2024-05-08
唐杰兵 （1.天地科技股份有限公司， 北京 100013；2． 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013）
我国薄煤层分布广泛，具有经济开采的价值。由于受“劳动强度大、机械化程度低 、安全系数低、工作效率低”一大三低的影响，国内外采厚丢薄的现象较多，薄煤层自动化 开采被认为可以解决目前薄煤层开采瓶颈的有效途径，为此，本文在分析了土城矿15910薄 煤层少人自动化工作面开采技术的相关设备配套，并总结了工业性试验中的经验教训，为西 南矿区乃至全国类似条件下的薄煤层安全高效开采起到一定的借鉴意义。
关键词 薄煤层；少人自动化开采；“三机”配套；控制系统；工业性试验
中图分类号： 文献标志码： 文章编号：
Research on less people automatic mining coordinative composition equipment and its adaptability analysis in thin seam mining of Tucheng Mine
Jiebing,Tang
(1.Tiandi Science ＆ Technology Co. ， Ltd. ， Beijing 100013， China;2. Mining and Design Branch，China Coal Ｒesearch Institute，Beijing 100013，China)
Abstract:The thin seam in China is widely distributed and has the value of economic exploitation. Because of the influence of "the labor intensity, the low degree of mechanization,the low safety factor and the low working efficiency", there are many thin seams are discarded at home and abroad.The automation of thin seam layer Mining is considered to be the effective way to solve the bottleneck of thin seam mining, therefore, based on the analysis of the 15910 thin seam of Tucheng Mine the related equipment of less people automation working face for mining technology of thin seam is matched, and the experience and lessons in industrial test are summed up.The safe and efficient mining of thin coal seam under the similar conditions in the south mining area and even the whole country is of certain reference significance.
Key words: thin seam; less people automatic mining; equipment matching; control system; industrial test
