大倾角长壁综采“三机”选型配套关键技术

雷 奇，贠东风,2，伍永平,2，谷 斌，刘 柱，张袁浩

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

大倾角长壁综采“三机”选型配套关键技术

雷 奇1，贠东风1,2，伍永平1,2，谷 斌1，刘 柱1，张袁浩1

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

针对 “三机”在大倾角煤层走向长壁工作面上运行所固有的支架倒滑、采煤机上行牵阻力大且制动困难和刮板输送机下滑等突出问题，论述了“三机”选型与配套的关键技术。特别是通过适当加大推移杆长度，有效地解决了大倾角综采固有的因支架尾部下摆导致梁端距变小和(或)浮煤量大所致的推溜距不足而使采煤机滚筒与支架梁端出现干涉的问题；大倾角特厚煤层走向长壁综放工作面下部采用圆弧过渡段布置时，需通过纵向配套尺寸图检验最小采高的采煤机能否顺利通过圆弧段;不仅丰富了综采“三机”选型配套的内容，而且提升了“三机”选型配套水平。

大倾角煤层；长壁综采；“三机”选型配套

大倾角煤层一般指埋藏倾角为35～55°的煤层[1]。为实现我国大倾角煤层安全高效开采，历经几代科研与技术工作者的共同努力，我国大倾角煤层现代化开采技术不断提高。国外对于大倾角煤层的研究主要集中在20世纪70-80年代，直至90年代中期，对大倾角煤层综合机械化开采的核心技术研究及关键设备研制依然较少[2]。近几年，我国煤炭行业受产能过剩影响，煤炭市场萎靡，难采的大倾角煤层开采的必要性及安全与效益受到质疑。但综合机械化开采是煤矿安全高效生产和难采的大倾角煤层安全高效开采的根本出路。 “三机”是指综采工作面的液压支架、采煤机和刮板输送机，是综采设备的重要组成部分，其选型配套是否合理，直接影响整个矿井的生产安全和各项技术经济指标[3]。

目前，大倾角煤层走向长壁综采工作面(简称大倾角综采面)的“三机”选型配套基本沿用近水平综采工作面“三机”的选型配套方法，并未针对煤层倾角大的特殊条件系统研究“三机”选型配套的关键技术，导致选型配套效果不佳。

西安科技大学长期致力于大倾角煤层综采理论与技术研究的团队集近20年研究与工程实践成果，系统地总结出了大倾角走向长壁综采“三机”选型配套的关键技术。

1 大倾角“三机”选型

大倾角综采面“三机”选型的关键就是“三机”能适应大倾角这一特殊复杂条件，即液压支架自身能防倒防滑，即使滑倒后也能通过调整顺利地复位；采煤机牵引力足、制动可靠、润滑效果好；刮板输送机强度足以满足采煤机运行与制动的要求，且能抑制煤炭自溜，使煤炭比较均匀运输[4]。

1.1 液压支架

大倾角液压支架是“三机”选型的重点，其选型的关键在于支架应加装防倒防滑装置以实现自身的防倒防滑；合理的架型与较高的初撑力以及带压移架功能有利于实现支架的稳定性；支架连接耳销等部件强度要高；安全防护系统完善；加装抬底装置便于软底条件下的移架操作。

(1)支架型式 大倾角综采面液压支架随着工作面倾角增大，支架重力切向分力会随之增大，而法向分力减小。支架受力分析如图1所示。支架在工作状态中实现自稳的条件[8]：

图1 支架受力分析

f1+f2=qsin∂+Gsin∂+F2-F1-F3

(1)

f1=u1qcos∂

(2)

f2=u2(G+q)cos∂

(3)

图1和公式中，∂为工作面倾角；q为顶板压力；G为支架自重；P为底板反力；F1，F2为上、下邻架侧护板作用力；F3为下邻架底调梁作用力；L为支架宽度；f1，f2为顶板、底板与支架摩擦力；u1，u2为顶板、底板与支架摩擦系数。

(4)

由上述公式可知，为实现支架自稳，大倾角工作面中倾角越大，支架重量需越小。在保证支护性能可靠的前提下，应尽量减轻支架重量。一般选用重量较轻的掩护式液压支架，两柱掩护式支架是大倾角液压支架架型发展的主导方向[5]。

