同发东周窑千万吨矿井建设机电关键技术

2018-02-14叶志勇孟国胜

现代矿业 2018年9期

叶志勇孟国胜

(1.大同煤矿集团有限责任公司同发东周窑煤业公司；2.大同煤矿集团有限责任公司)

目前，千万吨矿井建设已成为煤炭行业结构性产业调整的重要举措。千万吨矿井的鲜明特点是装备的大型化及控制系统的智能化、高端化，机电装备是千万吨矿井安全高效生产的重要保障[1-2]。大型固定设备、供配电系统、采掘运设备及辅助设施是千万吨矿井的关键设备，该类设备能否安全可靠运行直接决定矿井能否安全高效生产[3-6]。因此，有必要对千万吨矿井关键机电装备进行系统研究，科学选型、合理配套，优选出成套设备，并根据设备运行过程中出现的问题对设备及应用环境进行改造，使设备安全可靠运行，确保矿井安全高效生产。

同煤集团同发东周窑矿是继塔山矿、同忻矿之后的第3座千万吨级矿井，也是同煤集团“十二五”发展规划建设的“东—马—潘”循环经济园区的主力矿井。矿井设计年生产能力1 000万t，2008年8月开工建设，2011年9月竣工试生产。矿井采用斜井—平硐联合开拓，中央并列抽出式通风方式。机电装备是矿井安全高效生产的关键，本研究根据矿井实际情况，对主副提升机、主通风机、压风制氮设施、主排水泵等大型固定设备的选型、安装和运行等关键技术进行研究，对地面供电、井下供电、信息化控制等供配电系统进行综合分析，对采掘运设备及辅助设施等机电项目的设备选型、安装和运行等可靠技术进行讨论，优选出适合千万吨矿井的机电成套装备，此外，根据实际生产过程中机电设备运行存在的问题，对相应的改造建议进行探讨，确保设备安全可靠运行。

1 大型固定机械

1.1 主副提升机

矿井主提设备选用DTL180/2×2240型胶带输送机，提升高度468.6 m，斜长1 703.4 m，角度16°。提升系统配套4台变频电动机，头部集中驱动。系统配套西门子无谐波高压变频软起动装置，降低了起动和停车对机械和电气系统的冲击，有效控制设备软启动和软停车的动态过程，实现了各驱动电动机之间的功率平衡和速度同步，有效抑制胶带输送机动态张力波可能对胶带和机械设备造成的危害，延长了设备使用寿命，增加了系统的安全性和可靠性。系统配套阻燃型钢丝绳芯抗撕裂的大强度、大带宽、多钢丝绳输送带，运输能力4 000 t/h，带速5.6 m/s，带宽1 800 mm，带强ST7000，带厚 35 mm，单重145 kg/m，钢丝绳数量91根、直径 13.5 mm。

副立井提升机选用JKMD-3.25×4(I)型落地式多绳摩擦轮提升机，提升高度482.8 m。副斜井提升机选用JK-4×2.5/31.5型单绳缠绕式提升机，提升斜长1 282.6 m，提升倾角22°。副井提升均配套选择德国西门子ABB直流调速系统，通过直流传动，实现无极调速，运行平稳，各种保护齐全，系统自动化程度高，监控画面实现人机互动，减少了人工操作失误率，生产效率大幅提高。

存在问题及针对性建议：

(1)主提升DTL180/2×2240型胶带输送机输送带带宽较大(1 800 mm)，单重大(145 kg/m)，更换胶带工程相当复杂。建议在井口房工业场地附近设计安装大功率绞车，用于更换胶带；在井下机尾处开拓存放新旧胶带的硐室，便于快速更换。

(2)井口房卸载出料口与原煤101皮带输送机受料点落差16 m的溜煤筒未设计缓冲装置或大型受料给煤机，致使煤流量不均匀，易造成受料101皮带输送机尾压煤、歘煤等事故。生产实践中，可将溜煤筒改造为“S”形，提高缓冲效能，有效缓解机尾压煤问题，减少事故发生。建议安装大容量大型给料机，彻底解决该类问题。

(3)副斜井提升机房在设计中将电动机、鼓风机安装于机房内，未能充分考虑噪声污染，建议将其设计安装于机房外，从源头上遏制噪声污染。

1.2 主通风机

主通风机配套AGF606-3.8-1.8-2型双级抽出式轴流通风机。AGF606型通风机是目前国内较为先进的安全高效能轴流通风机。AGF606型通风机调节方便，可以选择液压动叶调节装置，也可通过停机一次调节叶片角度，实现方便调节。通过1台稀油润滑站向轴承组件箱、电机轴承等摩擦部位供送润滑油，无需人工注油，减轻了工人的劳动强度。该型设备配套有级变频无级调压软起动装置，电动机通过频率变化的2个阶段加速，完成从静止到全速的加速过程。

