倾斜煤层综采工作面输送机上窜下滑控制技术研究与应用

2022-02-17赵明明王金峰杨理轩

煤 2022年2期

赵明明，王金峰，杨理轩

(平顶山天安煤业股份有限公司十三矿，河南襄城 452670)

综采工作面的刮板输送机在推进过程中需要与转载机保持合理水平搭接以保证安全生产，而控制合理搭接最主要的是控制输送机的上窜下滑。影响输送机上窜下滑的因素很多，控制输送机上窜下滑一直以来都是采煤作业中不易掌握的技术，特别是在倾斜煤层回采时，需要大量的经验和理论支撑，因此对其进行研究非常有必要。

平煤股份十三矿煤层赋存地质条件复杂，断层多，煤层倾角大，一个采煤工作面要遇到十几甚至二十几条断层，两巷高差变化大，风机巷坡度变化也大。该矿己二和己四采区的煤层倾角平均超过27°，局部达到40°以上，属于倾斜煤层。煤层倾角大、两巷起伏多，给综采工作面刮板输送机的上窜下滑控制带来很大困难。

1 上窜下滑对安全生产的影响

综采工作面输送机上窜下滑控制不当会带来安全隐患，如通风断面变小、无人行通道、挤架、倒架、出煤不畅通等[1-2]，影响工程质量、损坏机械设备、降低生产效率、增加劳动强度。

2 影响输送机上窜下滑因素分析

影响输送机上窜下滑因素有很多[3-5]，如：设备选型、工作面坡度、工作面伪倾斜角大小、推移输送机方向、底板平直度、底板光滑程度(煤底的摩擦力大于岩石底)、输送机直线度、支架升紧情况、支架调斜(支架垂直输送机值)情况、输送机张力、采煤机截割方向、工作面高差变化、工作面巷道直线性等。

根据笔者多年实践经验，分析出设备选型、工作面倾斜度、工作面伪倾斜角大小、推移输送机方向、支架调斜等五方面对输送机上窜下滑影响较大，本文重点阐述这五方面的影响。

2.1 设备选型的影响

设备选型对输送机上窜下滑的影响较大，主要体现在三个方面：第一，输送机底面的光滑程度，若底面带有防滑长板，摩擦力更大；第二，支架推移导杆长度，在支架柱脚的束缚下，长度长的导杆更有利于垂直输送机，减少侧推力；第三，支架和输送机重量也是影响因素，重量越重越不易下滑。

平煤股份十三矿12022和14040两个采煤工作面煤层倾角均在27°左右，由于设备选型不同，回采期间正常保持的伪倾斜角度相错8.4°，见表1。

表1 相同煤层倾角下不同设备选型的伪倾斜角度

2.2 工作面坡度的影响

倾斜工作面刮板输送机自重及负重的合力可以分为沿采煤工作面向下的分力和垂直底板的分力。当刮板输送机受到的底板摩擦力小于刮板输送机自重及负重产生的合力的分力时，刮板输送机向下滑动。采煤工作面倾角越大，则刮板输送机的下滑力越大。因此，大倾角煤层的输送机上窜下滑不易控制。

2.3 工作面伪倾斜角的影响

采煤工作面机巷与输送机的夹角为工作面的伪倾斜角度。当支架导杆与运输机垂直时，支架推移千斤顶给刮板输送机的力可分为沿工作面倾向方向向上的力和沿工作面走向方向的向前推力。支架推移千斤顶对刮板输送机的作用除了指向煤壁产生位移外，还会产生令刮板输送机向机尾方向窜动的力。两头进尺相差越大，则伪倾斜角越大，刮板输送机向机尾窜动的力也越大。

带有倾角的综采工作面绝大多数情况下,通过控制合理的伪倾斜角度来达到控制输送机上窜下滑的目的。在日常管理中，一个工作面的伪倾斜角度是结合工作面的综合情况来确定的，前期靠理论分析，后期可通过实践矫正，最后确定合理的使用该采煤工作面的伪倾斜角。

2.4 推移输送机方向影响

推移输送机时，若从机头向机尾方向推移，机头部位的槽子先行推至煤墙，这些槽子受推溜千斤顶的推力和与煤墙的摩擦力共同作用，使得这些槽子固定不动，后推的槽子向下滑动的难度增大，故从机头向机尾方向推输送机能使其减少下滑量。反之，从机尾向机头方向推输送机能使其增加下滑量。

2.5 支架调斜影响

支架推溜千斤顶垂直输送机时，推溜千斤顶只有一个垂直输送机的推力。但当采煤工作面液压支架与刮板输送机不垂直时，支架推移千斤顶会产生一个水平分力，支架与刮板输送机夹角越大，则水平分力越大，刮板输送机窜动的趋势也越明显。即当出现上调斜时，给刮板输送机一个向机头方向的推力；出现下调斜时，给刮板输送机一个向机尾方向的推力。

3 输送机上窜下滑控制技术

3.1 综采工作面概况

平煤股份十三矿己16-17-14040采煤工作面位于己四采区，可采走向长960 m，倾斜长为160～170 m，设计采高平均3.0 m。风、机巷实际揭露煤层厚度在0～3.8 m之间，平均厚度3.0 m。风机巷中，对中平面投影长度145 m，煤层结构复杂，煤层中有0.1～1.2 m左右的1层夹矸，煤层结构3.0=1.0(0.3)1.7。采面煤层倾角在13～48°，平均27°左右。该采面地质构造较为复杂，在风机巷掘进过程中，共揭露大小断层15条，分别为F1～F15，全部为正断层。其中落差大于3.0 m的断层有F4和F5两条断层，两条断层相互影响，形成一个地堑构造。通过无线电磁波透视探测新发现KF1～KF9等9条隐伏断层，落差在0～1.5 m。该工作面设备配套见表2。

