項目背景
某公司研發(fā)出適用于煤層傾角70°以下的急傾斜薄煤層走向長壁偽斜綜采工作面或煤層傾角60°以下的正傾斜綜采工作面的刨運機和液壓支架，并根據(jù)實驗工作面的條件制定出了相應的采煤工藝，為大傾角薄煤層工作面的安全高效開采提供了新的技術裝備。
特點及適用條件
1.特點
刨運機配電液控液壓支架開采模式是根據(jù)急傾斜薄煤層的特點設計的，工作面沿走向推進，具有以下優(yōu)點：
（1）刨運機梁既做刨頭的承載體，又做移架橫梁，省略了輸送機。
（2）采煤時，刨運機是全工作面同時運轉割煤，不存在斜切進刀段，對工作面長度要求低，開采工藝比較簡單。
（3）與電液控液壓支架配套使用后無需司機跟機作業(yè)，實現(xiàn)了落煤期間工作面內(nèi)無操作人員的目標，為智能化無人工作面打下基礎。
（4）設備小巧、重量輕，便于安裝、拆卸。多數(shù)急傾斜薄煤層賦存條件差，不易布置出大型正規(guī)工作面，多數(shù)工作面的偽斜長在100m以下，走向長度一般為500~600m，因此工作面搬家倒面次數(shù)多。而急傾斜薄煤層工作面作業(yè)空間狹窄，面內(nèi)設備安裝多為懸空作業(yè)，難度和危險性比緩傾斜工作面大的多。因而要求設備不但小巧、重量輕，而且便于安裝、拆卸，而刨運機最符合這樣的要求。
2.適用條件
與滾筒采煤機配電液控液壓支架、刨煤機配電液控液壓支架開采模式相比，刨運機配電液支架開采模式在大傾角薄煤層開采方面具有更廣泛的適用性，其適用條件如下：
（1）煤層傾角：可適用于煤層傾角70°以下的急傾斜薄煤層走向長壁偽斜綜采工作面或煤層傾角60°以下的正傾斜綜采工作面。
（2）煤層厚度：適合0.8m以上的煤層。
（3）煤層硬度：軟及中硬煤層。
（4）煤層賦存情況：夾矸少，頂板中等穩(wěn)定，無斷層。
關鍵技術
01刨運機梁防滑技術
在急傾斜走向長壁工作面中，刨運機梁上裝配著刨頭、刨鏈、驅動鏈輪、變速箱和電機，合計重達50多噸。刨運機的工作過程主要分為三個階段：
① 刨運機梁在搖擺千斤頂?shù)淖饔孟聫牡装逄?，尚未與煤壁接觸；
② 刨運機梁到頂板后，推移千斤頂伸出，刨運機割槽；
③ 割槽結束后，推移千斤頂不施加主動的推力，刨運機梁在自重和搖擺千斤頂拉力的作用下，下行割煤。
在刨運機落煤期間，這根重50多噸的刨運機梁，將在幾乎垂直的空間整體往復擺動。在此梁擺動期間，控制其下滑將是成功開采的關鍵。
為此，設計了三套機構。
① 三架一組的斜拉千斤頂。該機構的技術關鍵是在千斤頂活塞桿伸出時，仍需保持對刨運機梁向上拉力；
② 在上順槽內(nèi)安裝一根防滑千斤頂，通過固定在順槽頂板上的滑輪與刨運機上端頭連接，承受刨運機上端頭驅動鏈輪的動載荷及設備下滑的靜載荷，防止刨運機下滑。
③ 加強推移千斤頂抗彎能力，使其不但能挑起本段刨運機梁并具有3~5倍安全系數(shù)。
（1）三架一組軟連接防滑機構
刨運機斜拉防滑機構由斜拉千斤頂和防滑鏈構成。防滑千斤頂?shù)囊欢斯潭ㄔ谥Ъ艿鬃?；另一端通過鋼鏈與其下方第三個支架對應刨運機梁上端相連。工作面內(nèi)除上、下端頭處的三個支架外，其余支架每3個支架一組與刨運機梁連接。該防滑千斤頂的特殊之處是在刨運機梁抬起、前移運動時，防滑千斤頂不但要隨之伸出，而且要求它仍對刨運機梁有一個向上的拉力，防止梁在運動下滑。該功能通過對液壓控制系統(tǒng)的特殊設計得以實現(xiàn)。
