項(xiàng)目背景
某公司研發(fā)出適用于煤層傾角70°以下的急傾斜薄煤層走向長(zhǎng)壁偽斜綜采工作面或煤層傾角60°以下的正傾斜綜采工作面的刨運(yùn)機(jī)和液壓支架，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)工作面的條件制定出了相應(yīng)的采煤工藝，為大傾角薄煤層工作面的安全高效開(kāi)采提供了新的技術(shù)裝備。
特點(diǎn)及適用條件
1.特點(diǎn)
刨運(yùn)機(jī)配電液控液壓支架開(kāi)采模式是根據(jù)急傾斜薄煤層的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，工作面沿走向推進(jìn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）刨運(yùn)機(jī)梁既做刨頭的承載體，又做移架橫梁，省略了輸送機(jī)。
（2）采煤時(shí)，刨運(yùn)機(jī)是全工作面同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)割煤，不存在斜切進(jìn)刀段，對(duì)工作面長(zhǎng)度要求低，開(kāi)采工藝比較簡(jiǎn)單。
（3）與電液控液壓支架配套使用后無(wú)需司機(jī)跟機(jī)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了落煤期間工作面內(nèi)無(wú)操作人員的目標(biāo)，為智能化無(wú)人工作面打下基礎(chǔ)。
（4）設(shè)備小巧、重量輕，便于安裝、拆卸。多數(shù)急傾斜薄煤層賦存條件差，不易布置出大型正規(guī)工作面，多數(shù)工作面的偽斜長(zhǎng)在100m以下，走向長(zhǎng)度一般為500~600m，因此工作面搬家倒面次數(shù)多。而急傾斜薄煤層工作面作業(yè)空間狹窄，面內(nèi)設(shè)備安裝多為懸空作業(yè)，難度和危險(xiǎn)性比緩傾斜工作面大的多。因而要求設(shè)備不但小巧、重量輕，而且便于安裝、拆卸，而刨運(yùn)機(jī)最符合這樣的要求。
2.適用條件
與滾筒采煤機(jī)配電液控液壓支架、刨煤機(jī)配電液控液壓支架開(kāi)采模式相比，刨運(yùn)機(jī)配電液支架開(kāi)采模式在大傾角薄煤層開(kāi)采方面具有更廣泛的適用性，其適用條件如下：
（1）煤層傾角：可適用于煤層傾角70°以下的急傾斜薄煤層走向長(zhǎng)壁偽斜綜采工作面或煤層傾角60°以下的正傾斜綜采工作面。
（2）煤層厚度：適合0.8m以上的煤層。
（3）煤層硬度：軟及中硬煤層。
（4）煤層賦存情況：夾矸少，頂板中等穩(wěn)定，無(wú)斷層。
關(guān)鍵技術(shù)
01刨運(yùn)機(jī)梁防滑技術(shù)
在急傾斜走向長(zhǎng)壁工作面中，刨運(yùn)機(jī)梁上裝配著刨頭、刨鏈、驅(qū)動(dòng)鏈輪、變速箱和電機(jī)，合計(jì)重達(dá)50多噸。刨運(yùn)機(jī)的工作過(guò)程主要分為三個(gè)階段：
① 刨運(yùn)機(jī)梁在搖擺千斤頂?shù)淖饔孟聫牡装逄?，尚未與煤壁接觸；
② 刨運(yùn)機(jī)梁到頂板后，推移千斤頂伸出，刨運(yùn)機(jī)割槽；
③ 割槽結(jié)束后，推移千斤頂不施加主動(dòng)的推力，刨運(yùn)機(jī)梁在自重和搖擺千斤頂拉力的作用下，下行割煤。
在刨運(yùn)機(jī)落煤期間，這根重50多噸的刨運(yùn)機(jī)梁，將在幾乎垂直的空間整體往復(fù)擺動(dòng)。在此梁擺動(dòng)期間，控制其下滑將是成功開(kāi)采的關(guān)鍵。
為此，設(shè)計(jì)了三套機(jī)構(gòu)。
① 三架一組的斜拉千斤頂。該機(jī)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵是在千斤頂活塞桿伸出時(shí)，仍需保持對(duì)刨運(yùn)機(jī)梁向上拉力；
