陳必貴

（陽泉市燕龕煤礦有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著我國科研投入的增加，礦山機(jī)械化開采水平顯著提高。其中應(yīng)用于大采高綜采工作面的技術(shù)及設(shè)備有了長足的發(fā)展。采用大采高開采可以在保證安全生產(chǎn)的同時(shí)提高生產(chǎn)效率，降低煤炭的損失率。這十分符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，所以此項(xiàng)開采技術(shù)應(yīng)大力推廣。然而開采擾動的范圍會因采高的增加而擴(kuò)大，工作面礦壓會逐漸顯現(xiàn)動力特征，這會導(dǎo)致采用大采高綜采技術(shù)的巷道內(nèi)發(fā)生大塊煤壁從而發(fā)生垮落甚至是片幫事故。一旦塊度較大的煤塊滑入輸送機(jī)就會對原煤的輸送造成不利影響。當(dāng)大塊煤被輸送到輸送機(jī)的機(jī)頭位置時(shí)不易在卸載點(diǎn)處卸載，即使被成功卸載也難以進(jìn)入轉(zhuǎn)載機(jī)的箱式輸送槽中，極易在輸送機(jī)的機(jī)頭處形成堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)停止，不僅會降低煤礦的生產(chǎn)效率還會造成安全隱患。因此亟待一種片幫大塊煤破碎綜合配套技術(shù)解決大采高綜采工作面大塊煤破碎的難題。

1 大塊煤破碎相關(guān)技術(shù)

大采高一次采全高工藝主要被應(yīng)用于開采特厚煤層，相較于大采高綜放工藝，一次采全高工藝在采煤效率和資源利用率方面具有較大優(yōu)勢。本文將兗礦集團(tuán)金雞灘煤礦108工作面作為研究對象，進(jìn)行大塊煤破碎配套技術(shù)的研究。

1.1 現(xiàn)場概況

該礦108工作面所開采的煤層埋深為246.1～256.3 m，工作面設(shè)計(jì)長度為300 m，沿走向長度為5500 m，傾角為0°～3°，最大采高為8.2 m，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力1500萬t。此煤層屬于近水平全區(qū)可采較穩(wěn)定的厚煤層。煤層巖性為砂巖和泥巖，巖體較脆容易垮落。

由于該工作面屬于近水平煤層，所以沿煤層走向推進(jìn)，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法處理頂板。采煤機(jī)裝機(jī)功率2900 kW，液壓支架最大支護(hù)高度為8.2 m，刮板輸送機(jī)槽寬1400 mm，總裝機(jī)功率4800 kW，輸送長度320 m，交叉卸載。

1.2 大塊煤破碎裝置最佳安裝位置分析

從煤壁上垮落的大塊煤落入刮板輸送機(jī)后，被刮板攜帶到輸送機(jī)的機(jī)頭，然后轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)載機(jī)上。因?yàn)檗D(zhuǎn)載機(jī)與刮板輸送機(jī)相垂直，所以大塊煤在轉(zhuǎn)載機(jī)與刮板輸送機(jī)上的運(yùn)動軌跡為L形，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)的卸煤處成為易堵煤區(qū)[1]。防止發(fā)生堵煤事故最有效的方法是將大塊煤在輸送機(jī)機(jī)頭架卸載處之前就進(jìn)行破碎。要求破碎裝置的安裝位置盡可能地靠近輸送機(jī)機(jī)頭架，避免發(fā)生片幫落下的大塊煤在破碎裝置的后部進(jìn)入刮板輸送機(jī)。結(jié)合發(fā)生堵煤事故的機(jī)理和工作面的實(shí)際情況，大塊煤破碎裝置的最佳安設(shè)位置為靠近側(cè)卸機(jī)機(jī)頭架的過渡槽上。