(2)工作阻力与初撑力 工作阻力与初撑力是支架的重要技术参数。在大倾角液压支架选型时，重点应考虑支架的稳定性。支架工作阻力应适中(以具体矿的矿压研究结果所确定的支架工作阻力为依据)，不应像浅埋近水平煤层大采高支架那样选过高的工作阻力。否则，过高的工作阻力使得支架重量过大，不利于支架在斜面的稳定控制。为保持支架的稳定性，宜提高支架额定初撑力为80%～90%的额定工作阻力，且应配备初撑力保持阀，确保支架达到初撑力。

(3)防倒防滑装置 大倾角液压支架防倒防滑装置是在相邻支架顶梁下安装防倒千斤顶，底座安装防滑千斤顶或千斤顶的一端与上邻架底座相连，另一端通过锚链斜拉与支架顶梁相连。但因安装防倒防滑千斤顶后，支架的灵活性降低，拉架时操作较复杂。一般在排头与排尾的3～5架支架安装防倒防滑千斤顶，以保证排头排尾支架组的整体稳定。

(4)支架侧护板和底调装置 侧护板采用调护并举的双侧双活箱型结构以提高调架力，使支架侧护板紧贴并主动防滑[7-8]；同时加大支架侧护板千斤顶和底调千斤顶缸径，使支架具有足够大的侧推力以保证支架的侧向稳定性。底调机构由导向杆和调护千斤顶及其控制的横梁组成；支架底调梁在原基础上中间加高，平行与非平行伸缩相结合以增强底调机构的适应性[8]。

(5)支架顶梁和底座 支架顶梁应为整体式结构，对顶板载荷的平衡能力较强。支架连杆应具有较强的抗扭性能；底座应适当加宽以提高支架稳定性[6]。

(6)安全防护系统 为确保支架工操作安全，支架采用邻架操作方式(安装于上邻架的阀组控制下邻架降架、移架及调架)。该方式需要采用过管架连接邻架控制胶管，便于检修与更换胶管。为解决大倾角综采面“飞矸”伤人损物问题，支架加设液压控制升降与开闭的“纵-横”刚性防护系统；支架设置行人台阶及扶手，并在支架底座前端顶面焊接行人防滑条，以保障行人安全[9]。

(7)其他 大倾角液压支架底座采用抬底装置。当遇软底支架底座下陷时，移架采用抬底装置使支架底座前端抬起[10]。这样既有利于擦顶移架，保持顶板对支架的约束力，还能抑制移架时支架底座前端铲起底煤。在支架底座前端加装刮板输送机防滑或上调千斤顶，可抑制刮板输送机向下滑移或滑移后上调。耳销需要精加工缩小销轴与销孔间隙，提高销轴与销孔壁的强度，以适应大倾角条件下支架承受的较大侧向力。

应当指出，目前，大倾角支架侧护板伸缩不灵、底调千斤顶无法在工作面更换以及不能带压移架等问题直接影响支架的使用效果，亟待解决。

1.2 采煤机

大倾角采煤机选型的关键在于采煤机制动可靠、牵引力足、润滑效果好、装煤效率高和可遥控操作[11]。

大倾角采煤机采用液压制动器和四象限运行变频器，实现采煤机牵引电动机在“四象限”范围内运行。采煤机电机采用横向布置方式消除了倾角对电机轴向的附加力[12]；采煤机在大倾角工作面下行时，通过变频器将牵引电机的发电能量反馈到电网，从而产生连续稳定的制动力矩以实现采煤机的制动可靠[13]；倾角大于45°时，在传统的液压制动的基础上增设机械防滑装置，使大倾角采煤机具有二级防滑机构进而提高制动可靠性[14]。

大倾角采煤机采用齿轮—销轨式无链牵引[15]。在功率不变时，通过调整采煤机牵引齿轮的传动比，适当降低采煤机牵引速度以增大采煤机牵引力。在摇臂中用通轴取代多级齿轮传动，能较好地解决摇臂润滑问题；将采煤机摇臂改进为弯摇臂结构以及滚筒增设弧形挡煤板以提高采煤机的装煤效率。