② 在上順槽內(nèi)安裝一根防滑千斤頂，通過(guò)固定在順槽頂板上的滑輪與刨運(yùn)機(jī)上端頭連接，承受刨運(yùn)機(jī)上端頭驅(qū)動(dòng)鏈輪的動(dòng)載荷及設(shè)備下滑的靜載荷，防止刨運(yùn)機(jī)下滑。
③ 加強(qiáng)推移千斤頂抗彎能力，使其不但能挑起本段刨運(yùn)機(jī)梁并具有3~5倍安全系數(shù)。
（1）三架一組軟連接防滑機(jī)構(gòu)
刨運(yùn)機(jī)斜拉防滑機(jī)構(gòu)由斜拉千斤頂和防滑鏈構(gòu)成。防滑千斤頂?shù)囊欢斯潭ㄔ谥Ъ艿鬃希涣硪欢送ㄟ^(guò)鋼鏈與其下方第三個(gè)支架對(duì)應(yīng)刨運(yùn)機(jī)梁上端相連。工作面內(nèi)除上、下端頭處的三個(gè)支架外，其余支架每3個(gè)支架一組與刨運(yùn)機(jī)梁連接。該防滑千斤頂的特殊之處是在刨運(yùn)機(jī)梁抬起、前移運(yùn)動(dòng)時(shí)，防滑千斤頂不但要隨之伸出，而且要求它仍對(duì)刨運(yùn)機(jī)梁有一個(gè)向上的拉力，防止梁在運(yùn)動(dòng)下滑。該功能通過(guò)對(duì)液壓控制系統(tǒng)的特殊設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。
從圖1可知，在此防滑機(jī)構(gòu)中，防滑鏈固定于刨運(yùn)機(jī)梁的上端，不影響工作面的移架作業(yè)，并有利于對(duì)刨運(yùn)機(jī)梁的上拉作用。
圖1 刨運(yùn)機(jī)防滑機(jī)構(gòu)示意圖
（2）工作面刨運(yùn)機(jī)組上端頭防滑機(jī)構(gòu)
圖2 刨運(yùn)機(jī)組上端頭防滑機(jī)構(gòu)
由于在急傾斜工作面，在割煤過(guò)程中，刨運(yùn)機(jī)上端的驅(qū)動(dòng)鏈輪除承受刨鏈和刨頭下滑的靜載荷外，還要承受割煤的動(dòng)載荷，因此刨運(yùn)機(jī)組上端頭的防滑成為整個(gè)刨運(yùn)機(jī)防滑的關(guān)鍵。為此，在上順槽安裝一根Φ250/200mm，行程700mm的液壓千斤頂，其推力為1545kN，拉力為556kN。其一端固定在順槽中；另一端通過(guò)鋼鏈，繞過(guò)懸掛在順槽頂板上的滑輪，與刨運(yùn)機(jī)變速箱連接，承受刨運(yùn)機(jī)上機(jī)頭的動(dòng)靜載荷，阻止其下滑。
（3）高抗彎強(qiáng)度推移千斤頂
刨運(yùn)機(jī)在工作過(guò)程中，支架的推移千斤頂一方面具有移刨運(yùn)機(jī)和移架的作用，另一方面承受著刨運(yùn)機(jī)梁的下滑力具有阻止刨運(yùn)機(jī)下滑的作用。因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)加大推移千斤頂?shù)目箯澞芰?，使其不但能挑起本段刨運(yùn)機(jī)梁，且具有3~5倍安全系數(shù)。
02工作面液壓支架防倒防滑技術(shù)
（1）工作面中間支架防倒防滑裝置
圖3 工作面支架的防倒防滑裝置
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)活動(dòng)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（見(jiàn)圖3）。這是急傾斜支架基本的防倒防滑性能要求。需要說(shuō)明的是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1~3架稱為排頭支架組，簡(jiǎn)稱排頭支架，是急傾斜綜采工作面設(shè)備的基準(zhǔn)，解決排頭支架防倒防滑是急傾斜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裝置（見(jiàn)圖4）。
（3）排尾支架防倒防滑