從圖1可知，在此防滑機構中，防滑鏈固定于刨運機梁的上端，不影響工作面的移架作業(yè)，并有利于對刨運機梁的上拉作用。
圖1 刨運機防滑機構示意圖
（2）工作面刨運機組上端頭防滑機構
圖2 刨運機組上端頭防滑機構
由于在急傾斜工作面，在割煤過程中，刨運機上端的驅動鏈輪除承受刨鏈和刨頭下滑的靜載荷外，還要承受割煤的動載荷，因此刨運機組上端頭的防滑成為整個刨運機防滑的關鍵。為此，在上順槽安裝一根Φ250/200mm，行程700mm的液壓千斤頂，其推力為1545kN，拉力為556kN。其一端固定在順槽中；另一端通過鋼鏈，繞過懸掛在順槽頂板上的滑輪，與刨運機變速箱連接，承受刨運機上機頭的動靜載荷，阻止其下滑。
（3）高抗彎強度推移千斤頂
刨運機在工作過程中，支架的推移千斤頂一方面具有移刨運機和移架的作用，另一方面承受著刨運機梁的下滑力具有阻止刨運機下滑的作用。因此在設計的過程中應加大推移千斤頂?shù)目箯澞芰?，使其不但能挑起本段刨運機梁，且具有3~5倍安全系數(shù)。
02工作面液壓支架防倒防滑技術
（1）工作面中間支架防倒防滑裝置
圖3 工作面支架的防倒防滑裝置
工作面支架的防倒防滑機構包括由彈簧組件和千斤頂控制的雙側活動側護板（用時一側暫固，另一側活動）、調(diào)架梁、后調(diào)（必要時可安裝前調(diào)）、可按需要安裝頂梁防倒等裝置（見圖3）。這是急傾斜支架基本的防倒防滑性能要求。需要說明的是頂梁防倒不用軟連結，主要是行人不便和存在安全隱患。
（2）排頭支架防倒防滑
工作面下排頭1~3架稱為排頭支架組，簡稱排頭支架，是急傾斜綜采工作面設備的基準，解決排頭支架防倒防滑是急傾斜綜采工作面成功的關鍵，包括頂梁防倒，底座前、后防滑和架尾防滑等裝置（見圖4）。
（3）排尾支架防倒防滑
工作面最上1~3架稱為排尾支架組，簡稱排尾支架，主要是控制排尾支架正常運作，當出現(xiàn)不正常狀況時，一般是由上而下調(diào)節(jié)，包括頂梁防倒、底座前、后調(diào)架防滑等裝置（見圖5）。
圖4 排頭支架防倒防滑裝置
03工作面擋矸技術
（1）支架擋矸板和擋矸簾
在支架頂梁和底座前端分別安裝一塊擋矸板，不用時將擋矸板扣鎖在頂梁和底座上。在支架支撐高度較低時，僅將底座上的擋矸板翻起，防止墜落物進入支架內(nèi)；在支架支撐高度較高時，將頂梁上的擋矸板翻下，形成一道密閉墻，將落煤通道與支架空間隔開。擋矸板朝煤壁傾斜，將下落物擋向煤壁，形成階梯狀下落，以減弱下落物的沖擊力。
在擋矸板后邊行人空間前，在支架頂梁上布置一排半圓形掛鉤，懸掛鋼鏈網(wǎng)，鋼鏈規(guī)格Φ10×13。當支架升高時，它隨之增長，將支架內(nèi)部擋嚴。同時，鋼鏈網(wǎng)的下方與支架底座固定，以保證能有效遮擋住下墜物。
（2）擋矸彈簧板
在急傾斜工作面矸石緊隨支架后部，當支架略微降架時，矸石便會擠進支架頂梁與頂板之間，影響支架支護質量。而在下一次移架時，又會有更多的矸石擠入此縫隙，往復下去，支架難于控制。為此在支架頂梁后端增設一條向采空區(qū)頂板彎曲，略高于頂梁彈簧鋼板，見圖6。支架頂梁支撐頂板時，彈簧鋼板回縮；移架時彈簧鋼板彈起，仍與頂板靠緊，阻止矸石進入降架的縫隙中。
圖6 彈簧擋矸板
