急倾斜煤层综合采煤设备“三机”配套优化研究

2024-01-17马志辉

现代制造技术与装备 2023年11期

马志辉

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马一矿，银川 750408）

传统采煤设备在急倾斜煤层中的运行效率不高，为满足能源需求，提高煤矿的可持续性，需要优化采煤设备。因此，液压支架、采煤机及刮板输送机“三机”配套优化研究的核心目标是通过协调推进机、掘进机和装载机等设备的工作，提高急倾斜煤层采煤的效率和安全性。研究急倾斜煤层综合采煤设备“三机”配套优化可以满足现实需求，满足煤矿行业对提高生产效率、降低成本和增强安全性的迫切需求。

1 矿井地质条件

L 矿井位于四川省境内，属于李子垭煤矿接续矿井，目前处于未投产状态。该矿井首采面安装“三机”设备，并尝试进行工业性联合运行。该煤矿设计生产能力与核定生产能力相同，为每年32 万t。

L 矿井煤层呈黑色，具有沥青-玻璃光泽，展现出条带状结构。煤层上部厚约1.2 m，质地较为松软，下部呈块状结构，质地较硬。此外，煤层内外存在裂隙，容易垮落。煤层顶部与底部属于上二叠统龙潭组，沉积环境属于海陆交替相，共分为6 个层段。

2 急倾斜液压支架

2.1 支架选型

支架的选型直接影响采煤作业的稳定性和安全性，因此选型时需要综合考虑煤层的特性[1]。急倾斜煤层通常要求支架具备良好的稳定性和抗倾覆能力，为了适应高倾角煤层，首选履带式支架或链条支架。这些支架能够在复杂的地质条件下，确保采煤作业顺畅进行。

2.2 立柱数量确定

确定支架中立柱数量的过程中，相关工作人员需要考虑煤层的特点和采煤机的工作范围。合理的立柱配置能够确保支架在采煤工作区域提供有效支撑，降低倾覆和其他潜在的安全风险。过多或过少的立柱数量都可能导致支架工作效率降低，甚至引发事故。本项目中，工作人员综合考虑施工现场地质条件和采煤作业的实际需求，最终决定使用两柱式液压支架。

2.3 支架基本参数确定

2.3.1 支架中心距离

支架中心距离的选择，直接关系支架的稳定性。适当的中心距离可以确保支架稳定支撑采煤工作，提高采煤机的操作效率。过小的中心距离可能无法有效支持支架，过大则可能浪费资源[2]。

2.3.2 支架工作强度

支架的工作强度应根据煤层的岩性和地质条件确定。具体实践中，相关工作人员要基于岩石密度计算法，确定支架的实际工作强度，依据该强度数值选用合适的支架结构。支护强度的计算公式为

式中：q为支护强度；Kd为基本顶失稳动载系数；M为一次厚采的最大采高；Ka为冒落矸石膨胀系数；ρ为顶板部位的岩石密度。

2.3.3 支架高度

支架高度应根据煤层的厚度和采煤机的工作范围来调整，合理的高度设置可以确保采煤机不受限制地有效切割煤层。不合理的高度设置可能导致采煤机无法完全利用煤层，或者出现切割不到位的问题。

2.3.4 支架工作阻力

支架的工作阻力直接影响采煤机的动力需求。合理配置支架工作阻力，可以减少能源消耗，提高采煤效率。不合理的工作阻力设置可能导致能源浪费，降低采煤效率。其中，额定工作阻力计算公式为

式中：F为额定工作阻力；P为工作面额定支护强度；Bc为控顶距离；L为支架结构的中心距离；η为支架的支撑效率。

根据式（2）计算支架结构的各项参数，并根据参数要求采购支架。本项目中，工作人员经过综合考虑，最终选择ZJY 5000/15/35D 型掩护式液压支架。

3 急倾斜采煤机

3.1 配套采煤机新增功能要求

3.1.1 牵引行走

实际工作中，急倾斜采煤机需要应对陡峭的工作面和复杂的地质条件，因此其牵引行走功能十分关键。只有拥有强大的牵引系统，才能确保采煤机在高倾角煤层上移动。牵引行走系统还需要具备足够的灵活性，以适应不同的工作面布局和地质特征[3]。本次研究中，工作人员引入自动调整牵引力控制算法，利用该算法自动调整与校准牵引力，其公式为

