劉 程，楊文明，楊元凱，張立超

鄭州煤礦機械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450010

所 謂“三軟”煤層是指頂板軟、煤層軟、底板軟 的煤層，為典型的難開采煤層。該類型煤層主要分布在徐州礦區(qū)、豫西煤田及云貴礦區(qū)，煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層及頂?shù)装鍢O軟，走向起伏較大，開采中存在諸多難題[1-2]，如頂板冒落、煤壁易片幫、液壓支架底座易扎底等問題[3-4]。其中，漂溜 (即刮板輸送機中部槽上飄) 問題，是常見的影響生產(chǎn)的難題。刮板輸送機在推移過程中，由于底板及煤層賦存等原因，致使中部槽下面墊有浮煤，且在推進(jìn)過程中越積越厚，導(dǎo)致生產(chǎn)停滯[5]。筆者以西南某礦 110701 工作面為例，分析生產(chǎn)過程中漂溜產(chǎn)生的原因，提出可行的工藝應(yīng)對措施。繼而在該礦的第 2 套設(shè)備配套設(shè)計過程中，通過采取針對性措施，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升了綜采設(shè)備與地質(zhì)條件的適應(yīng)性，從而極大緩解了生產(chǎn)過程中的漂溜問題。

1 工作面概況

該礦 7 號煤層 110701 工作面煤層厚度為 1.05～ 2.24 m，平均厚度為 1.68 m，結(jié)構(gòu)比較簡單，一般含 2 層高嶺石泥巖夾矸；頂板以灰色泥巖、粉砂巖為主，夾薄煤或炭質(zhì)泥巖；底板主要為灰色、淺灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖夾泥巖及炭質(zhì)泥巖；煤層傾角為 7°～ 15°，一般約為 10°，堅固系數(shù)為 0.18～ 0.30。工作面夾矸較少，瓦斯含量低，整體可采。

7 號煤層 110701 工作面第 1 套在用的主要配套設(shè)備如表 1 所列。

表1 110701 工作面主要配套設(shè)備Tab.1 Main matching equipments on work face 110701

2 漂溜問題的分析及應(yīng)對措施

2.1 工作面推進(jìn)現(xiàn)狀

該工作面設(shè)備在使用過程中，煤層推進(jìn)方向起伏角度大于 7°。在生產(chǎn)過程中，為盡量提高采出率，工作面需要沿著煤層起伏推進(jìn)。因此在下坡開采過程中，存在嚴(yán)重的漂溜問題。110701 工作面的開采實況如圖 1 所示。隨著開采的推進(jìn)，漂溜情況日益嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面推進(jìn)速度低，每天割煤不足 1 刀。

圖1 110701 工作面開采實況Fig.1 Actual mining status of work face 110701

2.2 原因分析

正常生產(chǎn)情況下，刮板輸送機水平狀態(tài)推進(jìn)，中部槽受力如圖 2 所示[6]，圖 2 中A為鏟煤板尖點，B為刮板輸送機后部與底板接觸點，F(xiàn)A、FB分別為A、B點處底板對刮板輸送機的支撐反力，G為中部槽重力，F(xiàn)1為液壓支架推移刮板輸送機的力，F(xiàn)2為推移刮板輸送機時的水平負(fù)載，H1為刮板輸送機推移點與底板的高度，H2為水平負(fù)載作用點與底板的相對高度，H3為鏟煤板臥底量，L2為B點距離刮板輸送機中心線的水平距離，α為斜長孔上推移點與A點的連線與水平的夾角。對B點取轉(zhuǎn)矩，中部槽受力平衡，

