6. 2m 采高工作面成套国产装备稳定性研究与应用.pdf

收稿日期2010 －08 －16 作者简介马万祥 1963 － ，男，宁夏平罗人，长期从事机械化采煤与管理工作，现任神华宁夏煤业集团枣泉煤矿矿长。 6. 2m 采高工作面成套国产装备 稳定性研究与应用 马万祥1，刘小明2 1. 神华宁夏煤业集团 枣泉煤矿，宁夏 银川751410; 2. 神华宁夏煤业集团 羊场湾煤矿，宁夏 银川751410 摘要综采工作面的 “三机” 采煤机、刮板输送机及液压支架 配套及其系统的稳定性 是成套综采设备的核心。羊场湾煤矿首个 6. 2m 采高工作面煤层倾角大、走向起伏角大、顶板围 岩破碎、工作面易片帮冒顶，赋存环境复杂。以此为工程背景，研究了该工作面成套国产设备的 适应性及稳定性控制问题，并提出了针对性的控制措施。现场开采实践证明，现有的设备及技术 措施有效控制了 “三机”及系统的稳定，保证了工作面安全、顺利回采。该技术对宁东矿区其 他大采高工作面设备系统的稳定性控制有一定的借鉴意义。 关键词大采高;国产装备;稳定性;复杂特厚煤层 中图分类号TD42文献标识码B 文章编号1671 －0959 2011 05- 0043- 03 Study and Application of Completed Set Domestic Equipment Stability to 6. 2m Cutting Height Fully Mechanized Coal Mining Face MA Wan － xiang1，LIU Xiao － ming2 1. Zaoquan Mine，Shenhua Ningxia Coal Mining Group，Yinchuan 751401，China; 2. Yangchangwan Mine，Shenhua Ningxia Coal Mining Group，Yinchuan 751401，China AbstractThe three machines coal shearer，scraper conveyor and hydraulic powered support match in a fully mechanized coal mining face and the system stability would be the key of the completed set fully mechanized mining equipment． The first 6. 2m high cutting coal mining face in Yangchangwan Mine was high in seam inclination，high in strike undulating angle，broken in roof surrounding rock，easy in spalling and roof falling of the coal mining face and the deposit environment of the coal mining face was complicated． Base on the background of the engineering，the paper had a study on the adaptability and the stability control issues of the completed set domestic equipment applied to the coal mining face and provided the related control measures．The site mining practices showed that the available equipment and technical measures could effectively control the three machines and the system stability and could ensure the safety and successful mining of the coal miming face．