综采工作面异型端头支护装备研究与应用

蒋延峰

(黄陵矿业公司生产服务分公司，陕西 延安 727307)

0 引言

随着矿井机械化和自动化程度的不断提升，智能化综采工作面成套综采设备的研究与应用已成一种必然趋势，不仅能够减轻工人的劳动强度、减少人员的密集程度，同时也能够为矿井高效、高产提供安全保障[1-3]。黄陵矿业公司一号煤矿已实现薄煤层与中厚煤层智能化综采工作面成套综采设备的研究与应用，工作面小三机、胶带机、采煤机、液压支架、两顺槽超前支护均已实现远程控制，整个工作面实现一人巡视、无人操作、地面常态化采煤[4-6]。但综采工作面上下隅角，运输机机头、机尾前后空顶处依旧采用“单体液压支柱+铰接顶梁”来进行支护，这种方式存在支护强度低、速度慢，作业劳动强度大、成本高的问题，同时导致降柱、支柱过程中危险性增大，不能满足当今高产、高效矿井的要求[7-9]。国外发达国家的煤矿回采巷道端头支护等级较高，多采用成本高昂的高密度U型钢，或者是地质条件好，无须二次支护，所以其巷道支护与我国的实际条件有所不同，亦未见类似的巷道加强支护设备[10-13]。为此研究综采工作面下隅角端头支护方式，进一步有效控制工作面端头段围岩与支护，并稳定采动影响区域，从而提高工作面安全程度迫在眉睫。

1 工程地质条件

1.1 煤层赋存条件

黄陵一号煤矿设计生产能力为4.20 Mt/a，主采2号煤层，平均厚度为2.10 m，倾角3°～5°，煤层结构由简单至复杂，含夹矸0～5层，单层厚度在0.03～0.15 m之间，最大总厚度1.30 m，多为炭质泥岩及泥岩。煤种属低-中灰、低-特低硫、中磷的一号肥气煤和二号弱粘结煤。

1.2 综采工作面参数

1005综采工作面范围内2号煤层平均厚度为2.15 m，直接顶为砂质泥岩，老顶为细粒砂岩，底板为炭质泥岩。煤层倾角1°～5°，沿切眼向停采线方向逐渐升高，煤层赋存结构简单，仅存在小构造。1005综采工作面为单巷U型布置，工作面长度为235 m，进风顺槽设计为矩形巷道，掘宽4.6 m，掘高2.8 m。顶板采用锚杆+T140型钢带+塑钢网联合支护。巷道正帮采用玻璃钢锚杆+塑钢网支护，副帮采用金属锚杆+塑钢网联合支护。

2 异型端头支护装备设计

2.1 设计主要内容

以1005综采工作面现场几何尺寸及特点，开发端头异型支架，替换下隅角的单体支柱和珍珠岩。设计满足现场尺寸、支护强度和高度需求的切顶支架，并适用于运输机发生上窜下滑的情况。采用可人为控制的顶板破坏装置，对顶板进行强制放顶。采用编程的方式对顶板进行有规律的切顶操作，切顶支柱为φ230 mm缸径立柱，立柱顶部带切顶专用柱帽。应用电液控技术、遥控控制技术以及远程操控技术，满足智能化综采工作面建设需求。

2.2 主要设计特点

综采工作面异型端头支护装备能够有效减少工作人员数量、增加作业人员安全系数、降低材料费用等。主要表现为：比传统单体支护强度高支护速度快，两架一组，能实现自移；避免了人员进入切顶区域内回、支护单体，安全系数高。此外，节约大量的材料费用，包括单体液压支柱、铰接梁和珍珠岩；能对顶板自动反复进行强制破坏，取消了以往人工施工强制放顶；可接入工作面自动化环网，实现远程、遥控、自动拉移支护等功能。

2.3 主要技术参数要求

通过对端头支护情况的分析，并进行技术调研，提出端头支护装备的技术参数及功能要求见表1。

根据技术参数需求，设计异形端头支护装备图纸如图1所示。

图1 异型端头支架设计

2.4 设计参数验证

设计完成以后，需要对设计的各项参数进行校验，是设计成功与否的关键，主要对以下3个参数进行校验。

支护强度：根据4倍工作面的采高按照式(1)对要求的支护强度进行计算

P=4γh

(1)

式中，P为支护强度，MPa；γ为顶板岩石容重，取2.5 t/m3；h为煤层采高，取2.6 m。根据式(1)计算要求的支护强度为0.255 MPa。异形端头支架的支护强度为0.32 MPa，大于计算要求的0.255 MPa，所以异形端头支架的支护强度满足使用要求。

单体支柱的初撑力：根据黄陵一号煤矿的支护情况，采用直径100 mm的单体支柱，配合π型梁支护，棚距为1.0 m，一梁两柱，所以10 m范围内单体数量约为20根。在10 m范围内单体支柱的主动支撑力按照式(2)进行计算

F=n·fc

(2)

式中，F为主动支撑力，kN；n为单体根数，取20；fc为单根单体支撑力，取90 kN。根据式(2)计算要求的10 m范围内单体支柱的主动支撑力为1 800 kN。异形端头支架支撑力为5 232 kN，远大于计算要求的1 800 kN，异型端头支架的初撑力是原有单体支柱初撑力的2.91倍，因此异形端头支架初撑力满足使用要求。

工作阻力：在10 m范围内单体支柱的工作阻力按照式(3)进行计算

F=n·fz

(3)

