一、特點(diǎn)及適用條件
薄煤層滾筒采煤機(jī)配電液控液壓支架開采模式可以滿足厚度0.8m以上、煤質(zhì)中硬以下薄煤層開采的需求。
1.特點(diǎn)
此開采模式優(yōu)點(diǎn)是：①適應(yīng)于煤層厚度變化較大的工作面；②對(duì)煤層頂?shù)装迤鸱兓m應(yīng)能力強(qiáng)；③適用于含有夾矸的煤層回采；④對(duì)工作面長度要求比刨煤機(jī)低
缺點(diǎn)是最小采高受到一定限制，“小機(jī)身、大功率”問題很難有效解決，如何在降低機(jī)面高度的前提下進(jìn)一步提高薄煤層滾筒采煤機(jī)的裝機(jī)功率是該配套模式面臨的最大難題。
2.適用條件
該種配套模式對(duì)地質(zhì)條件的要求如下：
（1）煤層硬度：中硬及中硬以下。薄煤層采煤機(jī)的破煤能力比刨煤機(jī)強(qiáng)，能夠順利回采中硬以下的煤層，但受到采煤機(jī)尺寸限制，其裝機(jī)功率較小，對(duì)于硬煤層工作面的適應(yīng)性較差。
（2）煤層傾角：適應(yīng)煤層傾角25°，對(duì)大于25°傾角的煤層適應(yīng)性較差，工作面加入防倒防滑裝置后可用于45°以下薄煤層的開采。
（3）圍巖條件：頂板中等穩(wěn)定。對(duì)底板起伏變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以通過調(diào)節(jié)采煤機(jī)搖臂來適應(yīng)底板的起伏變化；頂板的穩(wěn)定性越好，越有利于薄煤層采煤機(jī)的運(yùn)行，頂板較為破碎時(shí)，容易發(fā)生漏頂現(xiàn)象，影響工作面的正常推進(jìn)。
（4）煤層厚度：受到采煤機(jī)機(jī)身厚度的限制，適用于煤層厚度0.8m以上工作面的開采，當(dāng)煤厚大于1.5m時(shí)采用薄煤層滾筒采煤機(jī)明顯優(yōu)于刨煤機(jī)。
（5）夾矸：薄煤層采煤機(jī)對(duì)含夾矸煤層的適應(yīng)性明顯優(yōu)于刨煤機(jī)，可以適用于含少量夾矸的工作面開采。
（6）地質(zhì)構(gòu)造：過斷層能力較強(qiáng)，能夠應(yīng)用于含小斷層工作面。
國內(nèi)常見的幾種薄煤層滾筒采煤機(jī)的基本情況和工作面設(shè)備配套情況如表1和表2所示。
表1 國產(chǎn)常見薄及較薄煤層滾筒采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
表2 國內(nèi)部分礦區(qū)薄煤層滾筒采煤機(jī)工作面配套設(shè)備及產(chǎn)量
二、關(guān)鍵技術(shù)
1.采煤機(jī)
大傾角薄煤層工作面工作空間小的特點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)提出了一些新的要求，主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：
（1）小體積、大功率
薄煤層滾筒采煤機(jī)與中厚煤層采煤機(jī)相比，其工作空間小，要求盡量減小采煤機(jī)的尺寸；另外，薄煤層采高小是不可改變的事實(shí)，中厚煤層采煤機(jī)割一刀煤相當(dāng)薄煤層的3~5倍，為了實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面的高產(chǎn)高效就要求采煤機(jī)具有大功率。為解決體積縮小與功率加大之間矛盾，主要采用以下關(guān)鍵技術(shù)。
①改變搖臂電機(jī)的布置方式