1.3 大塊煤破碎裝置的安裝

大塊煤破碎裝置的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，采用搖臂垂直擺動結(jié)構(gòu)。為使液壓的推力達(dá)到最大，盡可能地減小液壓缸的動程，液壓缸的安裝位置盡量垂直于搖臂。根據(jù)大塊煤破碎裝置的安裝位置可分為擋板內(nèi)、擋板外兩種[2]。具體安裝方式及優(yōu)勢如下頁表1所示。

1.4 滾筒過煤空間的計(jì)算

設(shè)計(jì)大塊煤破碎裝置時(shí)必須考慮對刮板輸送機(jī)運(yùn)輸原煤的影響。108工作面刮板輸送機(jī)的最大設(shè)計(jì)運(yùn)輸量為Q=4500 t/h，運(yùn)行速度為1.68 m/s，中部槽斷面面積為0.98 m2，計(jì)算原煤輸送量的公式為：

式中：Q為原煤輸送量，t/h；S為刮板輸送機(jī)中部槽斷面面積，取0.98 m2；μ為刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度，取1.68 m/s；a為刮板輸送機(jī)中部槽裝滿系數(shù)，取0.9；b為載貨散集比例，取0.9。

通過式（1）計(jì)算得 Q=4801 t/h＞4500 t/h，因此破碎錘處于最低處時(shí)不會對原煤的運(yùn)輸產(chǎn)生影響。

表1 大塊煤破碎裝置的配套方式

2 大塊煤破碎裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

大塊煤破碎裝置的設(shè)計(jì)需考慮安裝的位置、刮板輸送機(jī)過渡槽的構(gòu)造、工作面高度、巷道寬度等因素。綜合以上因素將大塊煤破碎裝置主體設(shè)計(jì)為電機(jī)、減速器、截齒一體式結(jié)構(gòu)，分成搖臂、滾筒、電動機(jī)、減速器、法蘭盤5個(gè)部分[3]。在搖臂的臂架上安裝電動機(jī)，減速器為行星減速器，動力依次通過電動機(jī)、花鍵、太陽輪和行星架傳遞到破碎滾筒，破碎滾筒依靠滾筒上的截齒進(jìn)行破碎煤塊。

2.2 截齒布置方式

采煤機(jī)滾筒上截齒的布置方式會對采煤機(jī)的截割速率、塊煤率和穩(wěn)定性有直接的影響。采煤機(jī)滾筒上截齒常見的布置方式有4種：順序式、棋盤式、畸變Ⅰ式和畸變Ⅱ式。其中棋盤式布置的滾筒在進(jìn)行割煤時(shí)承受的荷載大小與波動均比順序式布置方式小，單塊煤率較高；畸變Ⅰ式與畸變Ⅱ式布置方式在荷載的平均值和塊煤率方面無太大差異，但畸變Ⅰ式布置方式進(jìn)行割煤時(shí)滾筒承受的荷載波動小，轉(zhuǎn)矩卻較大。破碎滾筒與采煤機(jī)滾筒在截割煤工作時(shí)間方面存在一些差異，破碎滾筒不必持續(xù)割煤。將破碎滾筒設(shè)計(jì)為間歇式碎煤，只有大塊煤被輸送到過渡槽處時(shí)，破碎滾筒開始工作將大塊煤破碎，實(shí)際作業(yè)時(shí)間遠(yuǎn)小于采煤機(jī)，將破碎滾筒的截齒設(shè)置為棋盤式即可滿足實(shí)際需要[4]。

采煤機(jī)滾筒上截線距的設(shè)計(jì)是否合理，對碎煤的塊度、截齒和滾筒的荷載以及截割比能耗產(chǎn)生直接影響。一般截線距與截齒切削厚度比值為2時(shí)截割比能耗最小。截割比能耗計(jì)算公式為：