The technology would have certain references to the stability control of the equipment system applied to the high cutting coal mining faces in Ningdong Mining Area． Keywordshigh cutting height;domestic equipment;stability;complicated ultra thick seam 羊场湾煤矿 110206 大采高工作面是宁煤集团首个采高 超过 6. 0m 的工作面，煤层节理裂隙发育，工作面顶板破 碎，围岩环境复杂，且工作面设备全部为国产，因此成套 国产装备的适应性和稳定性控制问题，是实现安全、高产、 高效矿井建设的关键因素之一。对于破碎围岩环境下煤矿 安全开采已有大量研究［1 －5 ］，部分学者对大采高、大倾角 煤层设备稳定性的控制也进行了相应研究［6 －7 ］，但是对于 如此复杂赋存条件、采高如此之大 6. 2m、工作面成套 装备为全部国产条件下，工作面设备稳定性研究还不够系 统和充分。以羊场湾煤矿大采高工作面成套国产装备的稳 定性控制为目标，通过理论研究、设备技术改造、开采实 践，提出了复杂特厚煤层大采高工作面成套国产装备稳定 性控制技术措施，保证了安全开采，该研究对类似条件下 大采高工作面设备稳定性控制具有一定的借鉴意义。 1工程地质概况及工作面主要设备 羊场湾煤矿 110206 工作面主采煤层为 2煤层，煤层均 厚度为 6. 3m，倾角 15 ～ 20，走向起伏 8 ～ 12;煤体节 34 2011 年第 5 期煤炭 工程生产技术 理裂隙发育 f 2 ～ 3 ，煤柱侧压大，易片帮;围岩破碎， 冒顶频繁 最大冒落体积 216m3 。 依据羊场湾煤矿二煤的复杂赋存条件，综合考虑各方 面因素进行装备配备，工作面主要国产设备的主要技术参 数见表 1。 表 1 110206 工作面国产成套装备列表 装备名称设备型号 电牵引双滚筒采煤机MG900/2245 － GWD 支 架 二柱双伸缩掩护式中间架ZY10000/28/62D 二柱双伸缩掩护过渡支架ZYG10000/26/55D 二柱双伸缩掩护端头支架ZYT10000/26/55D 刮板机 转载机 破碎机 自移机尾 SGZ1250/2565 SZZ1350/525 PLM4500 DY1600 2成套国产装备现场稳定性控制措施 2. 1采煤机稳定控制措施 大采高工作面开采过程中，采煤机重心高，稳定性差; 煤层倾角大，采煤机倾向稳定性差。 2. 1. 1采煤机沿倾向稳定性控制 基于工作机构牵引力、输送机牵引阻力和摩擦阻力影 响等，通过式 1 确定了采煤机最大牵引电机功率为 2 150W，最大牵引力增至 1080kN，最大装机功率增加至 2300kW，增大了爬行能力，有效控制了采煤机沿倾向的倒 滑问题。 T ∑ P1 P2 P3 P4 P5 1 式中T 采煤机牵引力，kN; P1 工作机构牵引力，kN; P2 将煤装入输送机牵引阻力，kN; P3 机器重量，随机移动电缆，水管重量与机器 移动时产生摩擦阻力，kN; P4 煤层倾角引起下滑力，kN; P5 滑靴被卡等产生附加阻力，kN。 2. 1. 2采煤机沿走向稳定性控制 在走向上，采煤机在沿采空区方向处于自由状态。在 推进方向上，采煤机截割部件受煤壁的反作用力，采煤机 机身较高，截割部件受力较大时会直接影响到采煤机的稳 定性。加大采煤机内槽净宽 1250mm ，降低机身 重心 高 度，使支架能够适应煤层走向 8 ～12起伏条件。 2. 2支架稳定控制措施 大采高工作面赋存条件复杂，煤层倾角为 15 ～ 20， 平均 18，支架防倒防滑控制是难题，其技术关键就是支架 的倾向稳定性与走向稳定性控制。 2. 2. 1支架防倒防滑控制技术 在大倾角工作面，煤层的顶板不是沿着法向移动，而 是沿一条接近重力作用方向的曲线移动［8 ］。顶板移动的切 向分量对支架产生侧向力，可能导致支架倾倒，如图 1 所 示。支架在顶板压力 P 合力为 P 、支架自重 W、上下邻 架挤靠力 PS，PX，初撑力 q 合力为 Q 、底板反力 R 作用 下处于平衡状态。假设倾斜顶板对支架产生的压力仍认为 它沿重力方向，当顶板压力不断增大，支架立柱达到额定 载荷，开启安全阀门调整后，立柱的支撑力就表现为顶板 压力的分力，支架所受合力作用点可能要偏出支架下边缘， 导致支架倾覆。在力矩极限平衡条件时，底板反力作用点 在 O 点处，此时有 PS－ PX h P hsinα － B 2 cos α Wb 2 b B/2 cosα － csinα 3 式中h 支架高度，m; α 工作面煤层倾角， ; B 支架底座宽度，m; b 支架自重作用方向与支架底座下边缘的水平距 离，m; h 重心高度，m。 