1.3 刮板输送机

大倾角综采面刮板输送机溜槽宜选用全封底铸焊结构或整体铸造结构，减小刮板输送机对煤层比压降低底刮板和链上行与底板摩擦阻力，改善刮板输送机的抗滑性能；因工作面倾角在35°以上，煤炭可自溜，大倾角刮板输送机主要限制煤炭自溜以均匀运出，宜采用单电机驱动；同时，采用准边双链，链条摩擦阻力小更换容易；在刮板输送机机尾设置排出回煤的窗口，确保能及时清理底槽回煤，防止回煤堆积影响刮板输送机正常运行；电缆槽上部应增设可翻转挡煤矸板或柔性胶带，减少割煤时煤矸涌入电缆槽，电缆槽内帮增设千斤顶控制的可升降纵向挡煤板，防止煤矸飞入行人通道。

2 大倾角“三机”配套

2.1 设备防滑配套

(1)刮板输送机与液压支架防滑配套技术 前部刮板输送机采用加强型单耳与支架推移杆通过Y形连接件相连，且强度高于Y形连接件，保护单耳不被损坏，最终使液压支架与刮板输送机形成一个防滑系统，加强整体的防滑效果；综放工作面的后部刮板输送机不像前部刮板输送机通过推移杆与支架相连，防滑问题相对好解决。后部刮板输送机通过链条与拉后溜千斤顶相连，不具备防滑功能，一般采用支架底座固定斜拉千斤顶和锚链与溜槽相连防滑[16-17]。因支架后部空间小，锚链影响清浮煤，锚链的张弛易伤人，安全隐患大，所以在大倾角支架底座后部加装燕尾板防后部刮板输送机下滑，但是使用中发现底板软特别是遇水时，燕尾板下陷防滑效果不佳，需加高溜槽的挡块弥补下陷造成的溜槽从燕尾板上滑脱。

(2)刮板输送机与采煤机防滑配套技术 大倾角刮板输送机以支撑采煤机运行与制动为主，运煤为辅，是采煤机的防滑与制动的依托。因此，大倾角刮板输送机的销排和销排座应改进为加强型。在刮板输送机下部焊接楔形板，使采煤机的重心往采空区侧移动，提高采煤机的稳定性，减少支撑滑靴的磨损量[18]；采煤机滑靴采用锻焊结构，避免因滑靴磨损过快造成行走轮与销排不能正常啮合，甚至导致行走轮损坏。

2.2 几何尺寸配套

大倾角综采工作面的“三机”几何关系配套[19]的关键是考虑处于大倾角斜面的刮板机、采煤机和液压支架的相互配合尺寸，保证设备运行时相互不发生干涉，并使其配套设备的效能最大程度地发挥。如图2所示。

1—煤壁；2—刮板输送机；3—液压支架；4—采空区；∂—工作面倾角图2 大倾角综采工作面设备配套尺寸关系

从安全角度考虑，端面距T应尽可能小以防漏顶，特别是大倾角软煤综放工作面端面易漏冒并沿倾斜向上蔓延，护顶难度大，安全隐患多。但从配套方面考虑，端面距T应尽可能大，以免滚筒与梁端干涉。通常采用支架伸缩梁和可升平的护帮板来临时封闭端面距以平衡其既要大又要小的矛盾关系。

在配套时，立柱与底座铰接点到煤壁距离R中包含了端面距，R也应尽可能小，但其受设备配套限制，由图2可知：

R=B+E+F+G+J+V+X

(5)

式中，B为截深，mm；E为煤壁与铲煤板间应留的间隙，mm；F为铲煤板宽度，一般取150～240mm；G为刮板输送机中部槽宽，mm；J为导向

槽宽度，mm；V为电缆槽宽度，mm；X为底座与立柱铰接点到电缆槽的距离，mm。

上述“三机”配套图在实际具体配套时是严格依据支架与溜槽垂直，且推移步距等于截深，配套尺寸单位为mm并按比例精确绘制的。但在大倾角综放面中，由于支架重心偏后及支架掩护梁受采空区冒落矸石滑滚作用等原因，导致支架尾部下摆。综放支架尾梁受冒落煤块滑滚作用以及后部输送机下滑加剧了支架尾部下摆[20-21]。上邻支架尾部下摆，造成支架尾部挤紧，如图3(a)所示，更为严重的是，掩护梁压在下邻架立柱上，如图3(b)所示。