傳統(tǒng)采煤機(jī)采用單搖臂電機(jī)，由于電機(jī)尺寸較大限制了采煤機(jī)尺寸的減小，可采用多電機(jī)橫向布置的方式降低機(jī)面高度。如MG200/456-WD型采煤機(jī)，每個(gè)截割部的截割功率是200kW，采用2個(gè)100kW電機(jī)來拖動(dòng)，就減少了電機(jī)的外形尺寸，使整個(gè)機(jī)面高度降到853mm，使該采煤機(jī)一般可開采厚度為1.1~1.2 m以上的煤層。同樣，MG250/556-WD型采煤機(jī)，每個(gè)截割部的截割功率達(dá)到250kW，采用2個(gè)125kW電機(jī)來拖動(dòng)，整個(gè)機(jī)面高度也降到853mm，也可以開采厚度為1.1~1.2m以上煤層。
②改變牽引部機(jī)殼結(jié)構(gòu)
國內(nèi)外采煤機(jī)牽引部的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式為多級(jí)直齒輪傳動(dòng)和一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)。薄煤層采煤機(jī)的尺寸小，為了增大采煤機(jī)功率應(yīng)提高牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，現(xiàn)代電牽引采煤機(jī)的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了2900r/min，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式已不能適應(yīng)發(fā)展的需要，現(xiàn)在采煤機(jī)牽引部已向多級(jí)行星齒輪傳動(dòng)的方向發(fā)展。例如MG200/500-AWD型采煤機(jī)牽引部電機(jī)橫向布置，兩級(jí)直齒輪傳動(dòng)和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)減速，實(shí)現(xiàn)了傳遞功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、減速比大，結(jié)構(gòu)尺寸小等特點(diǎn)。
（2）改善裝煤效果
由于是薄煤層，滾筒直徑不可能大，而且隨著煤層越薄，滾筒的直徑要求越小，由此往往帶來裝煤效果不好、裝不上煤或裝不干凈煤的問題，為此采取如下技術(shù)措施。
①安裝擋煤板
為了提高裝煤效果，可以在搖臂上安裝擋煤板來輔助提高裝煤效果。某弧形擋煤板，其與煤接觸的邊緣多做成刃狀，以利于擋煤板刮煤，其重量要適中，過重會(huì)增加搖臂負(fù)載，降低傳動(dòng)件的壽命；過輕又會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)，使得采煤過程中后滾筒的浮煤較多。
②搖臂改為彎搖臂
對(duì)于滾筒向外旋的薄煤層滾筒采煤機(jī)，當(dāng)采用直搖臂時(shí)，由于工作面采高小，搖臂下方的過煤空間很小，裝煤效果不好。此種情況下可將搖臂改為彎搖臂，增加搖臂下方的過煤空間，改善裝煤效果。
③合理確定滾筒轉(zhuǎn)速和葉片螺旋角的大小
滾筒轉(zhuǎn)速和葉片的螺旋角對(duì)采煤機(jī)的裝煤效果有很大影響：滾筒轉(zhuǎn)速越高、滾筒葉片螺旋角過大時(shí)，煤易被沿切線方向拋出，不利于向刮板輸送機(jī)上裝煤；相反，滾筒轉(zhuǎn)速過慢、滾筒葉片螺旋角過小時(shí)，煤被拋向刮板輸送機(jī)上速度過小，也不利于裝煤。因此，應(yīng)結(jié)合滾筒直徑、截深、轉(zhuǎn)向、牽引速度等滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)科學(xué)確定合理的滾筒轉(zhuǎn)速和葉片螺旋角的大小。
2.液壓支架
薄煤層綜采工作面液壓支架選型時(shí)應(yīng)考慮到以下幾方面因素：
（1）支架選型
