煤矿综采工作面“三机”配套技术分析

刘克雷 吴华

摘 要 通过对综采工作面三机在地质条件、开采工艺、生产能力、设备性能、空间几何尺寸、寿命等方面进行分析，明确了三机配套应注意的问题及原则，并对三机配套技术发展做了叙述。

关键词 三机配套;技术分析;发展;一致性

综采与炮采、普采相比较，具有可靠性高、安全性好、产量高等优点，随着煤矿采煤机械化程度的不断提高，我国煤炭产量也在逐年提高，综采工作面已经成为煤矿生产中的主力军。综采“三机”（指采煤机、刮板输送机、液压支架）配套设备的合理选择，关系到综采工作面能否在短期内达产，各设备技术特征能否满足该工作面的要求，能否在可采期间高产高效。因此，综采三机设备选择是否合理，配套关系是否正确，显得尤为重要。

1三机配套技术

综采工作面“三机”配套是整套综采设备的核心。采煤机要依靠刮板输送机导向并在其上移动，刮板输送机依靠液压支架推移，液压支架又依靠刮板输送机支承而移动。因此，为了实现综采工作面生产能力的最大化和安全生产，“三机”在地质条件、开采工艺、生产能力、设备性能、空间几何尺寸、寿命等方面必须互相适应和匹配。

通过调查研究掌握详细的地质资料和采煤工艺，是搞好综采设备选型配套的基础，设计研制新的机械设备，可以通过协商，调整结构尺寸和性能参数，达到配套的要求。

1.1 地质条件配套

影响地质条件匹配的因素有：①煤层厚度：影响支架的结构空间、伸缩比和支护强度。对薄煤层而言，影响采煤机的是最大结构高度和采高。②煤层倾角：影响系统的稳定性，当倾角>10°，采煤机和支架要有防滑装置;当倾角>16°时，输送机要有防滑装置。③煤层硬度：硬度小（f≤2）的煤层，应当选用较大截深的采煤机，双中链的刮板输送机;硬度大（f>2）的煤层，应当选用大功率和截深较小的采煤机，优先选用双边链或中双链刮板。④顶底板条件：顶底板的稳定性决定着液压支架的支护强度和架型。在顶板不稳定的条件下，应选用截深较小的采煤机，槽宽较窄的刮板输送机;在底板抗压强度不同时，支架的底座形式，刮板槽宽应与煤机底托架的形式相匹配。⑤底板比压：底板比压影响液压支架底座形式和面积。底板较软，承受比压较小，使支架前端比压增大，应选用整体闭式底座。

1.2 开采工艺配套

根据地质条件及煤层赋存条件确定一次采全高、放顶煤、分层开采方式。当煤层可放性好通常选用放顶煤开采工艺，而影响可放性的主要因素有煤的厚度、煤层硬度及其裂隙发育程度、开采深度、煤层夹矸厚度和岩性、顶板条件及煤层开采技术条件等。

1.3 生产能力配套

工作面生产能力取决于采煤机落煤能力。要保证工作面高产，刮板输送机、转载机、可伸缩带式输送机等设备的输送能力就要大于采煤机落煤能力，液压支架移架速度就要满足采煤机割煤、落煤、装煤的工作速度要求。工作面“三机”生产能力配套按下列步骤校核：

（1）确定工作面所需要的生产能力。在确定工作面生产能力时应考虑如下因素：①同类综采设备在生产中的实际生产能力;②所选设备能够保证实现的生产能力;③考虑到投资、效益及矿井发展计划所需要的生产能力。 最终，工作面所需的生产能力以工作面的小时生产能力为基础。

工作面小时生产能力：

式中 ——工作面需要的生产能力，t/h;

——日生产能力，t/日;

K——生产不均衡系数，K=1.1～1.15;

N——日作业班数;

M——每日检修班数;

t ——每班工作时数;

s ——时间利用系数。

（2）核算采煤机可实现的生产能力

=60

式中 ——采煤机可实现的生产能力，t/h;

——牵引速度，m/min;

H ——平均采高，m;

B ——截深，m;

R ——煤的容重，t/m?;

——采煤机开机率﹪，一个生产班内采煤机有效割煤时间与当班时间之比×100﹪。

（3）核算刮板输送机可实现的生产能力

=3600

式中 ——输送机可实现的生产能力，t/h;

F——载货断面积，㎡;

ρ——满载系数;

γ——货载松散容重，t/m?;