式中：F′为牵引力；Kp为微分增益，用于抑制系统的过冲和振荡，通过误差的变化率进行控制；Sq为期望速度；St为实际速度；Ki为积分增益，用于消除系统稳态误差，即在长时间内误差的积累，它对应于误差的积分部分，可以通过对误差进行积分来消除；d为振荡参数；dt为加速度矢量。

3.1.2 防滑制动

防滑制动用于确保急倾斜采煤机在工作过程中不会滑动或失控，在高倾角煤层中尤为重要。采煤机需要装备高效的防滑制动系统，以便在必要时能够快速制动或停止。在制动系统的设计中，需要特别考虑高倾角煤层的特性，确保采煤机在陡峭工作面上保持稳定。实际工作中，为确保防滑制动系统能够发挥应有的效果，相关工作人员引入制动距离及制动时间计算公式，分别为

式中：L为制动距离；v0为初始速度；v1为最终速度；a为制动加速度。

式中：T为制动时间。

3.1.3 管缆拖移

急倾斜煤层中，采煤机通常需要频繁移动到不同的工作位置。为了提高效率，采煤机应配备管缆拖移系统。该系统能使采煤机在工作面上快速移动，而无须大规模拆除和重新布置设备。此外，管缆拖移系统需要具备足够的稳定性和控制性，以确保安全操作和移动采煤机，减少停机时间的同时提高生产效率。管缆参数，如表1 所示。

表1 管缆参数

通过表1 能够全面了解管缆拖移系统的性能和适用性。管缆拖移系统的电源供应、控制方式和安全特性对于操作和安全至关重要[4]。操作环境温度范围指出系统在不同温度条件下的可用性，而质量和寿命预期则提供了有关系统耐用性和寿命方面的信息。

3.1.4 安全控制

安全是急倾斜采煤机设计和使用的首要关注点。为了提升安全性，采煤机需要配备先进的安全控制系统，以监测和管理各种工作参数。该系统应包括瓦斯检测、火灾预防、支架状态监控等。此外，采煤机应具备应急停机功能，以应对紧急情况。安全控制措施有助于降低事故风险，保护操作人员及设备的安全。

3.2 采煤机主要技术实施方案

3.2.1 设计大节距和大模数行走轮齿

首先，采用高强度材料制造轮齿，以提升其耐磨性和抗压能力。其次，增加轮齿的节距和模数，使其更加坚固，以便在不平整的煤层地质条件下提供更好的牵引力和稳定性。再次，对轮齿的表面进行处理，如热处理或表面涂层，以增加其硬度和耐磨性。最后，设计轮齿的形状和排列方式，以确保它们能够有效抓取和牵引煤层，减少轮齿的滑动和磨损。

3.2.2 设计采煤机第二道机械防滑装置

设计备用的机械防滑装置，如机械刹车、可锁紧的行走轮齿或其他机械装置。这些装置需要具备高强度和可靠性，能够迅速启动，以应对主防滑系统失效等突发情况。备用机械防滑装置能够快速降低采煤机的速度，提供额外的安全保障。同时，设计防滑系统的自动监测和警报系统，制订定期维护计划，以确保系统的可靠性。

3.2.3 设计用于急倾斜煤层的采煤机拖缆装置

首先，确定采煤机的移动路径和工作面布局，并设计拖缆系统以适应工作要求。选择耐磨和高强度的材料制造拖缆，抵御煤层中的摩擦和磨损。其次，确保拖缆系统的控制性能，包括准确的速度调节和迅速的启停能力，以提供高度可控的操作。再次，设计拖缆系统的电源供应，如三相交流电源，以适应采煤机的需求。最后，确保拖缆系统的稳定性，防止发生不稳定的移动和危险情况。

3.2.4 设计急倾斜采煤机双向割煤技术

首先，设计刀盘结构以确保双向切割的有效性，涉及刀具形状、角度和布局的调整，以适应不同方向的切割需求。其次，开发高精度的自动控制系统，实现双向割煤时的切割参数调整，以确保切割的精确性[5]。再次，实施切割力的平衡分布，避免采煤机在不同方向出现不稳定的情况。最后，双向割煤技术的成功实施需要综合考虑刀盘结构、控制系统和切割参数的优化。