土城矿15910采煤工作面位于15采区东翼，为首个9#煤层采面，采用走向长壁后退式综采 。工作面倾向长度194m,走向长度约1450m，运输顺槽断面形状为拱形，拱宽4.8米，拱高3.2米， 回风顺槽断面形状为拱形，拱宽5米，拱高3.2米。煤厚0.8-1.0米，平均0.9米，煤层无夹矸 。煤层倾角为20-23，平均22，走向倾角平均小于10，煤层硬度f<4,属简单构造煤， 工作面储量32万t，距地面垂距为290-478米。如图1所示直接顶粉砂岩6.4米，深灰色，中厚层状， 钙质胶结，中夹泥岩，局部破碎，f=3-4。直接底泥质粉砂岩0.8米，深灰色，薄层状， 易碎，f=2.5-3。老底粉砂岩4.0米，灰色中厚层状致密坚硬f=5。岩石单轴抗压强度在 11.56-37.89MPa 之间，抗拉强度在 0.74-6.4MPa 之间，粘聚力在 0.66-6.77MPa 之间， 尤其是白垩系粗砂岩强度最低，而中砂岩和泥岩的单轴抗压强度较高，煤样的抗拉、抗压 及粘聚力均较小。顶部1558采空区距5号煤层间距33米，下部无采掘活动，顶底板为弱含水 性岩层，已揭露的3-5条落差1-2米的正断层,长度约为3-6m，不导水。土城矿为高瓦斯突出 矿井，15910工作面作为151210中厚煤层工作面消突的上保护层进行有目的的开采，对采区 “接续”意义较大，为我国西南矿区首个少人自动化薄煤层开采工作面。少人自动化工作面 通过智能化装备、远程控制等技术的应用，在提升设备井下工作稳定性的同时改善井下作业 环境、降低工人工作强度、减少工作面工作人数等，从而逐步实现井下本质安全，降低事 故率、伤亡率，同时大幅提升工作效率和资源利用率[1-3]。
薄煤层“三机”配套中，将遇到如下问题：
1、结构空间紧凑，如何进行各个设备之间结构空间布置的最优化？
2、采煤机装机功率，如何有效突破电机设备尺寸对功率的限制？
3、改善作业环境，如何优化自动控制系统以达到矿井本质安全型？
要达到以上目的，这些采煤设备并不是简单的拼凑， 而是有机的组合[4-6]。
设计选用两柱掩护式支架ZY3600/08/18D，高度800-1800mm（伸 缩比2.25）,中心距1500mm,宽度1430-1600mm,初撑力 3092kN(P=31.5MPa),工作阻力3600kN(P=36.7MPa)综采工作面支护强度的确定通常采用理论 公式计算法、数值分析、类比法等多种方法进行综 合论证。支护强度确定以后，支架工作阻力主要取决于支护顶板的控顶面积,还要考虑立柱 倾角、标准的立柱缸径大小以及底座宽度等因素。根据中等稳定顶板、类比周边支架使用情 况及用本矿要求,确定中间支架额定工作阻力F=3600kN。设计当工作面顶板与支架顶梁摩擦系数为 0.2时，平均支护强度0.36-0.42MPa,底座平均比压1.4MPa,底座前端比压2.5MPa。泵站压力 31.5MPa,采用电液控制的操纵方式。依据支架重心高度、与顶底板摩擦力以及侧向调节防倒 能力等，支架可适应的最大倾角为25度。配套后最低采高1.3m，采煤机必须割顶底板，实 际采煤过程中，割600mm顶板，保证1.5m的适宜采高。移架步距为800mm。过渡支架在高度 、工作阻力以及顶梁长度上与基本架有所不同。 该套支架设备具有以下特征：顶梁采用整体顶梁结构，前端上翘。承载机构采用正四连杆 机构，前双后双。 顶梁与掩护梁的活动侧护板为双侧活动侧护板，一侧固定，另一侧由液压系统控制。根据现 有工作面情况，侧护板为左侧活动。如果调整活动侧护板活动方向，需要在工作面调整时， 调整液压系统控制方向；顶梁后端伸出，可充分保证顶梁与掩护梁铰接处不漏矸。侧护板 圆弧包裹，弹出时具有一定重合量，实现全封闭不漏；支架底座为整体结构，前端采用镶 嵌式过桥，强度、抗扭性高而可靠，后端采用箱型过桥型式；推移机构采用推移千斤顶采 用倒装、长推杆结构。拉架力为液压支架重量的3倍，可完全满足推溜和拉架的需要，保证 快速移架；设置抬底机构，可通过电液控制设置与立柱升降、喷雾等协同动作；支架调高范 围1000～1600mm内，梁端距在0～40之间变化，且在靠近煤壁方向运动；重心距底板垂直距 离700mm，支架预留防滑装置 安装位置，机头三架成组，包括底座防滑2组、输送机防滑2组；机尾三架成组，包括底座防 滑2组、输送机防滑2组，控制方式为手动控制；推移千斤顶推溜腔设置液压锁和安全阀，防 止运输机拉架时倒退实现自动锁；推移缓冲阀方向不能装反，否则不能起到推溜节流，拉架 导通的作用；液压支架的供液泵站额定供液流量200L/min，额定压力为 31.5MPa；泵站与工作面液压支架的通液 管规格为主进液管公称直径为GN31.5，主回液管公称直径为DN38，主水管公称直径为DN25； 架间主进液管公称直径为DN25，主回液管公称直径为DN32，主水管公称直径为DN25。