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特厚煤层大采高综放装备发展趋势
发布时间：2013-08-10 19:23 来源：未知
近年来，我国综合机械化放项煤开采技术越来越成熟，并发展到特厚煤层大采高开采中。使其开采具有高产高效、巷道布置简单、掘进率低、工作面搬家次数少、对复杂地质条件适应性强的优点彰显出来。因此，我国综放工作面三机设备也在跨越式发展，其技术和能力也跨入世界采矿界前列。
一、综放装备研发新成果
综放工作面三机设备的技术性能不断提高，同煤集团与煤炭科学研究院及厂校合作，为同煤集团塔山矿特厚煤层综放开采，研发了国内外首个特厚煤层(<20m)大采高(3.5～5m)综放工作面三机设备，其技术性能、参数为目前领先水平。
1.1三机设备主要技术参数
该套设备于2007年10月19日通过可行性论证，2008年11月16～17日进行了实施方案审查，2010年4月8日完成了工作面三机设备地面配套及运转（见图片3），自9月5日割煤试产后，至9月23日工作面平均推进76m，日平均推进4.2 m，工作面采高平均3.89m（进入正常开采期平均采高在4.5m以上）。工作面产量累计生产28.1万吨，日平均1.56万吨。主要技术参数见表l。
1.2工作面技术参数
该套设备使用于同煤集团塔山矿一盘区3 --5号煤层8105I作面，工作面技术参数是走向长2965. 9m，倾斜长207.0m，煤厚12. 18—18. 17 (14. 81)m，容重1.45t/m3，可采储量10895161. 9t，皮带巷：5500×3600mm（净宽×净高）回风巷：5500×3600mm（净宽×净高）；地质情况是：3～5号煤层属复杂结构煤层，含4—14层夹矸，夹矸岩性主要为褐灰色高岭岩、黑灰色炭质泥岩和砂质泥岩。夹矸单层厚度0. 05~0. 83 m，夹矸总厚度0.56～3. 89 m，平均1.75 m；老顶平均厚22. 93Ⅲ，深灰色粉砂岩，直接顶平均厚4.49 m．黄白、灰白、灰绿色岩浆岩，直接底平均厚4.87 m，灰褐色、浅灰色高岭质泥岩；工作面倾角≤100，工作面走向倾角≤±60。
81 05工作面综放设备
8105为右布置综放工作面，生产能力1000万吨／年。生产考核指标工作面连续三个月内，平均月产达到90万t以上、特厚煤层一次采全高工作面回采率达到85%以上、工作面单机可利用率达到90%以上。其它设备详见表2。
81 05工作面综放设备配套特点
转载机设在煤壁侧，刮扳输送机中部槽长为1750mm， 配套锻造销轨节距为147mm，工作面前后运输机的中部槽中心距为6400—8000mm。工作面前后运输机的机头、机尾槽中心距为7300—8100mm。即两端宽中间窄，符合矿压规律，有利于顶板控制。
工作面共布置122架支架，在皮带巷内布置端头支架一组，过渡架在刮板输送机机头侧布置3架、刮板输送机机尾侧布置4架，工作面中部布置114架支间架。即减小两端控距离，保持工作面设备整齐，便于管理、有利通风，也符合采放工艺。
在保证工作面两头割通的情况下，采煤机在刮板机机头侧的卧底量为400mm、采煤机在刮板机机尾侧为367mm，在工作面中部的卧底量为540mm。
前部刮板输送机中部、机头、机尾的联接装置为单耳，厚120mm，支架为双耳。后部刮板输送机中部、机头、机尾拉移采用30×108mm链条连接。既满足联接性能需求，又能保障可靠性强的要求。
采煤机用水量320L/min。前后部刮板输送机冷却水及偶合器的总用水量最大为1120L/min。总计>1440L/min。
二、综放装备研发成果
2.1采煤机
国内大功率采煤机技术参数处于国际同期领先水平。但整机性能和可靠性与国际先进采煤机产品有较大差距，为此，在塔山8105综放工作面配置采煤机时，重点对提高电牵引采煤机整机可靠性的技术研究和关键元部件的研制。其研发新进展是：
2.1-1整机可靠性评价方法的研究
建立采煤机初始故障模式库和故障模式影响及危害性分析体系，通过机载和人工收集方式采集数据，形成采煤机故障树的分析模式，输出预警信息或执行保护。