圖2 中部槽受力示意Fig.2 Force sketch of middle trough

對特定的刮板輸送機，F(xiàn)1、F2、G為定值，刮板輸送機的寬度及鉸接槽尺寸決定著FA的方向及大小。若FA＜0，就會產(chǎn)生漂溜情況。

由于該煤層賦存不均勻，“三機”設(shè)備在使用過程中，刮板輸送機回采走向隨著煤層走勢變化，工作面經(jīng)常出現(xiàn)急傾俯采狀態(tài)，液壓支架與刮板輸送機的空間關(guān)系如圖 3 所示。液壓支架推桿施加于中部槽的推力F1致使其下扎，刮板輸送機前端上翹，導(dǎo)致負(fù)載F2由水平變?yōu)樾毕蛏?，力臂H2也會加大。刮板輸送機前端上翹也造成浮煤竄入中部槽下方。若浮煤清理不及時，會造成浮煤越積越厚，進(jìn)一步加劇了中部槽上漂。

圖3 工作面俯采狀態(tài)時液壓支架與刮板輸送機的空間關(guān)系Fig.3 Spatial relationship between hydraulic support and scraper conveyor while work face being depression mined

液壓支架底座狀態(tài)如圖 4 所示，在俯采狀態(tài)下，液壓支架推桿與底座前過橋之間沒有間隙，即推桿沒有調(diào)節(jié)的空間，因此中部槽會維持上述受力狀態(tài)，前端一直上翹。同時，因“三軟”煤層的特性，煤層底板偏軟，加上跑冒滴漏等現(xiàn)實原因，煤質(zhì)存在遇水泥化現(xiàn)象，隨著液壓支架向前推移，液壓支架底座一直下陷，導(dǎo)致推桿與底座前過橋一直緊貼，推桿沒有調(diào)節(jié)空間，漂溜問題會愈發(fā)嚴(yán)重。

圖4 液壓支架底座狀態(tài)Fig.4 Status of pedestal of hydraulic support

2.3 臨時性工藝措施

為保證工作面持續(xù)推進(jìn)，采取了多項臨時工藝措施，綜合解決飄溜問題。

(1) 采用人工輔助，清理刮板輸送機前端堆煤及下方積煤。遇到嚴(yán)重情況的，將刮板輸送機前端挖空 0.8 m 以上，強制將中部槽調(diào)平，這在一定程度上可以緩解漂溜現(xiàn)象。

(2) 液壓支架執(zhí)行降-移-升循環(huán)時，在完成抬底動作之后，人工輔助在底座前端墊入方木，將支架底座墊起，這樣，底座前過橋與推桿之間就出現(xiàn)調(diào)整空間，有利于將中部槽推平，如圖 5 所示。

圖5 底座前端墊方木Fig.5 Padding of wood block in front of pedestal

(3) 在刮板輸送機前移過程中，執(zhí)行推移刮板輸送機動作時，在刮板輸送機與頂板之間撐上單體柱，也可有效避免中部槽前端上翹，如圖 6 所示。單體柱的方向應(yīng)向前傾斜，在液壓支架移架過程中，單體柱對中部槽前端產(chǎn)生一個大的壓力，防漂溜效果更好[7]。

圖6 刮板輸送機前端打單體支柱Fig.6 Piling of single prop in front of scraper conveyor

3 “三機”設(shè)備層面改進(jìn)解決方案

由于礦方需要重新訂購 1 套“三機”設(shè)備，型號與第 1 套相同。為從根本上避免漂溜問題，設(shè)計時從設(shè)備配套層面采取改進(jìn)措施。

3.1 將推桿由整體式改為分體式

推桿可分為整體推桿和分體推桿，如圖 7 所示。整體推桿為一體化結(jié)構(gòu)，而分體推桿由前推桿及后推桿 2 部分組成，中間采用鉸接軸連接。整體推桿使用簡單，適合地質(zhì)條件平緩的工作面，即刮板輸送機中部槽長期水平推進(jìn)，整體開采效率較高。針對該工作面情況，將整體推桿改為分體推桿，前、后推桿采用鉸接結(jié)構(gòu)，上下擺動的范圍更大，推桿更加適應(yīng)底板的起伏[8]。