由于薄煤層工作面頂板一般比較穩(wěn)定，可采用二柱掩護(hù)式支架及整頂梁形式，結(jié)構(gòu)比較簡單，便于維護(hù)和操作。當(dāng)通風(fēng)面積要求大，需采用雙排人行通道時(shí)，支架宜選用四柱支撐掩護(hù)式。
（2）支架結(jié)構(gòu)
薄煤層支架結(jié)構(gòu)要盡量簡單，頂梁可設(shè)計(jì)成整體梁，適當(dāng)加寬頂梁寬度。
薄煤層支架推桿設(shè)計(jì)十分重要，要具備拉架推溜的功能，又要滿足強(qiáng)度的要求，一般還要用它控制綜采工作面輸送機(jī)下滑。推桿側(cè)面和底座限位塊間隙很?。?0～30㎜），利用它控制輸送機(jī)和支架的位置。推桿一端連接輸送機(jī)，另一端通過千斤頂和支架相連，它必須占據(jù)部分立柱前空間，該空間本來很小（人爬行），若推桿設(shè)計(jì)的太厚，將影響行人空間。
由于薄煤層頂板一般較好，冒落矸石較少，掩護(hù)梁受到?jīng)_擊載荷作用可能性較小，所以掩護(hù)梁設(shè)計(jì)角度不一定太陡，只要在工作區(qū)段矸石能很好滑落就可以。
支架底座采用分體底座，左右底座通過橋鉸接。這種結(jié)構(gòu)既可以最大限度地降低支架高度，又能保證較大的排矸空間。支架配帶短底靴板結(jié)構(gòu)，可以改善底座對(duì)底板的比壓分布，使支架比壓分布合理，便于拉架。同時(shí)靴板厚度較薄，加大了人行通道。短柱支撐在底座與掩護(hù)梁之間，使支架具有較好的穩(wěn)定性和對(duì)頂板的適應(yīng)能力。
（3）高強(qiáng)度
薄煤層支架由于其伸縮比大，且最低高度很低，結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要截面高度尺寸盡可能小。結(jié)構(gòu)件大多采用高強(qiáng)度鋼板，如4MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板，主要承載部位采用7MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板。頂梁前部有的設(shè)計(jì)成板式結(jié)構(gòu)，甚至是幾層彈簧鋼板疊加。
（4）可靠的工作阻力
薄煤層工作面，由于采高低，易充填，老頂易形成平衡拱，一般工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯。支架工作阻力可適當(dāng)減小。但因薄煤層支架活柱伸縮量小，工作空間狹窄，在確定支架工作阻力時(shí)應(yīng)十分慎重，否則在工作面頂板大面積來壓，發(fā)生“死架”時(shí)難以處理。
（5）高可靠性
支架具有高可靠性主要是考慮到薄煤層工作面采高較低，操作及維修困難，這就要求液壓管路布置合理有序，并應(yīng)考慮它的可維修性和可操作性。液壓管路連接件密封性能要安全可靠，密封件材質(zhì)選用可靠性高的聚氨酯材料。
（6）高自動(dòng)化程度
薄煤層工作面，行人困難，操作系統(tǒng)最好實(shí)現(xiàn)成組控制、自動(dòng)控制或鄰架控制，以減輕工人勞動(dòng)和提高安全程度、工作效率及產(chǎn)量。
（7）較大的伸縮比
支架具有較大的伸縮比可使支架適應(yīng)較大的高度變化。為滿足支架較大的伸縮比，一般采用雙伸縮立柱。
（8）快速移架需求
快速移架與工作面高產(chǎn)高效的要求相適應(yīng)的，與工作面內(nèi)其它設(shè)備的自動(dòng)化程度相適應(yīng)。為達(dá)到此目的，液壓管路和元件應(yīng)均為大流量器件。
（9）足夠的人行通風(fēng)斷面
人行空間及通風(fēng)斷面的空間尺寸應(yīng)不小于500×70mm，以保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。
（10）防漏矸
