薄煤层综采设备的研制及工艺参数优化

薄煤层由于其开采空间狭窄，效率低，工作面条件差，机械装备不配套或采煤工艺不完善等技术问题，难于实现矿井的高效与安全生产。 枣庄矿业集团公司借鉴我国中厚以上煤层综采的经验，在薄煤层综采配套设备的研制及工艺参数优化方面进行了有益的探索。于2003年10月，在其田陈矿531工作面装备了自行研制与改进的三机配套设备，取得了明显效果，实现最高日产3504t，平均月产89636t，创出了滚筒式薄煤层综采机组年产百万吨的新水平。装备此工作面设备资金投入为1088.00万元，设备投入不到装备刨煤机面的十分之一。 1　综采三机配套及技术特征 11　液压支架 根据薄煤层开采的特点，采用计算机对支架四连杆机构进行运动分析寻优与强度设计，满足工作条件，优化了支架结构： （1）支架为支撑掩护式，采用了整体顶梁，二柱支撑满足了大伸缩的要求； (2）主要结构件用Q550高强度结构钢板制作，减轻了支架重量。采用焊前预热，焊后人工时效的焊接工艺，保证结构件焊接质量； （3）选用大流量液压元件，提高支架的响应速度； （4）合理布置液压管路系统，加大了人、机空间。 其研制的ZY2400/08/19液压支架的技术特征如下：两柱支撑掩护式，支撑高度0.8～1.9m，支架宽度1.43～1.6m，中心距1.5m，工作阻力2400kN，支护强度0.41～0.46MPa，适应倾角不大于35°，操作方式为邻架控制，支架重量6500kg。 12　采煤机 结合薄煤层开采的技术特点，对采煤机以下几个方面进行了改造： （1）改进设计泵箱，解决发热问题，以满足综采开机率高的工况需要； （2）专门设计一组锥形轴摇臂，使滚筒圈直径减小，相应增大叶片高度，满足卧底量要求； （3）优化滚筒设计，合理增大叶片螺旋升角，改善装煤效果； （4）适当减低机身高度(824mm)，采煤机各大联结处作了相应的改进。 改造后的采煤机MG200-BW2的技术特征如下：采高范围10～20m，适应倾角不大于35°，适应硬度系数f≤35，滚筒直径800/1000mm，机面高度824mm，卧底量91mm，牵引方式为无链牵引，最大牵引力250kN，牵引速度0～614m/min，装机功率200kW，电压等级660/1140V，机器总重15t，机器总长7858mm。  　13　刮板输送机 对刮板输送机主要在以下几个方面进行了改造： （1）采用了薄煤层刮板输送机中双链传动结构，输煤条件得以改善； （2）国内首次在薄煤层刮板输送机上采用了22E型中部槽型钢，整机刚性、强度有较大提高； （3）降低机头、机尾过度槽高度（为430mm），改善了采煤机对机头、机尾煤壁的截割条件； （4）加强了铲板、电缆槽架、牵引排销等处的联接结构。 改造后的刮板输送机SGZ-630/220的技术特征如下：出厂长度170m，输送量450t/h，装机功率2×110kW，刮板链速1. 07m/s，紧链方式为闸盘紧链。 　2　 工作面地质条件 研制的综采设备在田陈矿531工作面首次应用，工作面走向长壁式布置，走向长度为950m，倾斜长度为156m，煤层厚度04～30m，平均125m，硬度系数f =2，煤层倾角10°～１5°，平均13°，储量28.34万t。煤尘爆炸指数31. 9%，属强爆炸性煤层。工作面局部有泥岩伪顶，厚0～1.8m，松软易冒，其上部分为灰白色细石英砂岩，其下部分层厚15m左右为直接顶，其上为平均厚度33.5m、坚硬、裂隙发育的老顶。底板局部有一层01～04m的炭质泥岩，直接底为灰色粉砂岩，厚2.6m，老底为灰色细砂岩，坚硬，层理清晰，厚度16m。 531工作面位于北五采区下部，轨道下山的左翼，地面标高+45m，井下标高-722m～-768m， 地质条件复杂，掘进期间揭露断层8条，其中10m以上断层4条，F6逆断层落差为40m，且有一条宽20m、沿走向延伸220m的冲刷带贯穿全工作面。 3　工作面工艺参数优化 工作面合理工艺参数的确定，是综采配套设备实现工作面高产的基础。 　31　截深的选择 综合考虑采煤机功率、煤质硬度系数、煤层厚度及采高、顶板节理发育情况、支撑压力压酥煤壁深度、支架支护方式等因素来确定截深。通过认真分析工作面地质条件和设备配套情况，确定截深为06m。当顶板节理发育、片帮严重时，每刀拉架时进行超前支护，以提高循环单产。 32　采煤机牵引速度Ｖ的确定（公式略） 33　支护与移架方式 采用邻架操作，及时支护。在采煤机割过后，先移支架撑住顶板，然后再移输送机。结合煤层厚度掌握加长杆伸缩范围，以便以合理架位及高度支护顶板。