AGF606型通风机在运行中风道闸板式风门存在倒机时运行阻力大、不灵活、拉不到位现象和绞车钢丝绳易出现扭曲等问题。建议升级改造为旋叶式风门，缩短倒机时间，实现主通风机快速、安全倒运行。

1.3 压风制氮设施

压风制氮车间设计采用地面集中布置方式，易于实现集中管理，占地面积小，减少基建工程投资。设计配套ML350-2S型螺杆空气压缩机9台，为井下风动工具及制氮设备提供压缩空气；选用KGZD98-3000型变压吸附制氮装置3套，同时满足井下2个工作面注氮量的需求。

压风制氮设施在运行中存在的问题是空气压缩机进风口与制氮机出气口方向设计不合理。由于矿井特殊的地理位置，西北风较猛烈，空气压缩机进风口朝北，易吸入尘土和杂物，对设备造成损伤；制氮机出气口朝向办公和生活区域，对工作人员易造成噪声污染。建议在制氮机出口处安装大功率消声器，减小噪声污染。

1.4 主排水泵

主排水泵房设计安装5台MD450-60×9型矿用耐磨泵，2台工作、2台备用、1台检修。配套5台QBRG-150/10K型高压软起动器控制水泵起停；设计安装1套PLC全自动排水系统，根据操作台集中控制键开停水泵，自动完成从抽真空(无需人工灌引水)、开阀选择排水管路、起泵排水的全过程，实现排水自动化。

设备运行中存在的问题是泵房内D426排水管路未设计安装闸阀，给后期电动闸阀检修和维护带来了不便。建议射流泵管路设计采用螺纹活接口，以方便检修和更换。

2 供配电设备

2.1 地面供电系统

矿井在副井工业场地建有1座110/35/10 kV变电站及1座10/0.4 kV变电站；在主井场地建有1座35/10 kV变电站。供电电源选择110 kV电压等级。110 kV供电线路在供电可靠性方面比35 kV线路高，线路电流比35 kV线路小，达到线路的经济截面所需的线径比35 kV线路小。副井工业场地和主井工业场地分别选择110 kV和35 kV电源线路，相较于10 kV供电电源可以避免因装机容量的提高对10 kV供电电网产生的压降及冲击电流带来的影响。矿井供电电源及地面主运、副提、主扇、压风制氮设备等重要负荷均采用10 kV供电电源，与6 kV供电电源相比较，系统电流减少约1/3，在矿井用电负荷增大的条件下，有助于提高供电能力。

2.2 井下供电系统

井下设计安装了主变电所以及一采区、二采区、南盘区等变电所。所有变电所的供电电源分别取自地面变电站10 kV母线段，各自形成独立系统，互不干涉，提高了供电质量，使供电更为安全可靠。二采区和南盘区变电所分别以10 kV三回电源进线，形成Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段母线段，通过2个联络高爆开关，构成“三回路双联络”供电系统。通过不断进行技术升级改造，其中Ⅲ段母线段专为掘进工作面局部通风机供电，另外2个母线段分别为综采、综掘等回采工作面供电。升级后的供电系统消除了原局部通风机与动力线路在同一母线段的制约因素，提高了局部通风机的供电质量，确保了矿井安全生产。

2.3 信息化系统建设

矿井依托生产调度指挥中心和工业以太环网为数字化传输平台，建设了瓦斯安全监测系统、矿压在线监测系统、束管监测系统、人员定位系统、应急广播系统、无线通信系统、工业电视监控系统等管理系统，以及主井原煤皮带集控系统、副井提升系统、主通风机系统、压风制氮系统、井下排水系统、供电监控系统等安全生产子系统，使矿井管理更为安全、高效、便捷。

供电系统存在弱电管网设计不合理的问题。波纹管布置于弱电管沟内，由于地面压力会造成波纹管变形破裂，且季节性雪雨水会渗入波纹管，沉积的泥沙会将其堵塞，给检修工作带来了不便。建议将弱电管沟设计改造为电缆沟，以便于线路巡查维修和更换。