式中，F为工作阻力,kN；n为单体根数，取20；fz为单根工作阻力，取250 kN。根据式(3)计算要求的10 m范围内单体支柱的工作阻力为5 000 kN。异型支架工作阻力/单体支柱工作阻力为6 400 kN，异型端头支架的工作阻力是原有单体支柱工作阻力的1.28倍，因此异形端头支架工作阻力满足使用要求。

3 异型端头支护装备电液远程控制技术

黄陵一号矿井综采工作面已经实现智能化网络，将异形端头支护装备接入综采工作面环网，实现远程、自动控制。

3.1 综采工作面SAM自动控制系统

异形端头支护装备与工作面控制系统(采煤机控制系统、支架电液控制系统、工作面运输控制系统、三机通信控制系统、泵站控制系统及供电系统)有机结合，随着综采工作面的推进，异型端头支护装备进行自动移架和支护，与综采工作面的设备实现协调管理与集中控制，SAM型综采自动化控制系统整体结构如图2所示。

图2 SAM型综采自动化控制系统整体结构

3.2 异形端头支护设备SAC电液控制系统

3.2.1 异型端头支护装备结构

异型端头支护装备主要支护千斤顶有推拉千斤顶、前后立柱千斤顶、前梁千斤顶、顶护壁千斤顶、中护壁千斤顶、调低千斤顶等，所以选择具有11项功能的控制器和主阀，并在超前区域安装摄像仪，对异型端头支护装备进行可视化管理。异型端头支护装备数据上传架构如图3所示。

图3 异型端头支护装备数据上传架构

3.2.2 SAC电液控制系统

异型端头支护装备上配置一套支架控制单元(支架控制器)，支架控制单元以26项功能支架控制器为核心控制部件。支架控制单元包括支架控制器1个，电磁驱动器1个，电液控换向阀1个，推移千斤顶行程传感器1个，监测支架顶板压力的立柱压力传感器1个，连接器以及固定安装所需的附件等，部件详细构成如图4所示。

图4 异型端头支护装备控制部件构成

3.2.3 基本功能

自动移架控制：系统具有单架自动移架控制功能，可以按照既定的控制程序，实现支架的降、移、升动作的自动控制。

工作面顶板围岩耦合：通过初撑力自动补偿和带压移架等功能，实现切顶处顶板和工作面顶板的围岩耦合。系统可根据预先设定初撑力值，设置支架的自动补液功能，并可根据顶板压力的变化情况和变化规律，在一定范围内自动调节支架补液压力阈值，实现支架与工作面顶板的围岩动态耦合。

4 工程应用效果

4.1 异型端头支护装备支护效果分析

根据黄陵一号煤矿1005综采工作面工程地质情况及主要参数要求，设计的异型端头支护装备成功在黄陵一号煤矿117综采工作面进行应用，可替换下隅角的单体支柱和珍珠岩封堵的电液控切顶支架，实现对巷道下隅角前后空顶处的全断面支护和封堵。新型端头支架互为支点，可实现自移功能，接入工作面电液控制系统，实现远程自动控制；两侧增加活动板、安装废旧皮带代替珍珠岩封堵。以往下隅角需人工施工强制放顶煤，该装置在投入使用后，取代了以往工作人员进入切顶处回收、支护单体，封堵下隅角，立柱可定时反复自动对顶板进行强制破坏，确保顶板及时垮落，减少了端头作业人员。新型端头支护装备采用窄顶梁、宽底座设计，并增加顶梁两侧反板梁设计，能更好适用于运输机上窜下滑，宽底座可有效地遏制底鼓，提高支架稳定性。该切顶支护项目实施后，可实现下隅角切顶支架的安全快速移架。进一步提高综采工作面自动化程度，降低作业强度，改善劳动环境，促进煤矿开采技术进步，符合“机械化换人、自动化减人”建设理念。

4.2 异型端头支护装备主要效益分析

异型端头支护装备在投入使用后，彻底替代了单体液压支柱和珍珠岩，全年节约支护材料费用约20万元。传统的液压单体支护工序全过程依靠人力完成，劳动强度大，安全隐患多，生产班每班需要4名超前支护人员。使用异型端头支护装备后，每班只需2人即可完成作业，大大节约了人工的投入，节省人力50%。异型端头支护装备促进煤矿开采技术进步，开拓了工作面少人化开采的方向，对建设智能化矿山具有重大意义。

5 结论

(1)异型端头切顶支护装备可代替原有的液压单体支护，作业人员不必进入切顶线回单体、封堵下隅角，增加了作业人员的安全系数，减少端头用人数量。该支护装备在使用过程中操作简单，支护效果好，实现了电液控制和远程遥控操作等多种操控方式，达到工作面安全高产、高效开采的目的。

(2)通过对距117综采工作面开切眼500 m范围内成巷区巷道围岩变形的分析，117轨道巷顶板整体下沉量较小，切缝侧巷道顶板最大下沉量约383 mm，平均下沉量约216 mm，实体煤帮侧最大下沉120 mm，平均下沉73 mm，碎石巷帮无明显侧鼓现象，实体煤帮无明显片帮现象，完全满足安全和使用要求。

(3)将该装备接入自动化环网能进行自动拉移、封堵下隅角，也可对顶板进行强制破坏，取代了以往人工施工放顶煤。

(4)该设备的研究及应用，为建立智能化矿山积累了宝贵的理论和实践经验，提高了矿井机械化、自动化程度，对矿井安全稳定生产、降低工人劳动强度、减员提效、减少材料费用具有重要意义；在技术进步、自动化作业、安全性和生产效率等方面具有巨大的经济、安全和社会效益。