2.1.2提高机械传动性能和疲劳强度的技术研究
重点进行载荷繁重部件如摇臂传动系统、行走机构齿轮啮合的数值仿真分析和放样试验检测，找出问题，采取措施，提高机械传动性能；与此同时对每个传动零部件进行了新型耐磨层材料的应用，减缓磨损失效。
2.1.3采煤机电气控制系统结构优化和工况检测系统研究
优化电气连接方式与安装结构，提高抗振和抗干扰性能；优化参数和控制�？榛�、增加TCP/IP软件�？�，提高现场以及远程在线配置及维护能力。简化系统主体结构，�？楣δ芟喽远懒�，减少接线迂回；注重传感器选型、优化传感器安装结构，提高其可靠性。
2.1.4关键零部件的研制
通过先进的摇臂热分析方法，找出摇臂内部的温度场分布，进行结构和散热系统的优化，降低热损耗引发大功率摇臂影响可靠性的因素。
对浮动密封运行和安装可靠性不稳定问题，在密封、轴系窜动与偏转、橡胶圈材质与弹性模量、密封环材质及工艺等方面，采取相应的措施，收到较好效果。
对失效的截齿材料进行SEM表面观察和力学性能表征，分析出了截齿材料失效和破坏形式，通过选用新型中碳合金钢材料，采用表面渗碳处理工艺，在保持材料心部韧性的同时，提高其表面硬度和耐磨性。
2.2综放工作面后部刮板输送机
特厚煤层综放工作面输煤系统中，后部刮板输送机是至关重要的设备，塔山8105综放工作面配置后部刮板输送机时，对后部刮板输送机重载高强度链传动系统、可控调速软启动装置、传动装置综合监控传输系统、1000kW重载行星减速器、高可靠性长寿命输煤槽、电液自动控制伸缩机尾等方面的研发新进展是：
通过重点对48×152mm紧凑型高强度圆环链的结构、链材料、立环锻造、编链焊接工艺和链轮的结构、啮合齿形、链轮齿表面火焰热处理工艺研究和实施，使链传动啮合传动副啮合特性及链张力适应性大幅度提高；
应用了新开发程序控制器、传感元件（如适合偶合器动态特性要求的速度、温度、压力传感器>达到了阀控偶合器的高效控制，并通过仿真技术、有限元和偶合器流场验证，可控调速软起动装置的功能和性能有了很大提高，实现了大型可控调速软启动及装置的国产化：
增设了传动装置综合监控及传输系统，对后部刮板输送机的运行工况进行监测和状态分析，如监测油温、油位、油质污染等，并能基于RS485通讯协议，达到输送机监测数据的传输、集中处理、显示及远程监控。
在高强度齿轮材料工艺、行星架结构可靠性、密封方式、润滑及冷却等关键处应用先进设计理念和制造工艺技术及措施，如采用弹性流体动力润滑理论进行齿轮润滑参数设计、传动系统热分析，建立齿轮传动系统热稳态设计方法，改进减速器冷却方式和布置。制作了高可靠性的1000kW重载行星减速器。
通过输送机弯曲段工况研究分析，进行了输煤槽结构优化设计，选用铸造槽帮和高强度耐磨中板材料，厚度达到50mm，采取了中部槽新研制焊接工艺及措施，开发高可靠性、长寿命输煤槽，过煤量达到20Mt。
对驱动及链传动系统、链条动张力进行了研究，开发了电液控制自动伸缩的机尾，实施了张紧力检测和自动调整。
最终形成了中部槽内宽1200mm，中部槽铸造槽帮、整体铸焊，链条48×152高强紧凑链，装机功率2×1000kW，输送长度250m的输送能力3000 t/h，过煤量≥20 Mt万吨，大修周期≥12 Mt万吨，综放后刮板输送机。
2.3 ZF15000/28/52四柱支撑掩护式低位放顶煤支架
综放工作面三机设备中的放顶煤液压支架的设计针对性强，在塔山8105综放工作面配置综放支架时，重点对适合15～20m厚煤层综放开采的大采高综放液压支架整体架型、防片帮及支护系统稳定性措施、高效高回收率放煤结构、关键元部件及支架减重措施、关键制造工艺等进行了开发。其研发新进展是；
2.3.1综放支架设计理念