工作面最上1~3架稱為排尾支架組，簡(jiǎn)稱排尾支架，主要是控制排尾支架正常運(yùn)作，當(dāng)出現(xiàn)不正常狀況時(shí)，一般是由上而下調(diào)節(jié)，包括頂梁防倒、底座前、后調(diào)架防滑等裝置（見(jiàn)圖5）。
圖4 排頭支架防倒防滑裝置
03工作面擋矸技術(shù)
（1）支架擋矸板和擋矸簾
在支架頂梁和底座前端分別安裝一塊擋矸板，不用時(shí)將擋矸板扣鎖在頂梁和底座上。在支架支撐高度較低時(shí)，僅將底座上的擋矸板翻起，防止墜落物進(jìn)入支架內(nèi)；在支架支撐高度較高時(shí)，將頂梁上的擋矸板翻下，形成一道密閉墻，將落煤通道與支架空間隔開(kāi)。擋矸板朝煤壁傾斜，將下落物擋向煤壁，形成階梯狀下落，以減弱下落物的沖擊力。
在擋矸板后邊行人空間前，在支架頂梁上布置一排半圓形掛鉤，懸掛鋼鏈網(wǎng)，鋼鏈規(guī)格Φ10×13。當(dāng)支架升高時(shí)，它隨之增長(zhǎng)，將支架內(nèi)部擋嚴(yán)。同時(shí)，鋼鏈網(wǎng)的下方與支架底座固定，以保證能有效遮擋住下墜物。
（2）擋矸彈簧板
在急傾斜工作面矸石緊隨支架后部，當(dāng)支架略微降架時(shí)，矸石便會(huì)擠進(jìn)支架頂梁與頂板之間，影響支架支護(hù)質(zhì)量。而在下一次移架時(shí)，又會(huì)有更多的矸石擠入此縫隙，往復(fù)下去，支架難于控制。為此在支架頂梁后端增設(shè)一條向采空區(qū)頂板彎曲，略高于頂梁彈簧鋼板，見(jiàn)圖6。支架頂梁支撐頂板時(shí)，彈簧鋼板回縮；移架時(shí)彈簧鋼板彈起，仍與頂板靠緊，阻止矸石進(jìn)入降架的縫隙中。
圖6 彈簧擋矸板
配套采煤工藝
01回采工藝流程刨運(yùn)機(jī)綜采試驗(yàn)工作面回采工藝流程如下：
打開(kāi)全工作面各個(gè)刨運(yùn)機(jī)梁升降千斤頂?shù)目傞y進(jìn)液口，抬起刨運(yùn)機(jī)梁，使上部刨刀頭抵至頂板，關(guān)閉此閥門——啟動(dòng)刨運(yùn)機(jī)，待其正常運(yùn)轉(zhuǎn)后——打開(kāi)全工作面各組液壓支架推移千斤頂?shù)目傞y進(jìn)液口，各支架推移千斤頂統(tǒng)一推出，將刨運(yùn)機(jī)壓入煤壁；割煤——當(dāng)刨運(yùn)機(jī)梁全部推入煤體，截深達(dá)0.3m時(shí)，打開(kāi)全工作面各個(gè)刨運(yùn)機(jī)梁升降千斤頂?shù)目傞y回液口，升降千斤頂回縮，刨運(yùn)機(jī)在拉力和自重作用下，下行割煤——在刨運(yùn)機(jī)下行割煤過(guò)程中，當(dāng)上鏈刨刀與頂板間有30cm距離后，打開(kāi)全工作面各組支架前探梁千斤頂總閥進(jìn)液口，使前探梁伸出，及時(shí)支護(hù)頂板——當(dāng)刨運(yùn)機(jī)下部刨刀割至底板時(shí)，刨運(yùn)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；——再次抬起刨運(yùn)機(jī)梁，重復(fù)上述動(dòng)作，割第二刀煤?！獌傻睹焊钔旰螅龠\(yùn)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，橫梁位于底板，準(zhǔn)備移架——由工作面下方逐個(gè)前移支架。
在前移工作面下端頭前5架排頭支架中的第2組支架前，先檢查上、下兩組支架支撐是否可靠，必要時(shí)給這兩組支架補(bǔ)液加強(qiáng)其支承阻力。操作人員應(yīng)在第3組支架上鄰架操作第2組支架。待第2組支架帶壓前移到預(yù)定位置后，檢查該支架是否有下滑、歪倒現(xiàn)象；如有，可利用防倒防滑裝置，將其校正，使其處于正常垂直頂?shù)装逯螤顟B(tài)后，再給液，使其牢固地支撐在頂、底板之間。按此方式前移3、4、5組支架，最后前移第1組支架。該支架推移到位后，可用通過(guò)圓環(huán)鏈與第二組支架相連的防滑千斤頂調(diào)整支架處于平行煤層走向的狀態(tài)，然后支撐頂?shù)装?。由下而上的按此方式前移工作面的各個(gè)支架，直到上端頭；工作面完成一個(gè)正規(guī)循環(huán)，準(zhǔn)備開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。
