楊正凱，張金虎，張 寧

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；4.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；5.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；6.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司 安居煤礦，山東 濟(jì)寧 272100)

煤炭作為我國主體能源為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐，其中，厚及特厚煤層的儲量和產(chǎn)量分別約占全國的43%和45%，因此，實(shí)現(xiàn)厚及特厚煤層的安全、高效、高采出率開采對我國煤炭工業(yè)的發(fā)展和國家能源安全具有重要意義[1-3]。綜放開采作為我國煤炭開采在世界上的標(biāo)志性技術(shù)和成果為厚及特厚煤層開采提供了可靠的解決方案[4，5]，大采高綜放集合了大采高一次采全厚和綜放開采的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高了綜放開采的生產(chǎn)能力、開采效率和對14m以上特厚煤層的適應(yīng)性，但對“三機(jī)”裝備的能力、配套性能及可靠性提出了更高的要求，特別是對于硬度較小的特厚煤層，協(xié)調(diào)煤壁頂煤穩(wěn)定和提高頂煤采出率的矛盾，研究并確定液壓支架、采煤機(jī)、前后部刮板輸送機(jī)的技術(shù)特征參數(shù)和智能化控制系統(tǒng)對于發(fā)揮大采高綜放開采效能具有重要意義[6，7]。

1 工程概況

永隴礦區(qū)園子溝礦井首采101盤區(qū)2#煤頂板一般為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖(偶見中粗砂巖)，厚度一般2.0～5.0m。開采厚度為3.1～15.8m，平均約11.1m，煤層賦存穩(wěn)定，夾矸0～3層，單層夾矸厚度0.1～0.7m，平均夾矸厚度0.4m，夾矸巖性以炭質(zhì)泥巖為主，結(jié)構(gòu)簡單。煤層抗壓強(qiáng)度12.6～18.4MPa，平均約15.3MPa，煤層硬度較小，屬于特厚軟煤。

園子溝礦井首采盤區(qū)工作面設(shè)計(jì)長度為200m，采高約為3.5～3.8m，放煤約7.5～12.0m，采用多輪間隔放煤的方式，采放比約1∶2～1∶3，屬于大采放比綜放開采。根據(jù)國產(chǎn)采煤機(jī)配套滾筒尺寸，考慮煤體強(qiáng)度較低和厚度較大，為改善端部頂煤控頂效果、提高頂煤回收率，確定截深為800mm。

2 大采高綜放支護(hù)裝備關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)園子溝礦井2#煤賦存條件，該煤層具有3個(gè)典型特征，即特厚、較軟且底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖。因此，針對上述特點(diǎn)對液壓支架進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1)大采高綜放液壓支架參數(shù)優(yōu)化?；谝簤褐Ъ芘c圍巖耦合力學(xué)模型[10]，以特厚軟煤大采高綜放液壓支架架型、支架中心距、頂梁結(jié)構(gòu)等主要技術(shù)參數(shù)為優(yōu)化變量，以支架合力作用點(diǎn)、支架尖端比壓等為目標(biāo)函數(shù)，分析確定綜放支架主要技術(shù)特征參數(shù)。對于2#煤層來說，約10m以上的特厚頂煤放出后，冒放空間大，頂板及上覆巖層運(yùn)動(dòng)范圍較大，隨著頂煤的放出支架的合力作用點(diǎn)不斷發(fā)生變化，根據(jù)已有特厚煤層綜放開采經(jīng)驗(yàn)[5]，10m以上特厚煤層綜放工作面周期來壓期間會(huì)交替出現(xiàn)前、后立柱增阻的現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)整體頂梁帶鉸接前梁結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對合力變化范圍及頻率的適應(yīng)性。基于液壓支架動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化綜放支架四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)梁端距變化小，有利于防止架前冒頂和煤壁片幫，提高支架的支撐能力和穩(wěn)定性。