支架在使用過程中架內(nèi)及架間應(yīng)無矸石，否則由于采高較低，有可能損壞液壓管路或液壓元件，使支架失去自動(dòng)控制功能。為防止架內(nèi)及架間漏矸，支架頂梁與掩護(hù)梁鉸接處應(yīng)有擋矸簾，以解決架內(nèi)漏矸問題。
3、防倒防滑
大傾角薄煤層工作面由于煤層傾角大，設(shè)計(jì)專門的防倒防滑裝置或設(shè)施，主要包括工作面支架的防倒防滑、排頭支架防倒防滑、排尾支架防倒防滑、工作面架前保護(hù)、刮板輸送機(jī)防滑及大傾角工作面的端頭支護(hù)等。
（1）工作面支架的防倒防滑
工作面支架的防倒防滑機(jī)構(gòu)包括由彈簧組件和千斤頂控制的雙側(cè)護(hù)板（用時(shí)一側(cè)暫固，另一側(cè)活動(dòng)）、調(diào)架梁、后調(diào)（必要時(shí)可安裝前調(diào)）、可按需要安裝頂梁防倒等裝置。頂梁防倒不用軟連結(jié)，主要是行人不便和存在安全隱患。
（2）排頭支架防倒防滑
工作面下排頭3～5架稱為排頭支架組，是大傾角綜采的基準(zhǔn)，解決排頭支架防倒防滑是大傾角綜采工作面成功的關(guān)鍵，包括頂梁防倒，底座前后防滑和架尾防滑等設(shè)施。
（3）排尾支架防倒防滑
工作面最上3~5架，稱為排尾支架組，主要是控制排尾支架正常運(yùn)作，不正常狀況一般也由上而下調(diào)節(jié)，包括頂梁防倒、底座前、后調(diào)架防滑等裝置。
（4）工作面架前保護(hù)
除采用護(hù)壁板、伸縮梁帶護(hù)壁板、護(hù)壁板上挑護(hù)頂?shù)却胧┩猓髢A角綜采面架前防護(hù)以頂梁帶伸縮梁加旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置為佳，包括保護(hù)板和插板與座板組合，銷連于頂梁下的中心軸，可按需要旋轉(zhuǎn)方位，實(shí)現(xiàn)正裝、左右側(cè)裝、反裝和正裝，還可迎煤流方向微轉(zhuǎn)角度，使之與輸送機(jī)電纜架形成“隔離墻”，以防止支架前方和上方煤塊、矸石進(jìn)入架內(nèi)傷人或損壞設(shè)備，確保人員、設(shè)備安全。
（5）刮板輸送機(jī)防滑
工作面刮板輸送機(jī)除機(jī)頭可設(shè)錨固站外，其本自身并無防滑能力，需要由支架為其提供防滑保障，通常采用兩種方式：
①硬連接防滑：由某架與下或上架前的輸送機(jī)直接銷連千斤頂：朝下布量，則向上拉輸送機(jī)；朝上布置，則向上推輸送機(jī)，推力比拉力大，移架后強(qiáng)力拉推復(fù)位。不足的是推溜過程中不能主動(dòng)防滑。
②軟連結(jié)防滑：通常以每5架為一組，全工作面20~25組，視煤層傾角大小而設(shè)，主要是在閉鎖狀態(tài)下推溜防止輸送機(jī)下滑，已下滑則可分段成組或全工作面向上提拉復(fù)位。主要問題是：架前斜置圓環(huán)鏈行人不便，還存在斷鏈傷人的安全隱患。
（6）大傾角工作面的端頭支護(hù)
大傾角綜采機(jī)巷，雖然底板近于水平，但頂板卻因三角煤很難維護(hù)住，故前進(jìn)式的端頭支架很難適應(yīng)25°以上變梯形斷面巷道頂板的支護(hù)要求。主要支護(hù)措施包括：
①錨網(wǎng)支護(hù)：從巷道掘進(jìn)開始即采用錨網(wǎng)支護(hù)，這是現(xiàn)今大力推廣的支護(hù)新技術(shù)，如果設(shè)計(jì)和使用得好，可以不用其他支護(hù)設(shè)施。
②其他支護(hù)方式：使用鋼梁鐵柱，用液壓支柱作超前支護(hù)，但割煤后很難維護(hù)三角煤板；用錨網(wǎng)和單體支柱組合使用效果也可能好。