主控阀 的主进采用公称直径DN25，主回采用公称直径DN25。立柱 的进液口与回液口采用公称直径 分别为DN12 、DN10，推移千斤顶的进液口与回液口采用公称直径分别为DN12 、DN12，其他 千斤顶的进液口与回液口采用公称直径为DN10。立柱和推移主控阀采用流量为200L/min，其 它为125L/min。立柱安全阀采用250 L/min，其余千斤顶安全阀流量为125L/mi；支架组焊件 采用高强度结构钢板材料，其中高强度钢板不少于70％，其厚度均选用GB709-88热轧钢板尺 寸系列中支架常用优选规格。支架所有液压缸用钢管均采用27SiMn管材，钢管规格均选用支 架常用优选规格。销轴类中，主要销轴用35CrMnSiA或30CrMnTi棒材。
选用的MG2×160/730-WD型交流电牵引采煤机总装机功率731kW，总装机功率731kW，截割 功率为2×2×160kW，牵引功率为2×40kW，调高泵站功率为11kW，牵引型式为准渐开线七星 轮－销轨无链牵引。左、右牵引机构分别由两个40kW的电动机驱动，通过牵引减速传动 机构，驱动行走轮与销轨啮合，使采煤机沿工作面输送机行走。本采煤机采用机载交流 变频调速牵引方式。机面高度886mm，过煤高度319mm，最大卧底量209mm，滚筒截深800 mm，滚筒直径Φ1150mm，牵引速度0～9m/min，牵引力460kN，摇臂回转中心距5180mm， 滚筒水平中心距9230mm，摇臂上摆+33°,下摆-11。 该采煤机的主要特特征如下: 1.在截割机械传动链与电机轴联接之间，设有安全轴过载保护装置。 2.整机为无底托架积木式组合结构，对接采用长丝杆与定位销相结合。 3.主控箱的安装结构加强了减振、抗振的效果。 4.牵引调速采用机载式交流变频调速系统，“一拖一”驱动方式，容量裕度大，可实现四 象限运行。 5.截割部采用双电机横向布置，过机高度低，截割功率，截割机械传动链设有扭矩轴过载 保护装置。
该"三机"配套中应该注意的一些问题如下： 1、一些主要的配套尺寸，如梁端距、铲间距、过煤高度、机面高度、过机间隙、行人空 间等除了满足一般的规定，还应结合配套厂家的设备和顾客的特殊需求。 2、如图4、5所示刮板机机头、机尾有抬高段，而且到机头机尾位置还需要割透三角煤，摇臂下摆幅度增 大，为防止刮板机铲煤板碰到摇臂行星头，故需要刮板机端头位置销排向煤壁侧偏移50‐100 mm左右，所以刮板机到机头、机尾位置要有所变线。 3、三角煤割不透，会出现推溜困难，溜子头上漂等问题，因此滚筒中心线应超过巷帮，并 有一定的卧底量。 4、煤层是起伏变化的，为了调整整个 作面的仰俯采变化工作面的仰俯采变化，采煤机必须 具有较好的卧底能力。 5、支架进巷道多长与机头割透三角煤要求有，若综采工作面采用端卸，应尽量使支架布置 与煤壁两侧边平齐，机头、机尾刮板机与支架有推移连接板，该连接板有多个销孔，可以调 整支架的中心距，最终使得与煤壁边缘平齐；刮板机有0.5m、1m规格的调节槽，可以适当调 节刮板机的长度，以适应工作面的长度。
如图2、表3所示煤层开采的采煤机机面高度在 886mm 左右，工作面最低采高 1.3m 时，液压支架与采煤 机的安全过机空间在240mm 左右，液压支架降架高度为187mm。留给工作面顶板下 沉量的空间非常有限，要求液压支架具备较高的初撑力和支护强度，最大限度减小工作面顶 板下沉量。
如表6所示，各配套运输设备能力从工作面的刮板运输机到顺槽的皮带机呈“喇叭口”结构。 SZZ764/200 型转载机是综采工作面运煤系统的中间转载设备，它将工作面刮板输送机上的 煤炭转载到巷道带式输送机上，是一种可以纵向整体移动的重型刮板输送机。SZZ764/200型 转载机的长度较短，便于随着采煤工作面的推进和皮带机尾自移装置的移动而整体移动。它 安装在采煤工作面下顺槽中，与皮带输送机配套使用，同工作面刮板输送机衔接配合。 转载机的机头与皮带输送机相搭，为了保证有足够的搭接长度和空间，由凹槽把地面的 水平段中部槽引向爬坡段，再通过凸槽把爬坡段引向水平架桥段，使中部槽与机头架相联 接，形成转载机机头与输送带机尾自移装置相搭接的空间。 