配套采煤工藝
01回采工藝流程刨運機綜采試驗工作面回采工藝流程如下：
打開全工作面各個刨運機梁升降千斤頂?shù)目傞y進液口，抬起刨運機梁，使上部刨刀頭抵至頂板，關閉此閥門——啟動刨運機，待其正常運轉后——打開全工作面各組液壓支架推移千斤頂?shù)目傞y進液口，各支架推移千斤頂統(tǒng)一推出，將刨運機壓入煤壁；割煤——當刨運機梁全部推入煤體，截深達0.3m時，打開全工作面各個刨運機梁升降千斤頂?shù)目傞y回液口，升降千斤頂回縮，刨運機在拉力和自重作用下，下行割煤——在刨運機下行割煤過程中，當上鏈刨刀與頂板間有30cm距離后，打開全工作面各組支架前探梁千斤頂總閥進液口，使前探梁伸出，及時支護頂板——當刨運機下部刨刀割至底板時，刨運機停止運轉；——再次抬起刨運機梁，重復上述動作，割第二刀煤?！獌傻睹焊钔旰?，刨運機停止運轉，橫梁位于底板，準備移架——由工作面下方逐個前移支架。
在前移工作面下端頭前5架排頭支架中的第2組支架前，先檢查上、下兩組支架支撐是否可靠，必要時給這兩組支架補液加強其支承阻力。操作人員應在第3組支架上鄰架操作第2組支架。待第2組支架帶壓前移到預定位置后，檢查該支架是否有下滑、歪倒現(xiàn)象；如有，可利用防倒防滑裝置，將其校正，使其處于正常垂直頂?shù)装逯螤顟B(tài)后，再給液，使其牢固地支撐在頂、底板之間。按此方式前移3、4、5組支架，最后前移第1組支架。該支架推移到位后，可用通過圓環(huán)鏈與第二組支架相連的防滑千斤頂調(diào)整支架處于平行煤層走向的狀態(tài)，然后支撐頂?shù)装?。由下而上的按此方式前移工作面的各個支架，直到上端頭；工作面完成一個正規(guī)循環(huán)，準備開始下一個循環(huán)。
02刨運機割煤
（1）刨運機割煤方式
在急傾斜薄煤層開采中，刨運機建議采用上行單向割煤的方式，理由是：
①刨運機自上而下從煤層頂板割至底板，當下鏈單獨刨煤時，下刨鏈受到煤壁向上的截割阻力，使刨運機梁受到向上的力，抵消了一部分刨運機的下滑力，減小機組下滑，同時也有利于減小牽引阻力。
②當刨運機上行割煤時，下刨鏈帶動刨頭向下運行中，順煤流而動，有利于煤塊的下滑運移；反之，下刨鏈帶動刨頭向上逆煤流運行，不但將煤破的十分碎，而且是做無用功。
現(xiàn)以一個正規(guī)采煤作業(yè)循環(huán)為例，將刨運機割煤工藝流程分述如下：
刨運機開始割煤槽時，全工作面所有支架上的升降千斤頂一齊全部推出，使刨運機梁處于頂板之下，然后刨運機啟動、待其運轉正常后，全工作面支架上的推移千斤頂一齊逐步推出，將刨運機推入煤壁，開始割煤。當刨運機截槽深度達0.3m后，支架推移千斤頂停止進液、推出；而升降千斤頂回收，刨運機沿煤壁下行割煤，至底板，完成一個割煤循環(huán)。
（2）刨運機割煤質量要求
①工作面沿煤層頂板開采，不許超高超低，最低不能低于1.0m，最低采高設置的目的是使支架有足夠的過人空間；當煤厚小于1.0m時割底。當刨運機需要割底或挑頂時，每刀高差不許大于1.5cm，逐漸吃刀。
②刨運機割煤過程中應保持一個平面推向煤壁割煤；否則其梁彎曲受力，易損壞；
③刨運機割過后，必須及時移架，以防止架前冒頂、片幫；
④在刨運機割煤時，必須嚴格按照采煤機安全操作規(guī)程的要求進行操作。
03移架
（1）移架工藝