③橫式端頭支架：支架橫置橫移，升降座由千斤頂控制，可適應(yīng)巷道高低變化；頂梁與升降座鉸連，能適應(yīng)頂板傾角變化；立柱“迎山”支撐頂梁，改善支架受力狀況且加大支架穩(wěn)定性；相向互動(dòng)側(cè)護(hù)板有效解決大行程移架護(hù)頂；架內(nèi)轉(zhuǎn)載機(jī)并隨工作面同步推移等。為高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供了良好基礎(chǔ)。橫式端頭支架，已有礦區(qū)使用，經(jīng)過實(shí)踐和改進(jìn)可以有效解決大傾角綜采巷道和過渡三角區(qū)的支護(hù)，大傾角薄煤層綜采可以試用。
三、應(yīng)用實(shí)例
針對(duì)某煤礦5#煤層0.65~1.1m厚度煤層，35°~40°大傾角薄煤層的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)了新型液壓支架ZQY2800/069/141，大傾角薄煤層綜采工作面“三機(jī)”配套如圖1所示。
圖1 大傾角薄煤層綜采工作面“三機(jī)”配套圖
支架中心距1.5m，采用鄰架控制，支架重量約6.3t。支架采用了分離式手動(dòng)先導(dǎo)換向閥，即：先導(dǎo)閥和主閥分別安裝在本架和鄰架上，它們之間通過一根多芯管連接，實(shí)現(xiàn)支架的鄰架操作，稱作：鄰架手動(dòng)先導(dǎo)換向閥。鄰架手動(dòng)先導(dǎo)換向閥采用了多芯管鄰架控制技術(shù)，使閥的接管簡單、快速、可靠，一管過架，易于布置安裝，大大節(jié)省了支架的生存空間，改善支架的作業(yè)環(huán)境，由于液壓系統(tǒng)管路的大大簡化使液壓系統(tǒng)的可靠性大大提高。
選擇了MG100/240-BW1型采煤機(jī)和SGZ630/132型工作面刮板輸送機(jī)作為工作面主要設(shè)備。采煤機(jī)采高范圍0.75～1.45m，適應(yīng)傾角≤50°，滾筒直徑900mm。
自2009年1月應(yīng)用滾筒采煤機(jī)配電液控液壓支架綜合機(jī)械化技術(shù)開采大傾角極薄煤層以來，已累計(jì)生產(chǎn)出原煤10.639 萬t，開采面積達(dá)到49440m2。其中，單月最大原煤產(chǎn)量為1.52萬t，開采面積12000m2。
通過滾筒采煤機(jī)配電液控液壓支架開采與原炮采工藝的比較，前者月均產(chǎn)量提高6000t以上，全年可多生產(chǎn)原煤7萬t，多增加收入2800萬元；成本可降低10元/t，從而降低支出144萬元；在瓦斯治理提前達(dá)標(biāo)的情況下，月生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)2萬t以上，全年將多創(chuàng)造效益8000萬元以上。滾筒采煤機(jī)配電液控液壓支架開采不但明顯降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)在安全上很好地解決了工作面的頂板支護(hù)問題，防止了頂板事故的發(fā)生，改善了工人的工作環(huán)境，還大大提升了職工隊(duì)伍的技術(shù)水平，從而產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益。
需要進(jìn)一步完善的事項(xiàng)：
(1)液壓支架的側(cè)護(hù)板和底調(diào)太短，在拉架時(shí)，下架對(duì)上架的支撐力不足，容易造成支架前探梁下移，對(duì)保證運(yùn)輸機(jī)不下滑沒有起到應(yīng)有的作用；同時(shí)會(huì)造成架間漏矸，給頂板管理帶來難度，應(yīng)作設(shè)計(jì)修改。
(2)工作面設(shè)計(jì)為220m，長度太長，推溜時(shí)容易造成運(yùn)輸機(jī)不平直，經(jīng)常卡鏈，影響生產(chǎn)，工作面布置時(shí)，應(yīng)縮減長度，以100m左右為宜。
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