本转载机爬坡角为10°，使爬坡段煤流通畅。凸槽和凹槽的中板和底板均增加了厚度，并采 用大圆弧过渡，减少了磨损，提高了过煤量。在爬坡段与凹槽联接的是铰接槽，以适应巷 道底板的起伏不平和输送带机尾自移装置移动时引起的高度变化。 PZY2300 型皮带机尾自移装置是转载机与带式输送机的中间衔接装置,与转载机机头配套使 用，代替了传统带式输送机机尾的承载段，行走小车与转载机机头联接在一起，通过两侧的 液压缸与 组合基架联接，液压缸行程2300mm，组合基架由头端架、尾端架及前基架、后基架四部分通 过固定销联接在一起，前端布置了底皮带清扫器，带式输送机机尾滚筒布置在尾端架上。行 走小车与转载机每前移2300mm时，组合基架前移一次，减少了带式输送机的张紧和调整次数 ；通过调整布置在头端架、尾端架上的立缸和水平缸，可方便地实现带式输送机的调偏、调 斜；小车与转载机机头通过两层铰接梁联接，可满足转载机三个方向的转动自由度。 转载机前移时，转载机被提升千斤顶抬起后，导轨与顺槽底板接触，转载机的悬起质量通过抬 起千斤顶下方的滚轮支撑在导轨上。推移千斤顶一端安装在转载机侧挡板上，另一端固定在 导轨上，当千斤顶活塞杆伸出推移时，由于导轨与顺槽底板的静摩擦力大于滚轮与导轨的滚 动摩擦力，因此，导轨静止不动，转载机被推进一个千斤顶行程。 导轨前移时，转载机前移操作完成后，抬起千斤顶活塞杆全部收回，转载机落地，导轨被提起 脱离底板。操作推移千斤顶使活塞杆收回，导轨朝转载机机头方向前进一个千斤顶行程。
控制系统由中央集中控制装置、支架控制系统(带遥控功能)、采煤机控制系统、刮板输送机 成套设备控制系统、工作面视频监控系统、顺槽供液系统、语音系统、负荷中心组成。以中 央控制装置为核心，通过通信网络与采煤机、支架、刮板输送机成套设备、视频监控、乳化 液保障、语音、皮带机等子系统有机结合在一起，实现各子系统之间数据传递，并根据采煤 工艺在地质条件允许情况下实现三机联动、设备及人身安全保护、故障诊断及声光报警功能 ，最终实现工作面少人化。 如图7、8所示，基本配置：每架支架配备压力、位移传感器一支，电磁阀驱动器一块，红外接收器一支，每 3个支架配备一台支架控制器及两个闭锁按钮，每六台支架配备一个电源箱，输出12V，3A。 工作面每3台支架配备一台微型摄相机，摄相机具备红外低照度夜视功能，无需另外提供照 明系统。摄相机图像信号通过视频监控箱及千兆以太网传递至中央控制装置并实时显示，实 现远程对工作面设备视频监控。视频系统电源由支架电控系统提供。工作面每15米（10个液 压支架）安装一台扩音电话，两台扩音电话之间安装一个闭锁按钮；安装位置：工作面的扩 音电话安装在液压支架中，顺槽中央控制室安装扩音电话一台。实现工作面闭锁刮板机、转 载机及语音通话。
主要原理：1、电液阀组动作直接转换为支架动； 2、电液阀组动作由安装在每台支架上驱动器供电/断电来实现； 3、驱动器对电液阀组的供/断电通过接收来自控制器的数据确定； 4、控制器接收来自操作面板按键信息、其它控制器发来的控制信息或中央集控装置发送过来的 控制信息，经过软件逻辑运算，最终确定向驱动器发送的数据并发送。 主要功能：邻架操作功能、成组操作功能、一键移架功能、压力自保持功能、自动推移功 能、自动跟机移架功能（采煤机双定位方式）、自动喷雾功能、自动反冲洗功能、线路故 障自定位功能、闭锁本架及所有支架功能、遥控操作支架功能、全工作面视频监控功能。
顺槽工作面主要为综采工作面生产所提供必须水源、电源、气源和乳化液介质等四个方面 。智能型乳化液保障系统在功能上包括了提供优质的乳化液和水作为综采工作面的动力源介 质。智能型乳化液保障系统是从整个煤矿生产过程所需的清洁的乳化液介质出发，把整个系 统分解为：乳化液动力系统（乳化液泵站）、过滤系统、水处理系统、自动乳化液配比系统 、中央监控系统、变频控制系统。