2)強(qiáng)力抗沖擊立柱設(shè)計(jì)。配置大缸徑(360mm)雙伸縮立柱提高頂板控制效果，支架工作阻力達(dá)16000kN；提高支架初撐力，使得支架主動(dòng)支撐頂板的能力加強(qiáng)，可有效地保證頂板的完整性；保證加工工藝，減小軸孔間隙和徑向間隙，選用高強(qiáng)度板材，提升支架質(zhì)量，綜合保障工作面支護(hù)效果。

3)護(hù)幫機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。特厚軟煤大采高綜放工作面煤壁穩(wěn)定性的控制關(guān)乎綜放開采的成敗，以往大量研究及現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，煤壁最大水平位移點(diǎn)距頂煤的距離約為0.35倍的采高，此區(qū)域應(yīng)為支架護(hù)幫板的重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域[8，9]，根據(jù)采高不低于3500mm確定護(hù)幫高度不小于1300mm。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大缸徑千斤頂護(hù)幫機(jī)構(gòu)，護(hù)幫高度大于1400mm，護(hù)幫力大于380kN，且護(hù)幫板可挑平，當(dāng)冒頂時(shí)可挑平護(hù)頂，全方位提高工作面空頂處及煤壁穩(wěn)定性。

四柱綜放支架的典型問題是容易出現(xiàn)前后立柱受力不均，支架無法充分發(fā)揮工作能力。根據(jù)煤體較軟宜降低支架反復(fù)支撐對頂煤的破壞，用鉸接式頂梁設(shè)計(jì)，同時(shí)為保證采煤機(jī)截割后及時(shí)護(hù)頂，頂梁前端設(shè)計(jì)伸縮梁結(jié)構(gòu)；配置2個(gè)100mm缸徑伸縮梁千斤頂，伸縮梁與水平呈3°水平夾角上翹，使伸縮梁在伸出過程中，充分與頂板接觸，接頂性好[10]。

3 大采高綜放工作面設(shè)備配套

3.1 大運(yùn)量運(yùn)輸系統(tǒng)

1)運(yùn)量及功率。綜放工作面刮板輸送機(jī)的主要功能是運(yùn)載采煤機(jī)割落的煤炭和回收上部頂煤，因工作面煤層厚度大且硬度低，前部易發(fā)片幫冒頂，后部易煤量過大。根據(jù)煤流在刮板輸送機(jī)內(nèi)的運(yùn)行特征，刮板運(yùn)輸機(jī)其運(yùn)煤斷面A主要由四部分構(gòu)成，即A=A1+A2+2A3，A1=bh1，A2=bh2，2A3=bh3，式中，b為槽寬，mm；h1為中部槽上槽口高度，mm；h2為運(yùn)輸狀態(tài)下煤炭可堆積的最大高度，h2=b/2tanα，α為煤的運(yùn)動(dòng)安息角，取30°，h2≈0.29b。根據(jù)散落煤塊堆積情況2A3≈A2/3，代入得2A3≈0.1b2，則A=bh1+0.39b2。根據(jù)工作面年產(chǎn)8Mt要求及頂煤放出量，要求前后部刮板輸送機(jī)運(yùn)量分別不小于2000t/h和2500t/h，根據(jù)鏈速1.3～1.5m/s能力，根據(jù)不同運(yùn)煤斷面可得，前后部槽寬分別為1000mm和1200mm，考慮運(yùn)量和工作面長度，驅(qū)動(dòng)功率為2×1000kW。

2)驅(qū)動(dòng)型式。如何保證工作面停機(jī)后的順利啟動(dòng)是實(shí)現(xiàn)工作面快速推進(jìn)，保障工作面生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。大槽寬、高功率刮板輸送機(jī)可提高工作面運(yùn)輸能力，軟啟動(dòng)方式可有效解決重載啟動(dòng)的問題。目前已成功用于工作面輸送機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)有：閥控充液式液力偶合器(TTT)、CST減速器(CST)、高壓變頻調(diào)速等方式。變頻調(diào)速方式通過調(diào)節(jié)輸出頻率，可根據(jù)運(yùn)行要求改變電源頻率實(shí)現(xiàn)0～100%調(diào)速。具有穩(wěn)定性高、故障率低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為工作面重型刮板輸送機(jī)的優(yōu)選方式，通過不同驅(qū)動(dòng)方式對比分析，確定刮板輸送機(jī)采用高壓(3300V)交流變頻軟啟動(dòng)的方式。