首先针对塔山同盘区已经开采完了的8102工作面全部矿压观测数据和图表进行了全面、系统的分析；梳理了国内外最新近放顶煤开采方式的矿压理论学说：结合塔山矿开采条件和实际情况提出了新的理论指导理念、方法和措施。其次将这种理念、方法、措施以数据的形式，进行数值模拟验算、修正和完善，最终提出了技术要求、技术参数，操作程序和开采工艺与措施。如在控顶距离内有效支撑位置及支架的合力作用位置，合适的工作阻力值及其它相关参数，以及顶煤冒落后形成的状态，其要求液压支架尾梁结构形式和参数等。通过技术要求、技术参数指导了研制超强力高效放顶煤支架，利用已经掌握的岩层移动规律合理处理支架一围岩关系，达到特厚煤层综放工作面的采场的安全、生产的高效。
2.3.2高强力液压支架的研发
进行了支架的整体结构三维动态分析、参数优化和整架受力分析；对关键专有元部件进行了重点攻关，包括针对顶煤放出量要求大的特点，设计了新型放煤机构，采用了V型槽结构，使放煤运动机构灵活，提高了放煤效率；研制出工作阻力最大(15000kN)，高度最高(5200mm)的适应特厚煤层超强力高效放顶煤液压支架。
2.3.3主要技术措施
特厚煤层ZF15000/28/52型高效综放液压支架在提高支架抗冲击性能的主要技术措施是，采用快速反应安全阀和1000L/min的大流量安全阀并联双回路；加大+360mm立柱强度设计，加大立柱下腔过液孔径及相应的液压元件口径，使支架液压元部件适应强烈冲击载荷的要求，进一步提高立柱的抗冲击性能；在结构件的结构布置、焊缝均匀布置中避免应力集中、应力波动的干涉现象发生，在关键部位应用高强度钢板及其相应的制造工艺，以提高结构件的抗冲击强度，增加支架的抗冲击性能。
通过支架结构的变化增强或提高稳定性和适应性，如支架采用顶梁带回转前梁、伸缩梁和二级护帮板结构，顶梁采用单侧活动侧护板掩护梁采用箱型结构，单侧活动侧护板，前、后连杆采用双连杆，尾梁一插板机构采用小尾梁一插板机构，尾梁一插板运动结构选用V型槽结构，支架底座为整体式刚性底座，底座前部用厚钢板过桥联接，后部用箱形结构联接，底座中后部底板敞开等。再通过选材和加工工艺要求达到提升可靠性，如结构件用材Q690占70%，Q550占20%，Q460占10%，销轴用材35CrMnSiA、30CrMnTi和40Cr，油缸用材27SiMn、活柱27SiNln、千斤项活塞杆40Cr。形成的ZF15000/28/52双伸缩四柱支撑掩护式低位放顶煤支架效果见图片2。
三、发展趋势
大采高综放技术是人型矿井实现商效、安全生产的重要途径。因此，大采高综放工作面参数优化、设备配套、顶煤顶板运移规律、围岩控制、采场覆岩破裂动态监测定位系统、煤壁片帮机理及提高资源回收率技术的研究，是大采高综放技术研究趋势；
总功率达到2000kW以上，装备以微型电子计算机为核心的电控系统，采用先进的信息处理技术和传感技术，高可靠性和高耐久性是采煤机最新发展趋势：
工作面刮板输送机向大运量、软起动、高强度、重型化、高可靠性方向发展。如刮板输送机能力达到6000t/h．装机功率4×800kW，关键元件中部槽的连接强度达到4500kn．刮扳链直径达到2×∮52mm等：
液压支架是综采工作面t要设备之一，近十年来主要的发展趋势是，支架高度进一步加大，支撑高度超过7.0m以上，支架工作阻力进一步提高，目前工作阻力已提高到15000kN以上，支架的中心距向2.0m方向发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，工作面液压支架设计使用寿命要求大于60000个循环，立柱的直径也增加到400 mm以上：
运距达到5000m，总功率3360kW，生产能力3500t/h，带宽1600mm并具有可控软起动，恒张力输送带白控张紧、快速自移机尾及智能控制与监测功能的是顺槽带式输送机发展趋势；
商电压大容量供电足综采供电发展趋势，它可以很好改善采区电网和工作面大功率电气设备的运行工况，如国外广泛采用2130～5000V供电技术。
总结以往的发展经验，实现采煤工作而高效、安全开采可有两条途径，采取两种开采工艺：一条是通过加大采煤设备的生产能力和提高开机率来实现单·煤层的高效、安全开采。另一条技术途径是针对储量大的特厚煤层采用综采放顶煤采煤工艺。这是一条投资少、产最高、消耗低、效益高，适合我国国情的技术途径。在这个领域我们已经取得了世界领先的地位。