——链速，m/s。

（4）确定三机综合生产能力。综采工作面的各配套设备必须适应与满足高产高效的需要，就要以工作面设备为基础，形成一条由工作面向外生产能力配套的“喇叭口”煤流系统，用综采设备的协调性以保证工作面快速推进的需求，参照国内外高产高效综采工作面系统生产能力的设计，应以工作面生产能力的1.2倍为基数，由采煤机、刮板输送机、转载机、皮带机能力逐渐递增[1]。

1.4 设备性能配套

工作面“三机”性能配套主要解决采、运、支护三种设备性能之间的相互配合、避免运转时的相互制约问题以及系统之间连接方式的匹配，以充分发揮设备性能，最大程度的满足工作面生产需要。这就需要通过对各个设备的性能及特点研究分析，确定其性能配套的要素，进行必要的调整和改进，使其相互之间性能匹配。

（1）采煤机自开切口的摇臂长度与刮板输送机机头、机尾的长度相适应。

（2）采煤机底托架的形式、规格参数与刮板输送机的中部槽及其铲煤板、挡煤板的导向方式与其强度相适应。

（3）采煤机的牵引机构、行走机构与刮板输送机间的联系和啮合方式及其强度相适应。

（4）液压支架的底座和推移装置与输送机的机头、机尾和中部槽的连接及其运用方式（如立即支护还是滞后支护），它们间的连接位置设置以及性能强度相适应。

（5）液压支架的移架速度与采煤机的割煤速度相适应。

（6）刮板输送机、液压支架的防倒、防滑性能与煤层倾角大小相适应。

（7）采煤机的采高与液压支架的高度相适应。

（8）采煤机滚筒宽度及截深与液压支架的步距相匹配。

（9）采煤机的摇臂与刮板机的匹配：刮板机的机头链轮中心高度在满足卸载高度的前提下，应尽量降低;当采煤机进行到刮板机机头、机尾时，摇臂下摆能够截透“三角煤”，保证留有一定卧底量，并且设备间无干涉现象。

（10）采煤机的滚筒外轮廓在运行到工作面的端部极限位置时，其底部不得与刮板输送机的过渡槽部件干涉。

（11）连接头销轴尺寸与输送机挡板槽帮推移耳孔的尺寸匹配;

（12）连接头与刮板机推移耳的干涉检查。

（13）连接头在极限位置时与输送机中部槽或推移梁的干涉检查。

（14）电缆槽最大外廓与支架间的极限间隙检查，应保证人行通道顺畅。

（15）电缆槽连接螺栓头与采煤机牵引支座的间隙检查。

（16）电缆槽与采煤机外廓的间隙检查。

（17）电缆槽的高度及宽度与采煤机的配套关系检查。

1.5 空间几何关系配套

综采成套设备的几何关系匹配主要是中部“三机”几何关系配套设计，保证设备运行是采煤机、刮板输送机和液压支架相互配合、不相互发生干涉与影响，使设备的效能能够充分发挥。几何关系的主要检查配套关系主要包括6 个部分的设备配套及布置关系：工作面综采成套设备整体布置图、中部断面三机配套图、过渡支架三机配套图、端头支架三机配套图、上下端头设备布置图、工作面整体布架图。

在三机配套中必须合理地控制工作面采高、梁端距、铲间距、卧底量、采煤机机面高度、过煤空间、过机间隙、行人空间等尺寸，以保证工作面设备最大效能地发挥。

（1）工作面采高。工作面采高决定着采煤机及液压支架的工作高度。工作面采高（H）依据煤层的开采厚度（h）来选择：

式中--可能冒落的伪顶厚度，一般约为200～300mm。

--顶板最大下沉量，一般取100～200mm。

a--支架移架需要的最小降架量，一般取50mm。

b--浮煤厚度，一般取50mm。

（2）梁端距。梁端距主要依据煤的软硬程度、顶板冒落情况、底板沿走向起伏变化情况以及采高等因素来选取，过大将会加大支架控顶距，过小易造成采煤机滚筒割到顶梁，一般为100～300mm。梁端距小有利于维护近煤壁顶板，采高越小，梁端距应越小。

（3）铲间距。铲间距过小，则采煤机在斜切进刀时会与铲板干涉，距离过大，装煤效果会显著降低，同时会增加支架的推溜力，影响工作面的推进速度，一般取值在200mm左右。