当顶板情况允许时，顺序移架与隔架移架相结合，保证移架速度满足采煤机割煤速度，以实现连续快速割煤的需要。 34　采煤机进刀方式 　　采用MG200-BW2采煤机落煤，单向采煤，中部斜切进刀。前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，自开缺口。 　　4　工作面工序匹配的保障措施 薄煤层综采工作面合理工艺参数的有效保障，主要包括工作面各运输环节的相互协调及过载保护、长距离通讯指挥、工作面“三直一平”及过地质构造的控制措施，为此田陈煤矿采用了国内最先进的TK－200通讯控制系统，强化了工作面生产管理，保证了工作面各工序的最佳匹配，大幅度降低了工作面故障率，使工作面开机率达到90%以上。 　　41　TK－200通讯控制系统的应用 　　411　系统组成 TK－200通讯控制系统由TK110型工作面控制器、TK120型电源、TJ100型矿用电流检测装置、TK130扩音电话、TK130C多功能电话、TK150型智能终端、TK150E型智能耦合器和TK130－X型五芯带屏蔽矿用拉力电缆组成。 　　412　系统应用效果 TK－200通讯控制系统的应用，充分发挥出其通讯控制一体化功能，大幅度降低了工作面设备的故障，最大限度地实现了各工序间的协调运作，极大地提高了工作面的工时利用率，有力地保证了薄煤层工作面高产高效。其应用效果主要体现在： （1） 由于TK－200通讯控制系统在工作面布置了12部TK130系统电话，在电气列车上设有控制台，工作面所有电话及控制台之间均可任意通话，控制台可实现工作面所有设备的集中控制，大幅度降低了机电故障率。 （2） 由于工作面扩音电话能实现工作面沿线全线扩音，所以极大地方便了跟班队长、班组长的生产指挥，改变了以往人员来回跑动指挥、晃动发信号、喊话联系的方式，加强了工作面各生产工序之间的协调与统一，使各工序之间密切配合，充分发挥单位时间内正规循环作业的有效性，大大提高了工作效率。 （3） 由于采用了集中控制和工作面沿线闭锁方式，使工作面沿线操作人员只能停机，不能开机。如要开机，通知控制台，控制台在开机时，均要进行语言报警，并且设有延时装置，避免了以往盲目启车而损坏机电设备或造成安全事故的现象。如工作面沿线有故障，操作人员可以迅速闭锁停机，并通知所有作业人员，这样将事故消灭在萌芽状态，从而保证了安全生产。 （4） TK－200通讯控制系统本身配备了TJ100型电流检测报警装置，能随时不间断地对工作面电流进行检测，一旦检测到工作电流超过设定值，便进行报警，则操作人员可以及时调整割煤速度和减少采煤量，避免了因过载而造成的压溜、烧电机、损坏减速器等事故现象的发生，这样不但方便了生产，提高了效率，而且大大地降低了材料和配件的消耗。 （5） 田陈矿531工作面运输巷布置3部带式输送机和斜巷1部刮板输送机，运输环节直接制约着工作面开机率。使用该系统后，通过精心计算最合适的斜巷刮板输送机和带式输送机负荷，对工作面刮板输送机的工作电流进行了报警设定，从而减少了斜巷刮板输送机和带式输送机的过载和空转时间，不但节约了电能，而且提高了工作面开机率。 42　工作面地质条件适应性控制措施 确保工作面“三直一平”是实现薄煤层综采工作面正常生产的有效手段，尤其工作面过断层或褶曲等地质构造时，工作面设备难以适应地质条件，必须强化工作面生产管理，采取有效的控制措施，降低设备故障率，提高工作面开机率。 （1）确保工作面“三直一平”的措施。 工作面实行拉线管理；工作面悬挂照明灯具作参照物；推溜时，确保顶溜千斤顶的行程达到标准要求；工作面若出现局部不直现象时，应及时移架或移溜；提高职工操作水平，增强责任心。 （2）工作面过断层措施。 调整工作面与断层间夹角；采煤机割煤过后及时移架，管理好顶板；工作面支架进行超前支护；控制好工作面周期来压；若端部出现局部冒顶时，要及时挑顶护顶；带压擦顶移架；煤壁打设木锚杆，以防片帮；必要时，在支架上吊挂工字钢作前探梁；注意吊梁，防止支架钻底。 （3）工作面过褶曲措施。 调整褶曲轴向两侧的坡度，当轴向两侧坡度较大时，适当留底煤，轴向两侧坡度较小时，应适当破底，确保轴向两侧坡度平缓；随时调整支架，防止支架歪斜；加强褶曲段工作面顶板管理。 （4）防止刮板输送机蹿动措施。 　采煤机司机、移架工、推溜工应密切配合，确保工作面“三直一平”；控制好工作面上、下两巷的推进度；工作面支架出现倾斜时，要及时摆正；工作面发现刮板输送机有滑动趋势时，应及时甩刀或赶溜；利用支架侧护板，调整刮板输送机，阻止其上蹿下滑；埋设地销或安设千斤顶，防止刮板输送机蹿<