3.2 支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)

四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架易出現(xiàn)頂梁前后立柱受力不均的問題，從而造成頂板控制效果不佳[11，12]。針對液壓支架在“頂梁低頭、底座低頭”、“頂梁低頭、底座抬頭”、“頂梁抬頭、底座低頭”、“頂梁抬頭、底座抬頭”四種不良姿態(tài)情況下對應(yīng)特征參數(shù)，通過姿態(tài)傳感器、壓力傳感器、多功能顯示終端和多功能一體化軟件等對液壓支架姿態(tài)、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)支架歪斜、初撐力不足、支架超限等預(yù)警，給出液壓支架提高支護(hù)質(zhì)量的合理化操作建議，延長液壓支架的使用壽命、預(yù)防液壓支架損壞等事故發(fā)生。

3.3 智能化防塵系統(tǒng)

工作面智能降塵系統(tǒng)由主控制器、分控制器、紅外發(fā)射裝置、礦用無線壓力檢測發(fā)射裝置、礦用隔爆型電磁閥、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源、工人自動(dòng)識別裝置、噴頭和電纜等組成，并配有專用的智能噴霧降塵控制軟件。在采煤機(jī)及作業(yè)人員配置RFID標(biāo)簽，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)跟機(jī)、降架、移架和放煤噴霧等功能，且具備人員識別防淋濕功能。自動(dòng)化噴霧降塵系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化噴霧降塵系統(tǒng)

4 井下應(yīng)用及效果

2019年8月園子溝煤礦1012001綜放工作面開始投產(chǎn)應(yīng)用，工作面配套設(shè)備如下：

1)采煤機(jī)MG650/1620-WD型，截割功率：2×650kW，采高3.0～4.0m，截深800mm，電壓3300V，能力1500t/h。

2)SGZ1000/2×1000型前部刮板輸送機(jī)和SGZ1200/2×1000型后部刮板輸送機(jī)，運(yùn)輸能力分別為2000t/h和3000t/h。

3)ZF16000/23/42型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架中心距1750mm，支護(hù)強(qiáng)度1.5MPa。生產(chǎn)期間對工作面“三機(jī)”運(yùn)行工況進(jìn)行了監(jiān)測，支架工作阻力分布于9000～13000kN，受力狀態(tài)良好，刮板機(jī)未發(fā)生斷鏈?zhǔn)鹿?，采煤機(jī)平均割煤速度約4～5m/min，開機(jī)率約55%～60%，煤壁偶有片幫，日割煤8～12刀，一采一放，頂煤回收率約83%，工作面煤炭綜合回收率約87.9%，工作面具備單面年產(chǎn)800萬t的能力。

5 結(jié) 論

1)大采高綜放是特厚煤層實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效和高回收率的有效方法，合理的三機(jī)設(shè)備選型及配套為大采高綜放開采效能的發(fā)揮提供了有力保障。

2)基于液壓支架動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)四柱支撐掩護(hù)式液壓支架，采用整體頂梁帶鉸接前梁和二級護(hù)幫機(jī)構(gòu)，有效解決了特厚軟煤大采高綜放煤壁穩(wěn)定性控制的問題；大運(yùn)量變頻調(diào)速運(yùn)輸系統(tǒng)提高了刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸性能及瞬時(shí)大運(yùn)量的適應(yīng)性。

3)支架支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了支架姿態(tài)與受力狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了支護(hù)的效果；智能噴霧降塵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與采、運(yùn)、支、放等工藝的協(xié)同控制，改善了工作面的作業(yè)環(huán)境。