽间搭接舌板并未见明显磨损现象，槽间哑铃销窝变形可控。刮板机其他关键部件检测数据见表2。

表2 刮板机关键部件磨损检测数据 mm

3)“短槽”联接的液压支架平稳有效推进，未见支架十字头出现异常，没有联接装置发生弯曲变形或焊道开裂，也未出现哑铃销弯曲事件，弹簧销依旧保持完全的弹性势能。

4)中部槽和支架间的姿态校正小油缸保证了平稳渡过推进过程中走向出现的“大锅底”。

5)优化后的采煤机导向滑靴适应性较好，未出现短时间开裂现象；滚筒与刮板机铲未出现干涉的情况。

综上观测结果说明：“短槽”设计槽长878mm合理，槽间的连接装置稳定可靠，受力力臂较小；“短槽”槽间的垂直弯曲角度控制在±2°范围内，能够满足倾角25°以下的综采工作面采用交叉侧卸的使用要求；中部槽和支架间的姿态校正油缸能够满足适应走向起伏急剧变化的使用条件。

2019年10月，10L综采工作面完成回采并顺利进入回撤阶段。在煤层赋存条件复杂条件下，工作面实现了最高日进尺13.6m、最高日产12000t的可喜成绩，实现了安全高效开采。现场应用结果达到了预期设计目标，得到了业主的认可。

4 结 语

根据俄罗斯南方矿预回采的综采工作面煤层走向起伏较频、倾向有起伏且倾角变化较大的复杂条件，通过优化设计刮板输送机、采煤机关键部件或组件，实现了倾角25°以下综采工作面采用交叉侧卸的方式；利用支架与中部槽之间的姿态校正油缸精确控制仰俯采角度的技术及配套关系，保证中部槽仰、俯采角度在±5°范围内能够精确控制，有效地防止了因走向起伏较频而引起的输送机“漂溜”、“啃底”问题，提高了工作效率，降低了含矸率。该套综采设备在俄罗斯矿井成功应用，提升了中国煤机企业的国际知名度，树立了中国煤机企业的品牌形象，为中国煤机企业“走出去”奠定了基础。