圖7 推桿結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structural sketch of pushing rod

3.2 優(yōu)化液壓支架底座前過橋尺寸

推桿上沿與底座前過橋的下沿之間的間隙，是推桿可以自由調(diào)整的空間，如圖 8 所示。在“三軟”地質(zhì)條件下，液壓支架底座前端底板存在下陷時，該間隙會變小，極端條件下該間隙甚至為 0。常用的設(shè)計思路是增大該間隙[9]。底座的前過橋由主肋板與貼板拼焊而成，在保證底座結(jié)構(gòu)強度的前提下，將總的板厚由 70 mm 增加到 80 mm，從而將推桿與前過橋下端間隙由常規(guī)的 170 mm 增加到 195 mm，這就增大了推桿可調(diào)節(jié)的自由空間。

圖8 底座前過橋與推桿的間隙Fig.8 Gap between front bridge of pedestal and pushing rod

3.3 降低底座平均比壓

由于工作面底板軟，且遇水泥化，因此降低底座比壓就可緩解底座下陷。支架底座可分為底分式與整體式 2 種結(jié)構(gòu)[10]，如圖 9 所示。底分式底座推移裝置處浮煤較少，不需要人工清理，但底座與底板的接觸面積小，底座前端比壓大，容易造成底座下陷。因此將原底分式底座改為整體式底座，以增大底板面積，降低底座比壓。同時，適當(dāng)增大底板寬度，可有效降低底座比壓[11]，故將支架的總寬由 1 300 mm 增加到 1 350 mm。通過以上 2 種措施，將底座比壓由 1.33～ 1.71 MPa 降低到 1.21～ 1.60 MPa，降低了底座下陷的程度。

圖9 底座結(jié)構(gòu)形式Fig.9 Structural type of pedestal

3.4 優(yōu)化刮板輸送機結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

國內(nèi)存在不少因刮板輸送機鏟板角及推移孔設(shè)計不合理而造成嚴(yán)重漂溜的先例。本次配套時針對中部槽做了 2 方面的優(yōu)化，如圖 10 所示。將前部鏟板角由 9°改為 16°，這樣可減少刮板輸送機臥底阻力，也可提升裝煤效果；同時將刮板輸送機后部與液壓支架推桿鉸接處的推移長圓孔由 51°改為 59°，在推移刮板輸送機時，刮板輸送機前端所受下切力分力更大，有效抑制了溜槽前部上翹。

圖10 刮板輸送機的鏟板角與推移點斜角Fig.10 Scraping angle and obliquity of pushing point of scraper conveyor

3.5 優(yōu)化后的使用效果

經(jīng)過對液壓支架與刮板運輸機結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，該工作面的第 2 套一體化“三機”設(shè)備自 2021 年 5 月下井使用，整體使用效果良好，漂溜問題基本上得到了解決，實現(xiàn)了常態(tài)化每天割 5 刀的開采效率。

4 結(jié)語

通過對 110701 工作面綜采“三機”設(shè)備的受力分析，找出了刮板輸送機產(chǎn)生漂溜的原因。采用人工輔助打單體支柱、墊方木等臨時生產(chǎn)工藝措施，解決了困擾礦方的生產(chǎn)難題，保證了工作面的持續(xù)推進(jìn)。針對礦方的第 2 套設(shè)備，在“三機”配套階段，通過對液壓支架底座、推桿結(jié)構(gòu)及刮板輸送機結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的調(diào)整，提高了設(shè)備對“三軟”煤層的開采適應(yīng)性，從根本上解決了漂溜問題，提高了生產(chǎn)效率。

“三軟”煤層導(dǎo)致的漂溜難題，在現(xiàn)實生產(chǎn)中具有普遍性。該臨時工藝措施及從配套層面對設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)具有很強的現(xiàn)實意義，可供后續(xù)設(shè)備設(shè)計者借鑒。