（4）卧底量。卧底量是滚筒处于最低工作高度时，滚筒切到刮板机支承面以下的深度。当底板有起伏时，适当的卧底量对控制设备在煤层中的位置和清理底板有重要作用，卧底量一般取100～300mm。

（5）采煤机机面高度。机面高度主要考虑到实际工作条件，在最低采高即支架在最低工作高度时，采煤机机身之间要有一定的安全距离，以保证采煤机能够顺畅通过支架。工作面起伏较大时，安全距离应稍大一些。

（6）过煤空间。过煤空间是指采煤机机身下侧到刮板机中板之间的竖直高度，在采煤机、刮板机已定的情况下，决定着过煤空间的大小，与采面生产能力息息相关。采高越大，过煤空间应越大。在薄煤层采面，最小也不应小于250mm;

（7）过机间隙 过机间隙应能适应煤层厚度的变化、顶板和底板的起伏，以及浮煤使刮板机和采煤机上飘的影响，还要满足滚筒运作的需要。一般应大于200mm，在中厚及厚煤层中，应有更大的过机间隙。

（8）行人空间 三机在运行中，应能保证人员移动、操纵和维护设备方便的需要。人行通道的宽不小于850mm，高度不小于500mm，必要时在人行通道上铺设滑槽，还需保证必要的避让空间，确保过往行人安全。另外工作面两端头的人行通道必须大于700mm。

1.5 寿命配套

使用寿命匹配主要是指综采成套设备各设备的大修周期基本相同或接近，使设备大修总时间缩短，减少在生产过程的交替大修，保证工作面能持续正常生产。传统行业中，在使用寿命的计算上，不同设备有不同的标准。

目前对设备的大修周期没有一个统一的标准来衡量， 可根据实际生产情况， 制定配套“三机”的产量规格，对“三机”统一按产煤量来计算和衡量[2]。

2煤矿综采工作面“三机”配套技术发展

我国综采经过近60年的发展，煤炭装备的自主研发能力、制造技术和综合实力均达到了世界先进水平，年产1200万吨成套综采设备业已基本定型。但我国煤炭装备制造技术与国外先进国家比较还存在着明显的差距，主要表现在高端材料、焊接工艺技术及质量控制、液压密封元件、轴承、变频及软启动、工况检测与故障诊断、自动控制技术以及整机可靠性等方面。

在最近一个时期，我国煤炭开采将以高效集约化生产为发展方向，以安全、高效、高回采率、环保节能为目标，实现自动化与信息化，提高设备的可靠性，降低劳动消耗，提高生产效率。工作面长度达到400m以上，采煤机实现工作面记忆截割，液压支架跟机自动化推移，基于智能、视频与神经网络的工作面巷道集中控制和地面远程监控，在中厚煤层实现工作面年产1000万～1500万t。

通过对煤矿装备不断研究，国内部分厂家已经形成了“三机”成套设备供应能力，如太重、中煤等，郑煤机、三一等正在加紧布局，其他煤机企业也在积极地向成套化靠拢[3]。

3结束语

煤矿综采工作面“三机”配套是一项复杂的系统工程，涉及地质学、岩石力学、采矿学、机电等各学科，是提高综采工作面矿井效率和效益的前提所在。目前的设备选型和配套还是以“经验类比”为主，虽然基本上能满足生产需要，但还是存在着一些问题。如有些设备选型设计参数是符合要求的，但在实际使用中无法达到或实现;也有的为了利用现有的设备，其他设备选的时候富余量过大，能力过剩，利用不合理。

煤礦综采工作面“三机”配套不能停留在简单的“经验类比”上，而应开发研制相应的综采设备选型系统，避免在选型设计中受个人偏见的影响，同时还要对系统中的主要环节进行动态优化设计，使其设计参数与实际运行参数得到统一。随着三维设计软件的普及，在三机配套中应加强配套的三维化，由此将大大增加配套的直观性和准确性。中国矿业大学等科研院所已经开发的有相关系统，国内煤机企业也在做相关的工作，但总体来说使用不太理想，没有很好的推广使用。

参考文献

[1] 沈利华.采煤机综采配套选型与调整[J].煤矿机电，2008（6）：11-13.

[2] 刘中海，李岩松，王启佳.综采成套设备的配套原则分析[J].煤矿机械，2012（8）：99-101.

[3] 梁香过，孙艳军.综采配套设备采煤机技术参数的计算选择[J].煤矿机械，2010，31（5）：3-5.