02刨運(yùn)機(jī)割煤
（1）刨運(yùn)機(jī)割煤方式
在急傾斜薄煤層開(kāi)采中，刨運(yùn)機(jī)建議采用上行單向割煤的方式，理由是：
①刨運(yùn)機(jī)自上而下從煤層頂板割至底板，當(dāng)下鏈單獨(dú)刨煤時(shí)，下刨鏈?zhǔn)艿矫罕谙蛏系慕馗钭枇Γ古龠\(yùn)機(jī)梁受到向上的力，抵消了一部分刨運(yùn)機(jī)的下滑力，減小機(jī)組下滑，同時(shí)也有利于減小牽引阻力。
②當(dāng)刨運(yùn)機(jī)上行割煤時(shí)，下刨鏈帶動(dòng)刨頭向下運(yùn)行中，順煤流而動(dòng)，有利于煤塊的下滑運(yùn)移；反之，下刨鏈帶動(dòng)刨頭向上逆煤流運(yùn)行，不但將煤破的十分碎，而且是做無(wú)用功。
現(xiàn)以一個(gè)正規(guī)采煤作業(yè)循環(huán)為例，將刨運(yùn)機(jī)割煤工藝流程分述如下：
刨運(yùn)機(jī)開(kāi)始割煤槽時(shí)，全工作面所有支架上的升降千斤頂一齊全部推出，使刨運(yùn)機(jī)梁處于頂板之下，然后刨運(yùn)機(jī)啟動(dòng)、待其運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，全工作面支架上的推移千斤頂一齊逐步推出，將刨運(yùn)機(jī)推入煤壁，開(kāi)始割煤。當(dāng)刨運(yùn)機(jī)截槽深度達(dá)0.3m后，支架推移千斤頂停止進(jìn)液、推出；而升降千斤頂回收，刨運(yùn)機(jī)沿煤壁下行割煤，至底板，完成一個(gè)割煤循環(huán)。
（2）刨運(yùn)機(jī)割煤質(zhì)量要求
①工作面沿煤層頂板開(kāi)采，不許超高超低，最低不能低于1.0m，最低采高設(shè)置的目的是使支架有足夠的過(guò)人空間；當(dāng)煤厚小于1.0m時(shí)割底。當(dāng)刨運(yùn)機(jī)需要割底或挑頂時(shí)，每刀高差不許大于1.5cm，逐漸吃刀。
②刨運(yùn)機(jī)割煤過(guò)程中應(yīng)保持一個(gè)平面推向煤壁割煤；否則其梁彎曲受力，易損壞；
③刨運(yùn)機(jī)割過(guò)后，必須及時(shí)移架，以防止架前冒頂、片幫；
④在刨運(yùn)機(jī)割煤時(shí)，必須嚴(yán)格按照采煤機(jī)安全操作規(guī)程的要求進(jìn)行操作。
03移架
（1）移架工藝
在急傾斜工作面下端頭的支架穩(wěn)定是整個(gè)工作面穩(wěn)定的關(guān)鍵，在下部用防倒千斤頂連起的5個(gè)支架拉移到位后，再以這些支架為支點(diǎn)自下而上的依次拉移，可保證工作面支架不會(huì)發(fā)生整體下滑，也可保證每個(gè)支架拉移時(shí)都有支點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生倒斜。現(xiàn)將移架順序描述如下：
①刨運(yùn)機(jī)一次割煤
刨運(yùn)機(jī)掏完槽后下行割煤，當(dāng)上刨鏈的刨刀頭距頂板有0.3m時(shí)，全工作面支架前探梁伸出0.3m，及時(shí)護(hù)頂。
②刨運(yùn)機(jī)二次割煤
當(dāng)刨運(yùn)機(jī)二次割煤開(kāi)始下行割煤，上刨鏈的刨刀頭距頂板有0.3m時(shí)，全工作面支架前探梁再前伸出0.3m（共0.6m），及時(shí)護(hù)頂。
③工作面移架
采用鄰架控制方式移架。移架順序?yàn)樽韵露蠋阂萍埽纫葡露祟^支架，再移排頭支架，使上鄰架始終以下鄰架為依托前移。通常移架時(shí)相鄰兩架的頂梁高差不超過(guò)10cm，以防止頂梁咬錯(cuò)，造成背架，出現(xiàn)傾倒、錯(cuò)位。支架調(diào)整以下鄰架為依托，通過(guò)側(cè)護(hù)板、底調(diào)梁調(diào)整支架支護(hù)狀態(tài)，使其垂直于頂?shù)装逯?，平行于煤層走向布置?/span>