在急傾斜工作面下端頭的支架穩(wěn)定是整個工作面穩(wěn)定的關鍵，在下部用防倒千斤頂連起的5個支架拉移到位后，再以這些支架為支點自下而上的依次拉移，可保證工作面支架不會發(fā)生整體下滑，也可保證每個支架拉移時都有支點，不會發(fā)生倒斜?，F(xiàn)將移架順序描述如下：
①刨運機一次割煤
刨運機掏完槽后下行割煤，當上刨鏈的刨刀頭距頂板有0.3m時，全工作面支架前探梁伸出0.3m，及時護頂。
②刨運機二次割煤
當刨運機二次割煤開始下行割煤，上刨鏈的刨刀頭距頂板有0.3m時，全工作面支架前探梁再前伸出0.3m（共0.6m），及時護頂。
③工作面移架
采用鄰架控制方式移架。移架順序為自下而上帶壓移架，先移下端頭支架，再移排頭支架，使上鄰架始終以下鄰架為依托前移。通常移架時相鄰兩架的頂梁高差不超過10cm，以防止頂梁咬錯，造成背架，出現(xiàn)傾倒、錯位。支架調(diào)整以下鄰架為依托，通過側護板、底調(diào)梁調(diào)整支架支護狀態(tài)，使其垂直于頂?shù)装逯危叫杏诿簩幼呦虿贾谩?/span>
移架的動作為：收下側護板→降柱(保持一定壓力)→移架(擦頂移架)→升柱(保持初撐力)。
（2）移架質量要求
①必須嚴格按移架安全操作規(guī)程進行移架，其移架的程序是：收下側護板→降支架立柱(保持一定壓力)→以刨運機梁為支點，用移架千斤頂移架0.6m→升起支架立柱，保持幾秒鐘使支架達到額定的初撐力；
②為保證拉架時不致將刨運機梁后拉，在移架時，應將鄰架的推移千斤頂處于前推位置或閉鎖；
③當頂板碎破時，支架前探梁應及時伸出維護頂板；
④在移架時，必須使上下支架的錯距一致，使工作面支架保持成一條直線，平行于煤壁，其直線誤差在±4mm以內(nèi)。
實例介紹
JBB-Ⅰ型急傾斜薄煤層刨運綜采機組，通過液壓支架及刨運機的型式試驗及現(xiàn)場審核，已取得國家安全標志證書。2010年3月在生產(chǎn)基地通過地面初次運轉試驗，6月在某煤業(yè)公司順利通過地面組裝和聯(lián)調(diào)試驗。7月，機組及相關設備在工作面進行工業(yè)性試驗，試驗工作面煤層厚度為1.3~1.5m，傾角70°以上，工作面的主要設備及參數(shù)如表1所示。
該設備的主要特點如下：
（1）利用急傾斜煤層特點，刨運機梁既做刨頭的承載體，又做移架橫梁，省略了輸送機。
（2）在刨運機落煤期間采用電液控制，刨運綜采機組無需司機跟機作業(yè)，實現(xiàn)了落煤期間工作面內(nèi)無操作人員的愿望，一方面利于安全生產(chǎn)，另一方面為智能化無人工作面打下基礎。
（3）刨運機的驅動電機由兩臺礦用變頻器控制，即可提高驅動電機的啟動轉矩、保證驅動電機的功率平衡，又可根據(jù)煤層的硬度，調(diào)節(jié)刨運機的切割速度，提高效率。
（4）采煤時刨運機是全工作面同時運轉割煤，不存在斜切進刀段，對工作面長度要求低，開采工藝比較簡單。
表1 工作面主要設備及參數(shù)
經(jīng)現(xiàn)場工業(yè)性試驗，該開采模式取得了較滿意的技術經(jīng)濟效果，為大傾角薄煤層工作面高產(chǎn)高效開采提供了新的技術裝備。
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