特厚较软煤层开采设备的改进与应用

乔建伟

（阳煤集团新景矿安监处， 山西 阳泉 045000）

引言

我国拥有丰富的煤炭资源，其中特厚煤层资源占有很大的比重。目前，我国主要使用分层开采、放顶煤开采和一次采全高的大采高开采三种开采技术来开发厚煤层煤炭资源。为了提高工作面生产效率，近年来综采放顶煤开采技术在我国得到快速发展和应用，特别广泛应用于厚度大于7 m的特厚煤层开采中。但由于综放开采有两个出煤点的原因，造成其开采设备配备更加复杂，特别是对于较软煤层的开采。

1 地质概况

本文选取某采区2号煤层为研究对象。2号煤层全区可采且发育良好，煤层平均厚度为11 m，目前采用综放开采工艺开采该煤层。2号煤层顶板岩性为砂质泥岩、泥岩或细粒砂岩，顶板厚度为4～5m。底板岩性为砂质泥岩或泥岩，底板厚度为2～4 m。2号煤层中煤的坚固性系数为1.2，属较软煤层，且该煤层属自燃煤层，具有爆炸危险性。

2 存在的问题

2.1 液压支架存在的问题

根据近年来对我国有代表性的特厚较软煤层工作面参数的考察研究，其工作面倾向长度基本在150～260 m范围内，割煤高度一般为3.5 m左右。而现有液压支架的高度普遍较低且中心距较小，影响液压支架的稳定性的同时也大幅度增加了液压支架的总数量，从而导致移架速度较慢和劳动强度过大。

由于目标煤层的煤坚固性系数较低，在超前支护时很容易发生工作面煤壁靠近顶板的上部位置和煤壁与直接顶的交界面拐角处受集中水平、垂直和剪切应力的破坏，从而引起严重的安全事故。

2.2 大功率刮板输送机启动方式存在的问题

目前主要有双速电机驱动、阀控充液式液力偶合器（TTT）、可控启动传输装置（CST）和变频调速等4种3 300 V供电的输送机软启动技术被广泛采用。其中，双速电机驱动技术主要被应用于功率小于700 kW的设备启动中，但当设备功率远大于700 kW时，双速电机驱动技术不再适用，此种技术下断链和启动失败等故障会时常发生。

2.3 截割采煤机存在的问题

现有截割采煤机的摇臂高度需要每次启动时重新进行人工校调，这不仅耗费时间，而且难以完全做到每次摇臂的高度基本一致，不能完全适应特厚较松软煤层割煤和放煤高度较为稳定的特性。

3 工作面设备的优化改进

3.1 液压支架的优化改进

3.1.1 主要结构参数

由割煤高度可确定液压支架高度范围应在2.3～4.2 m，同时选择中心距为1.75 m的支架。该中心距的支架可比中心距为1.5 m支架少布置约20架，在大幅度提高移架速度的同时也可降低井下工人的工作强度[1]。此外，大中心距的支架具有更大的底座承载面积和更加良好的稳定性。因此，型号为ZF16000/23/42的支撑掩护式放顶煤支架被选用。

3.1.2 结构形式

由于该煤层相对较低煤坚固性系数，因此选用如下页图1所示的具有伸缩梁结构的前端的超前支护。在该支护形式下，两个0.1 m缸径的伸缩梁千斤顶被采用，其行程与工作面0.8 m的循环步距相同。由于工作面煤壁靠近顶板的上部位置和煤壁与直接顶的交界面拐角处因水平、垂直和剪切应力较为集中会容易被破坏，因此与水平方向呈夹角为3°的上翘伸缩梁被设计，保证了伸缩梁在伸出过程中与顶板的大面积接触，提高了其与顶板的接触性。

由于采高范围在3.5～4 m之间时会在距顶板约1.2 m的煤壁处出现最大水平位移，由此确定1.4 m为护帮板防护的最大高度，并采用最大护帮力为387 kN、直径为125/85 mm护帮千斤顶[2]。同时护帮板可以通过挑平来使其具备护帮以及护顶两种功能，其结构如图2所示。

图1 前端伸缩梁结构

图2 护帮板结构

此外，由于砂质泥岩或泥岩底板岩性遇水易膨胀软化，具有抬底机构的支架设计可避免较软底板对工作面回采的影响，因此采用抬底力为485 kN、直径为140/105 mm的抬底千斤顶。

3.2 大功率刮板输送机启动方式的优化改进

基于目前主要采用的双速电机驱动、阀控充液式液力偶合器（TTT）、可控启动传输装置（CST）和变频调速等4种3 300 V供电的输送机软启动技术的优缺点分析及其适用条件，有必要对大功率刮板输送机启动方式进行优化和改进，以避免远大于700 kW设备功率运用现有的双速电机驱动技术启动时频繁发生断链和启动失败等故障。此外，虽然这些问题可以被另外三种技术有效解决，但由于对水质和油质的要求较高，且维护成本高，TTT和CST两种方式并不适用。因此，在综合考虑变频调速技术在设备控制、设备节能和设备启动性能等方面的突出优势，选用变频调速技术驱动和控制前后部的刮板输送机[3]。

3.3 截割采煤机的优化改进

由于特厚较松软煤层割煤和放煤高度较为稳定，因此摇臂传感器和位置传感器可被用来定位采煤机摇臂的高度，从而固定割煤高度。摇臂传感器通过数据采集得到滚筒高度和卧底量，采煤机摇臂的精确位置则通过位置传感器来确定。二者相互配合以实现特定工作面设定的采高和牵引速度的功能。此外，还可以实现采煤机的采高自动记忆功能和自动调高功能。

4 现场应用效果

优化改进后的采煤设备在特厚较软煤层综放工作面中的应用显示，其工作面生产效率明显提升，工人的生命安全得到了极大保障，且煤炭生产的经济效益显著提高。此外，改进后采煤设备的成功应用也极大地降低了开采成本，且大幅度提高了特厚较软煤层综放工作面回采中的煤炭回采率，现场应用效果良好。

5 结语

针对特厚较软煤层特殊的地质条件，选用大中心距的液压支架、采用变频调速启动技术控制大功率刮板输送机并对截割采煤机增设传感器，可以解决现有特厚较软煤层综采工作面液压支架、大功率刮板输送机启动方式和截割采煤机存在的问题。现场应用结果表明，改进后的采煤设备生产效率明显提升，工人的生命安全得到了极大保障，且煤炭生产的经济效益显著提高，现场应用效果良好。