移架的動(dòng)作為：收下側(cè)護(hù)板→降柱(保持一定壓力)→移架(擦頂移架)→升柱(保持初撐力)。
（2）移架質(zhì)量要求
①必須嚴(yán)格按移架安全操作規(guī)程進(jìn)行移架，其移架的程序是：收下側(cè)護(hù)板→降支架立柱(保持一定壓力)→以刨運(yùn)機(jī)梁為支點(diǎn)，用移架千斤頂移架0.6m→升起支架立柱，保持幾秒鐘使支架達(dá)到額定的初撐力；
②為保證拉架時(shí)不致將刨運(yùn)機(jī)梁后拉，在移架時(shí)，應(yīng)將鄰架的推移千斤頂處于前推位置或閉鎖；
③當(dāng)頂板碎破時(shí)，支架前探梁應(yīng)及時(shí)伸出維護(hù)頂板；
④在移架時(shí)，必須使上下支架的錯(cuò)距一致，使工作面支架保持成一條直線，平行于煤壁，其直線誤差在±4mm以內(nèi)。
實(shí)例介紹
JBB-Ⅰ型急傾斜薄煤層刨運(yùn)綜采機(jī)組，通過(guò)液壓支架及刨運(yùn)機(jī)的型式試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)審核，已取得國(guó)家安全標(biāo)志證書。2010年3月在生產(chǎn)基地通過(guò)地面初次運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，6月在某煤業(yè)公司順利通過(guò)地面組裝和聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。7月，機(jī)組及相關(guān)設(shè)備在工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)工作面煤層厚度為1.3~1.5m，傾角70°以上，工作面的主要設(shè)備及參數(shù)如表1所示。
該設(shè)備的主要特點(diǎn)如下：
（1）利用急傾斜煤層特點(diǎn)，刨運(yùn)機(jī)梁既做刨頭的承載體，又做移架橫梁，省略了輸送機(jī)。
（2）在刨運(yùn)機(jī)落煤期間采用電液控制，刨運(yùn)綜采機(jī)組無(wú)需司機(jī)跟機(jī)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了落煤期間工作面內(nèi)無(wú)操作人員的愿望，一方面利于安全生產(chǎn)，另一方面為智能化無(wú)人工作面打下基礎(chǔ)。
（3）刨運(yùn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)由兩臺(tái)礦用變頻器控制，即可提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率平衡，又可根據(jù)煤層的硬度，調(diào)節(jié)刨運(yùn)機(jī)的切割速度，提高效率。
（4）采煤時(shí)刨運(yùn)機(jī)是全工作面同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)割煤，不存在斜切進(jìn)刀段，對(duì)工作面長(zhǎng)度要求低，開(kāi)采工藝比較簡(jiǎn)單。
表1 工作面主要設(shè)備及參數(shù)
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，該開(kāi)采模式取得了較滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，為大傾角薄煤層工作面高產(chǎn)高效開(kāi)采提供了新的技術(shù)裝備。
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