图3 支架尾部下摆

支架尾部下摆直接导致立柱与底座铰接点到煤壁R、梁端距T变小，有效推移步距减少，引起采煤机滚筒与支架梁端出现干涉，如图4所示。这正是大倾角长壁综采区近水平或缓倾斜综采“三机”选型配套的主要标志。

图4 滚筒与支架梁端干涉

支架尾部下摆导致支架顶梁下端向煤壁前移，如图4所示，移动量ΔL为：

(6)

式中，h为支架宽度，γ为偏斜角。

根据长期现场观测研究发现，大倾角综采面支架尾部经常下摆，综放支架下摆更为严重，导致支架顶梁前边与煤壁不平行，推移杆与溜槽不垂直，有效推移步距减小，最终造成滚筒与支架梁端干涉，见图4。此现象在大倾角综采面具有普遍性。

由于大倾角综采面采煤机装煤效果较差，特别是沿真倾斜布置工作面自下向上割煤时装煤效果最差，导致浮煤量大，尤其刮板输送机头部和工作面凹陷段浮煤量更大。遇水泥化的浮煤在刮板输送机与煤壁处淤积，不易清理，推溜受阻。推溜后被挤压的浮煤宽度L导致刮板输送机推移步距不足截深，如图5所示。

图5 浮煤导致推溜受阻

现场虽然采用挂线拉架 ，仅仅是支架被拉成了一条线，但刮板输送机并未挂线，有时拉架时又将推出的刮板输送机拉回一些距离。

基于上述分析，考虑支架在斜面因重心偏后导致支架尾部下摆，支架纵向轴线与刮板输送机或煤壁不垂直以及浮煤量大，及拉架时又拉回少许距离刮板输送机，致使有效推溜步距减小，大倾角综采面实际出现滚筒与支架顶梁干涉。具体的解决方法是在所绘“三机”几何尺寸配套图的基础上，适当加长(一般取30～50mm)推移杆，增大端面距以消除这种干涉。绿水洞煤矿就采用加长推移杆40mm消除了这种干涉，效果良好。以前曾有采用液压锁保证拉架时刮板输送机不被少许拉回，但因液压锁易出故障影响推溜拉架，并不受现场欢迎。

虽然可通过调正支架使支架尾部上移，顶梁前边平行煤壁，消除梁下端向煤壁前移量ΔL，使滚筒不再与顶梁干涉，但现场调正支架极其频繁，且难度较大，影响割煤时间。再者由于浮煤量大，导致推溜受阻，难以推溜到位，需要将浮煤人工清理后才能推溜到位，劳动强度大，特别是清煤工受飞煤矸威胁，安全隐患极大。支架推移杆加长简单易行，但随之带来加长后端面距增大，这可通过相应加大伸缩梁行程来弥补，以收到消除干涉和安全可靠之效。

3 圆弧段布置“三机”选型配套

大倾角特厚煤层走向长壁综放工作面为了有效遏制开采设备的整体下滑和支架倒滑，提高支护系统的稳定性，靖远王家山和华亭东峡等矿的大倾角特厚煤层走向长壁综放工作面下部采用“水平-圆弧-斜线”过渡布置方式，简称圆弧段布置方式[22]。由于工作面采用了圆弧段过渡布置方式，前部刮板输送机的上段处于斜面上，下段处于“圆弧-水平”面上，采煤机由斜面向“圆弧-水平”面运行时，采煤机的行走滚轮与销排未能最佳耦合；当采煤机割煤运行到工作面的“圆弧-水平”段时，应适当挑顶提底以保持圆弧段的正常曲率半径，实现采煤机的行走滚轮与销排的良好耦合[23]。为此需在采煤机上加装挑顶以及切底量显示装置来提示采煤机司机恰当地挑顶与提底操作，还须通过纵向配套尺寸检查图来验证最小采高时采煤机能够顺利通过圆弧段，如图6所示。这正是大倾角综采面圆弧段过渡布置与大倾角直线布置工作面“三机”配套的显著区别。

图6 最小采高时采煤机过圆弧段检查

需要特别指出的是，依据图6，采煤机在圆弧段割煤时，采高不能低于过机高度，否则采煤机就会在圆弧段蹩卡。

圆弧段布置方式对支架的选型也有特殊要求。处于圆弧段支架顶梁受挤压，支架顶梁间呈线接触，相邻支架底座间隙则较大，如图7所示。由此可见，直线段的基本支架不尽适应圆弧段布置方式，圆弧段支架为窄顶梁宽底座支架以便能适应圆弧段曲率，将顶梁线接触改良为面接触。