从式 3 可看出 b 与 α 成反比。当支架底座越宽、支架 重心越低、支架越稳定，适应的倾角将越大。 图 1支架抗倾倒与防滑计算原理 在进行支架设计与现场应用过程中，研发了防倒自动 控制装置，保证支架稳定运行。其原理是在支架掩护梁、 顶梁各安装一个角度传感器，在底座箱安装一个位移传感 器，通过这三个传感器检测支架工作中的参数变化，采集 的数据反馈给电液控制系统进行数据处理后，按照设定的 程序进行控制，有效控制大采高工作面支架倒滑现象。 2. 2. 2支架沿走向稳定性控制 两柱掩护式大采高支架的结构参数对其走向稳定性的 影响很大，特别是顶梁柱窝前后段比值、平衡千斤顶参数 和位置尺寸，掩护梁走向投影长度和与水平夹角等参数是 重要的影响因素，走向失稳主要表现为支架的正常几何位 态被破坏。 大采高工作面采用的国产支架研制了主动限位装置。 此装置为机械限位，装设在顶梁与掩护梁的固定耳座上， 44 生产技术煤炭工程2011 年第 5 期 限位板一端采用铰接圆孔，另一端中间开长槽形成滑道， 两端都用销轴铰接，销轴可根据支架角度变化在限位板槽 内前后位移。工作时可根据支架仰俯角变化要求，调节限 位装置滑道的距离以限制支架升降架或支护时仰俯角最小、 最大变化范围。其主要功能一是达到平衡千斤顶的极限 位置时有机械装置限制避免拉坏平衡千斤，二是工作时限 制仰俯角超限，特别是老顶来压造成冲击压力时，保持支 架在工作面有效支护，在最大限度保证人身、机械安全及 提高支护效果。 2. 2. 3支架沿倾向稳定性控制 大采高支架支撑高度大，若采用传统的配合间隙，支 架也会出现歪斜、扭转，甚至倒架现象。因此在进行支架 设计时，采用了四连杆机构，其主要作用是保证支架倾向 的稳定，控制顶梁的运动轨迹，能承受较大的水平分力和 侧向力。四连杆结构形式选择上，采用最稳定结构 “前双、 后双”的连杆形式，在架间中心距 1750mm 情况下，加大 两前连杆 立柱 间的中心距离至 960mm，增强支架本身的 抗偏扭能力。当支架处于最大高度 6. 2m 时，顶梁倾向偏移 量只有 53. 7mm，立柱倾向偏斜角度为 0. 61。 另外，研制了支架防倒自动控制装置，在支架掩护梁、 顶梁安装角度传感器，在底座安装位移传感器，实时监测 支架工作参数，及时反馈到电液控制系统，实现支架防倒 自动控制，增强了支架抗扭能力。 2. 3刮板运输机下滑控制 羊场湾煤矿大采高工作面采高大，煤层倾角与走向起伏 大，刮板运输机运量大 4000t/h ，内槽净宽大 1250mm ， 在开采过程中，刮板输送机受煤层倾角、采煤机割煤顺序和 输送机推移顺序等因素影响，出现上窜下滑现象，这也是制 约工作面正常生产技术难题之一。采用调伪斜技术有效控制 刮板运输机稳定性。工作面沿垂直于伪仰斜方向推进，即沿 走向方向工作面下端头超前上端头一定距离。这样布置一方 面可以减小工作面倾角，另一方面多次 “推溜拉架”后刮板 运输机可明显上窜。 根据理论分析 如图 2 所示 ，有式 4 存在 ΔL ≈ R －R2－ B 槡 2 100 4 式中ΔL 刮板运输机的上窜量，cm; R 每次推溜长度，m; B 推溜步距 截深 ，m。 由式 4可 以 看 出，ΔL 随 B 增 大 而 增 大 B 为 0. 865m ，见表 2。因此，要合理确定刮板运输机下滑量与 调伪斜的角度之间的关系，既要靠调伪斜使刮板运输机上 窜，又要防止上窜量过大。 图 2工作面调伪斜原理 表 2推溜长度与上窜量的关系 R/m3045607590105120135150 ΔL/m1. 25 0. 830. 620. 500. 420. 360. 310. 280. 25 3现场应用效果及建议 自 2008 年 6 月开采以来，110206 工作面日单产在 2. 5 ～3. 5 万 t，月平均产量达到 80 万 t，月最高产量达到 86 万 t，回采工效达到 252. 5t/工日，采煤机开机率达到了 92. 6，单面具备了 1000 万 t/a 的能力，设备运行稳定， 未发生轻伤及以上事故，百万吨死亡率为零，开采经济效 益、社会效益显著。现场开始过程是一个动态的、复合的、 不确定的综合工艺过程，开采过程中，必须根据现场实际 情况，制定并及时调整工艺技术措施，保证工作面设备的 稳定，为矿井安全、高效开采提供基础保证。 参考文献 ［ 1］Xingping Lai，Fenhua Ren，Yongping Wu，etal. 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