3 采掘运机械

3.1 采掘机械

该矿综放工作面采用单一走向长壁综合机械化低位综采放顶煤开采工艺[7-8]，引进德国艾柯夫SL-500采煤机，卡特彼勒PF6系列刮板输送机、转载机和破碎机，郑煤机ZF13000液压支架，配套使用英国B&F公司2 500 kVA和3 150 kVA负荷中心，顺槽选用DSJ140/350/3×500带式输送机等设备，综合机械化程度达到了100%，设备引进率达到了95%。工作面采煤机采用IGBT逆变变频器，有效控制截割电机起动转矩，实现采煤机恒功率控制。前后刮板输送机配套有CST机电软起动驱动装置，实现了刮板输送机空载起车到额定转速运行的功能，并在紧迫停车或突然断电时，实现可控停车。工作面和顺槽皮带机引进德国贝克全自动控制系统，实现了区域自动化。该类大功率、大容量、高强度、高效率机电设备引进后，充分适应了复杂多变的地质条件，发挥了应有效能，为矿井稳产高产创造了条件。

由于该矿工作面地质条件复杂，导致工作面频繁来压，造成支架部分立柱损坏，加大了立柱、安全阀的更换频率。支架设计工作阻力为13 000 kN，建议加大支架工作面阻力设计，由13 000 kN 改变为15 000 kN。

在开采过程中，若前后刮板输送机同时达到3 500 t/h 运输能力，转载机无法满足运输要求，易出现“压死”、“憋死”事故。建议优化开采工艺，控制前刮板输送机割煤与后刮板输送机放煤的比例，确保均匀上煤。

为适应在粗砂岩、砾岩，甚至有煌斑岩入侵等复杂地质条件下的开采，同发矿井引进了英国多斯科LH1400H硬岩掘进机和MK5全岩掘进机，服务于矿井机掘巷道开拓。2种机型装机功率分别为430，590 kW，具有装机功率大、截割扭矩大、截割断面范围广、机身稳定性好等优势，确保了特殊条件下巷道安全高效掘进。

3.2 运输机械

井下运输主要由回采顺槽DSJ140和盘区DTL160型胶带输送机组成。DSJ140和DTL160 2种机型驱动部分均采用头部集中驱动，配套选择10 kV 电动机+VOITH调速型液力偶合器+SEW硬齿面减速器软启动方式，大大降低了起车和紧急制动时输送带的动张力，减少了启车时对电网的冲击和启动过程中各承力部件的动载荷，延长了减速器、电动机和工作机构等关键部件的使用寿命，实现了多电机功率平衡。

地面原煤运输系统主要由101、111、112 3部皮带输送机组成，选型参数均存在偏小问题，运行中在重载起车、满载运行和煤流不均匀状况下，易出现闷车、压煤、停车等事故。经过数次提能技术改造，将原设计胶带带强、带速、运输能力和驱动设备额定功率等技术参数均进行了重新核实，充分考虑了恶劣的运行工况条件，并增大了各参数的富裕系数，将3部皮带输送机带强全部更换为ST2000，带速提升为4.5 m/s，运输能力提升为4 000 t/h，电动机和减速机的额定功率全部提升了等级，并改造应用了10 kV 高压启动控制技术。通过改造，彻底杜绝了原煤皮带输送机事故，提升了运输能力。

辅助运输包括副斜井运输和井下无轨胶轮车运输2个部分。副斜井运输斜长1282.6m，倾角22°。若前期斜井坡度设计为5°～6°，则斜井钢丝绳牵引运输将变更为无轨胶轮车运输。虽然运输斜长增加、井筒开拓工程量增大，但整体运输效果更为安全可靠。

井下无轨胶轮车运输主要由支架搬运车、多功能车、客货两用车和人车等运输车辆组成。采用无轨胶轮车运输材料设备和人员，机动灵活、效率高、安全可靠，实现了综采搬家倒面时重型设备不拆卸、不转载整体一条龙快速搬运，既减少了工作面非生产时间，又减少了巷道轨道铺设，节约了成本。主要缺点是支架搬运车、铲运车等设备国产化程度低，设备运行费用较高，对巷道底板要求较严格。若增加投入进行辅助运输巷道车辆交通管理软件系统建设，有助于大幅提高辅助运输效率和安全性。

4 辅助设施

机电联合修理车间由设备中转库、综掘液压设备修理车间、机修车间和电气车间组成，主要承担矿井机电设备中转存放、综掘液压设备修理、低值易耗设备配件加工和高低压电气设备维护和修理任务。

联合车间设计为一体，占地面积7 128 m2。建议各生产车间单独设计，以避免各车间噪声、电氧焊烟雾等相互影响。另外，由于晋北地区特殊的地理位置，冬季时间较长，诸如液压支架、采煤机和掘进机等大件设备长时间暴露于露天敞篷，增加了设备损耗，给冬季设备防冻工作带来了不便。建议设计增大车间使用面积，提供液压支架和采掘机械等大型设备的存放和修理空间。