图7 圆弧段支架布置

目前综采工作面所用的刮板输送机立面最大弯曲3°，制约了圆弧曲率半径下限，使得圆弧段布置仅适用厚度较大的煤层。因此，应适当增大刮板输送机立面最大弯曲度以降低圆弧曲率半径下限，并统筹考虑采煤机与销排的耦合，扩大圆弧段过渡布置方式的适用范围，使其能适应倾角更大、厚度更薄的煤层。

尚需指出，由于缺少大倾角“三机”配套联合试运转的试验台， “三机”联合试运转通常在平面上进行，未能实现地面斜面试验台上的仿真试验。为了降低“三机”下井安装后生产时可能出现的配套上的风险，王家山和东峡煤矿大倾角综采就是利用地面矸石山坡和自然山坡条件搭建试验台，对采煤机的爬坡与制动性能进行仿真试验。由于地面实验条件所限，未能安装支架也无法割煤，也就未能验证支架与采煤机的配套关系合适与否，以及支架下摆与浮煤对“三机”配套的影响。为了能实现大倾角“三机”在井上35～55°斜面上联合试运转，检验选型配套的合理性，以及支架下摆与浮煤对“三机”配套的影响，建议尽早建立大倾角“三机”地面联合仿真试验台，为解决“三机”配套的问题在井上创造条件。

4 结 论

(1)大倾角综采面“三机”选型的关键是液压支架自身能防倒防滑，即使下滑或倾倒后也能通过调整顺利地复位；采煤机牵引力足、制动可靠、润滑效果好、装煤效率高，以及实现可遥控操作；刮板输送机强度足以满足采煤机运行与制动的要求，且能抑制煤炭自溜使煤炭比较均匀运输。

(2)通过适当加大推移杆长度，有效地解决了因支架尾部下摆导致梁端距变小和(或)浮煤量大所致的推溜距不足，而使采煤机滚筒与支架梁端出现干涉的问题。

(3)大倾角特厚煤层走向长壁综放工作面下部采用圆弧过渡段布置时，需通过纵向配套尺寸检查图检验最小采高时采煤机能否顺利通过圆弧段。

(4)直线段的基本支架不尽适应圆弧段布置方式，圆弧段支架应为窄顶梁宽底座，以便能适应圆弧段曲率。

(5)适当增大刮板输送机立面最大弯曲度扩大圆弧段过渡布置方式的适用范围。

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[责任编辑：徐亚军]

Key Technique of ‘Three Machine’Selection and Matching of Long Wall Fully Mechanized Mining with Large Inclination Angle

LEI Qi1,YUN Dong-feng1,2，WU Yong-ping1,2,GU Bin1,LIU Zhu1，ZHANG Yuan-hao1

(1.Energy School,Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Education Ministry Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Disaster Prevention，Xi’an 710054，China)

To the problems of ‘three machines’ working under fully mechanized mining on strike of coal seam with large inclined angle，which include support sliding，larger upward tractive resistance and braking difficulty of coal cutter，scraper conveyor slide downward and so on，key techniques of ‘ three machines’ selection and matching was introduced. The inherent problem of fully mechanized mining with large inclined angle was solved by push rod length was enlarge，which is about interference appeared between shearer drum and support beam end that induced by beam end distance decreased and pull scraper conveyor distance，and those induced by support end bottom and large amount of floating coal respectively. When arc transition section arrangement was applied at the bottom of long wall fully mechanized mining on strike extra thick coal seam with large inclined angle，then whether the coal cutter with the minimum mining height could passed arc section successfully was verified by longitudinal matching size diagram，so ‘three machines’ selection and matching content was increased，and the level of ‘three machines’ selection and matching was improved.

large inclined angle；long wall fully mechanized mining；‘three machines’ selection and matching

2016-05-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.009

国家自然科学基金重点项目(51634007)

雷 奇(1989-)，男，陕西榆林人，在读硕士研究生，主要研究复杂煤层开采工艺与系统复杂性。

雷 奇，贠东风，伍永平，等.大倾角长壁综采“三机”选型配套关键技术[J].煤矿开采，2017，22(1)：36-40，97.

TD

A

1006-6225(2017)01-0036-05