结构上，智能型乳化液保障系统是针对全自动化联合采煤 机组和全自动化刨煤机组综采顺槽工作面的实际条件，以煤矿顺槽工作面传统的乳化液动力 系统为核心（精度不低于NAS9级）（主要包括乳化液泵站、水处理设备、过滤设备（高压 自动反冲洗过滤站（精度 不低于25μm）、回液过滤站（精度不低于50μm））、变频器、自动乳化液浓度配比系统， 选配相关的顺槽辅助系统（喷雾泵站、组合开关箱等），采用分布式控制方式，通过设备列 车上的乳化液泵站中央监控系统和联合采煤 机组或刨煤机组的中英控制室实现整个顺槽综采设备的集中监控和管理。构建了一个本质安 全、高效率和高智能化的智能型乳化液保障系统。技术上，智能型乳化液保障系统是集机械 、液压、污水处理、电子、自动控制、光电传感器、计算机等多学科技术的融合。特别是乳 化液设备工况监测及故障诊断技术、电液控制技术、集中监控技术、水处理技术及矿用传感 器技术等方面，在智能型乳化液保障系统得到了充分的应用。主要实现以下主要功能： 1、实现顺槽乳化液成套设备智能化、集约化。 2、实现顺槽工作面无人值守，减轻操作工人的劳动强度。 3、实现乳化液泵站变频调速，改善工作面泵站压力波动对电网的冲击，降低 能源浪费，延长泵站寿命，保护工作面液压元件。 4、全面控制水质及乳化液的质量，保障为工作面高质量乳化液的供应。 5、推动高煤炭生产向高产高效集约化方向发展，提高煤矿系统信息化水平及自动化管理水。
在井下工业性试验过程中，暴露出一些问题如下： 1、回采巷道采用拱形，尤其在开采后期，设备列车的高度难以达到要求；由于机头采用 端卸垂直搭接方式，机头位置空间很难满足要求。 2、底板光滑，摩擦系数低，“三机”极易下滑，采用伪倾斜开采，支架在三维平面内斜 向推进，与回风巷、运输巷有时出现台阶，加之煤层赋存的变化，工作面长度会有变化 ，有时割不穿煤壁两端，甚至造成与转载机机尾搭接不合理。 3、顺槽内超前替棚+工字钢和单体柱支护以及端头支护依然耗时耗力，刮板机头、机尾 需额外辅助推移。 4、本配套中，由于工作面倾角较大，下端头排头架极易往巷道内下滑。 5、该煤层厚0.9m，实际组织中还要割顶板0.6m，采煤机变频器、截齿、滑靴较易损坏。 6、工作面遇到断层、地质异常区时， 自动化回采不能严格满足工程质量要求， 需要人工 对工作面支架、采煤机、刮板输送机的状态进行调整。 积累了一些经验如下： 1、顶板较好时，采用先移架后推溜的滞后支护方式，以更好利用支架前端的行人空间； 顶板较差时，采用先推溜后移架的及时支护方式，以缩小空顶距。 2、要实现支架自动跟机动作需要严格按设定的采煤工艺控制采煤机行走方向及位置。 3、如必须过断层，需采用放震动炮等辅助措施。 4、 薄煤层采煤机由于滚筒直径小，滚筒的叶片高度也小，滚筒装煤的能力有限。主要还 是靠推溜时刮板机的铲板装煤。 5、增大薄煤层运输巷宽度或改变巷道形状，以便于机头进入顺槽，割透三角煤。或考虑将 运输巷沿顶板掘进，增大机头处过机间隙，采用传动垂直布置，以便于有足够的卸载高度。
15910少人自动化工作面正常作业过程中，技术人员对现有的采煤技术各个环节、各个工艺 进行了详细的调研综合分析各个工序和环节之间存在的时间匹配、作业人数相互间的干扰 等问题， 在此基础上有针对性地对存在的问题进行有效调节， 保证了每个环节的安全可靠 ， 并且减少了不同工序间的相互干扰，单向割煤作业循环时间少于83min，日平均有效截煤刀 数≥9刀，日推进度≥7.2m，工作面月产量≥7.15万t。人员配备：采煤机及电缆维护每个班 1人，液压支架维护每个班2人，中央集控室每个班1人，皮带机自移装置系统每个班1人，上 下巷安全出口替棚维护及运输每个班至少7人。一方面，产量由原来的人工每月9kt，提 高到每月20kt，这样每个月的单产大幅增加。 另一方面，综采设备的引入使得生产所需 的劳动力减少，劳动强度降低，减少了成本的投入。
土城矿15910少人自动化工作面的运转成功，是装备的合理配套和技术人员对设备配置在实际运转 中各种影响因素不断摸索和优化的结果，及时开采了解放层， 保证了主采煤层正常衔接和安 全生产。开采效益得到了大幅度提升，一定程度上改变了人们对以往薄煤层开采效益低下， 安全系数低的认识现状，达到了提高煤矿本质安全水平，减人提效明显，安全系数增加，劳 动强度降低的目的。
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