表2 己16-17-14040采煤工作面设备配套选型

由于该工作面地质条件复杂，断层多，倾角大，两巷高差起伏大，刮板输送机与转载机搭接不易控制，再加上使用端头支架，对输送机的上窜下滑控制要求更高。

3.2 综采工作面输送机上窜下滑控制技术

3.2.1 伪倾斜角度的确定

综采工作面最有效控制支架及输送机下滑的方式就是采用一定伪倾斜回采，而伪倾斜角度的确定方法有很多种。

1) 经验公式法。将他矿总结经验公式(1)代入伪倾斜角度计算公式(2)，可得公式(3)。从式中可以看出，伪倾斜角度与采面倾角关系密切。该方法较为简单，考虑因素较少，但多数情况下确定的数值可靠度不高。

S=Ltan(θ/2)

(1)

α=90°+arcsin(S/L)

(2)

α=90°+arcsin[tan(θ/2)]

(3)

式中：α为采煤工作面伪倾斜角度，°；S为采煤工作面调斜距离，m；L为采煤工作面长度，m；θ为采煤工作面倾角，°。

2) 类比法。该方法主要以该矿以开采相同地质条件、类似设备配套的采煤工作面的伪倾斜角度作为参考。该方法准确度较高，但实用性不是很强，主要为采煤工作面切眼布置提供参考。

3) 现场探索法。该方法在采煤工作面正常回采后，通过不断观察、统计、分析刮板输送机上窜下滑数据，及时作出调整，探索出适合该采煤工作面的伪倾斜角度。该方法实用性较强，但是过程缓慢，需要反复调整，有精确的上窜下滑数据作支撑，才能得出最佳伪倾斜角度。

3.2.2 科学统计分析输送机运动趋势

1) 每班验收员选取固定参考线，量取当班机头或机尾上窜下滑情况。

2) 取机头和机尾至巷道中心线变化的平均值作为 “上窜下滑”运动的判定依据，避免风机巷巷道宽度变化导致误判。

3) 详细统计采煤工作面数据，建立监测数据库，在刮板输送机初显 “上窜”或“下滑”运动趋势时，立刻采取相应措施进行防治，避免 “上窜下滑”控制陷入被动。

3.2.3 分清主导因素

控制刮板输送机 “上窜下滑”要分清何种影响因素占据主导地位。由于各种因素的动态变化，主导因素也会因不同措施发生相应改变。

采取调采面伪倾斜措施后，刮板输送机并未按照预想轨迹运动，而是向相反方向运动，且越调刮板输送机越向相反方向运动。出现这种现象的原因有以下两点。

1) 调采面伪倾斜实效性：调采面伪倾斜后，支架变向幅度滞后于刮板输送机变向幅度，支架推移力迫使刮板输送机向相反方向运动，此时支架推移力为刮板输送机运动的主导因素。

2) “调过了”：当采煤工作面大比例调采面伪倾斜后，支架保持与刮板输送机垂直关系，此时采斜影响占据主导因素。

3.2.4 多措并举控制刮板输送机上窜下滑

刮板输送机 “上窜下滑”控制是多方面共同作用的结果，因此，在调整采面伪倾斜时，需要配合单向推移输送机、支架调整调斜来共同完成。

根据刮板输送机上窜下滑的严重程度，可以采取机头或机尾多过，也可以采取插头或插尾方法，按照1∶3～6进行控制。以控制输送机下滑为例，阐述调控过程注意事项。

1) 插头过程中，要注意按照特定比例，采煤机要跑到位，避免出现输送机中间落后。

2) 调整采面伪倾斜时，推输送机顺序一定从下向上，减缓输送机下窜量。

3) 调整采面伪倾斜时，注重使用侧护千斤顶或低调千斤顶调整支架状态，使得支架垂直输送机或者支架适当下调。若是支架调整不及时，会出现歪架倒架现象。若支架处于上调时，则阻碍输送机向上窜动。

3.3 现场应用

14040采煤工作面倾角平均27°，该采区其他类似地质条件的工作面伪倾斜角度为99°；按照公式(3)计算，该采煤工作面伪倾斜角为103.9°(伪斜38.4 m)；该工作面设计时伪倾斜角度为93°(伪斜9 m)。无论是按照经验公式法或者类比法，都需要回采时增加伪倾斜角度，防止输送机下滑。刚开始采取微调法，即机头按照0.8 m过，机尾按照0.7 m过。在回采5 m，输送机调平后，通过数据分析，输送机有上窜趋势。接着采取头∶尾=2∶3回采，直至伪倾斜角度调为90.7°(伪斜2 m)时，输送机上窜趋势得到控制，说明是该工作面较为合适的伪倾斜角。

由于该采煤机巷坡度变化角度，回采过程中为了使得输送机机头搭接合理，需要不停地调整伪倾斜角，让输送机人为控制上窜下滑。通过摸索，当伪倾斜角达到92.2°(伪斜6 m)时，输送机开始向机尾方向窜动；当伪倾斜角达到89°(伪斜-3 m)时，输送机开始向机头方向窜动。

通过对14040采煤工作面控制输送机上窜下滑分析，可以得出经验公式和以往不同设备选型工作面的伪倾斜角并不适用于该采煤工作面。同时，也为类似地质条件和设备选型的工作面提供了数据参考。