式中：H為截割比能耗，kW·h/m3；R為煤的截割阻抗，kN/m；c為截割厚度，m；λ為煤的脆性指數(shù)；ω為截割厚度，m。

通過式（2）可知，截割厚度與截割比能耗呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

破碎滾筒單齒最大截割厚度計(jì)算公式為：

式中：h為單齒最大切削厚度，mm；μq為相對運(yùn)動速度，取100.8 m/min；m為轉(zhuǎn)速，取174 r/min;n為單位截線上截齒數(shù)量，取3個(gè)。

通過式（3）計(jì)算得，破碎滾筒單齒最大截割厚度h=193 mm，因此選擇截齒截線距390 mm。

3 過載保護(hù)

本破碎裝置屬于大功率、大扭矩設(shè)備，為保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長設(shè)備的使用年限，需為設(shè)備進(jìn)行可靠性分析并提供保護(hù)。

大塊煤破碎裝置的太陽輪中間段設(shè)有剪切槽，一旦在破碎煤塊時(shí)截齒承受的轉(zhuǎn)矩超過最大預(yù)定轉(zhuǎn)矩，剪切槽便無法承受轉(zhuǎn)矩發(fā)生斷裂，電動機(jī)的動力就無法傳到破碎滾筒，電動機(jī)空轉(zhuǎn)就不會因荷載過大燒壞電動機(jī)，且滾筒和齒輪也能得到保護(hù)。將太陽輪設(shè)計(jì)為兩端開螺紋扣的空心軸，此設(shè)計(jì)既能使設(shè)備輕量化也方便更換。

太陽輪中心軸的扭矩計(jì)算公式為：

式中：Φ為剪切槽截面直徑，mm；T為加載轉(zhuǎn)矩，取2576N·m；ρ為材料最大荷載扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取55 MPa；θ為中心軸內(nèi)徑，取20 mm。

通過式（4）計(jì)算得Φ≥62.92 mm，因此剪切槽截面直徑取65 mm。

在大塊煤破碎裝置碎煤過程中，液壓缸會因?yàn)槊簤K在搖臂上的作用而受到一個(gè)拉力的作用。當(dāng)煤塊的硬度比較高或者出現(xiàn)夾矸時(shí)，刮板會對煤塊施加一個(gè)較大的作用力，此作用力傳遞到液壓缸上，會由于大塊煤無法被破碎而持續(xù)增加，有可能導(dǎo)致液壓缸爆缸。因此在液壓缸的進(jìn)液口上安裝泄壓閥，一旦壓力過高就會打開閥門進(jìn)行泄壓防止爆缸造成生產(chǎn)事故。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

該煤礦108工作面進(jìn)行綜采工作面大塊煤破碎技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)。在應(yīng)用該技術(shù)之前，煤塊的塊度最大能達(dá)到2.5 m，在運(yùn)輸過程中經(jīng)常發(fā)生堵塞嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率。引進(jìn)綜采工作面大塊煤破碎技術(shù)后，調(diào)整好搖臂的高度，并保持破碎裝置常開，無需人工操作就能自動破碎煤塊且破碎效果良好。經(jīng)過3個(gè)月的井下生產(chǎn)試驗(yàn)，108工作面刮板輸送機(jī)卸煤機(jī)頭處的卸煤狀況良好，沒有出現(xiàn)堵煤事故，完全符合生產(chǎn)要求[5]。

[1]王國法，李希勇，張傳昌.8 m大采高綜采工作面成套裝備研發(fā)及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45（11）：1-8.

[2]梁東.大塊煤破碎系統(tǒng)在煤礦大采高工作面中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2016（18）：105-107.

[3]楊俊哲.8 m大采高綜采工作面關(guān)鍵回采技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，44（1）：61-66.

[4]王海軍.神東礦區(qū)8 m以上超大采高綜采工作面技術(shù)探討[J].煤炭技術(shù)，2014，33（10）：169-171.

[5]陳泓旭.淺談大采高綜采工作面雙向割煤工藝的應(yīng)用[J].科技視界，2012（24）：310-311.