一、特點及適用條件
薄煤層滾筒采煤機配電液控液壓支架開采模式可以滿足厚度0.8m以上、煤質(zhì)中硬以下薄煤層開采的需求。
1.特點
此開采模式優(yōu)點是：①適應(yīng)于煤層厚度變化較大的工作面；②對煤層頂?shù)装迤鸱兓m應(yīng)能力強；③適用于含有夾矸的煤層回采；④對工作面長度要求比刨煤機低
缺點是最小采高受到一定限制，“小機身、大功率”問題很難有效解決，如何在降低機面高度的前提下進(jìn)一步提高薄煤層滾筒采煤機的裝機功率是該配套模式面臨的最大難題。
2.適用條件
該種配套模式對地質(zhì)條件的要求如下：
（1）煤層硬度：中硬及中硬以下。薄煤層采煤機的破煤能力比刨煤機強，能夠順利回采中硬以下的煤層，但受到采煤機尺寸限制，其裝機功率較小，對于硬煤層工作面的適應(yīng)性較差。
（2）煤層傾角：適應(yīng)煤層傾角25°，對大于25°傾角的煤層適應(yīng)性較差，工作面加入防倒防滑裝置后可用于45°以下薄煤層的開采。
（3）圍巖條件：頂板中等穩(wěn)定。對底板起伏變化的適應(yīng)性較強，可以通過調(diào)節(jié)采煤機搖臂來適應(yīng)底板的起伏變化；頂板的穩(wěn)定性越好，越有利于薄煤層采煤機的運行，頂板較為破碎時，容易發(fā)生漏頂現(xiàn)象，影響工作面的正常推進(jìn)。
（4）煤層厚度：受到采煤機機身厚度的限制，適用于煤層厚度0.8m以上工作面的開采，當(dāng)煤厚大于1.5m時采用薄煤層滾筒采煤機明顯優(yōu)于刨煤機。
（5）夾矸：薄煤層采煤機對含夾矸煤層的適應(yīng)性明顯優(yōu)于刨煤機，可以適用于含少量夾矸的工作面開采。
（6）地質(zhì)構(gòu)造：過斷層能力較強，能夠應(yīng)用于含小斷層工作面。
國內(nèi)常見的幾種薄煤層滾筒采煤機的基本情況和工作面設(shè)備配套情況如表1和表2所示。
表1 國產(chǎn)常見薄及較薄煤層滾筒采煤機主要技術(shù)參數(shù)
表2 國內(nèi)部分礦區(qū)薄煤層滾筒采煤機工作面配套設(shè)備及產(chǎn)量
二、關(guān)鍵技術(shù)
1.采煤機
大傾角薄煤層工作面工作空間小的特點對采煤機提出了一些新的要求，主要表現(xiàn)在如下兩個方面：
（1）小體積、大功率
薄煤層滾筒采煤機與中厚煤層采煤機相比，其工作空間小，要求盡量減小采煤機的尺寸；另外，薄煤層采高小是不可改變的事實，中厚煤層采煤機割一刀煤相當(dāng)薄煤層的3~5倍，為了實現(xiàn)薄煤層工作面的高產(chǎn)高效就要求采煤機具有大功率。為解決體積縮小與功率加大之間矛盾，主要采用以下關(guān)鍵技術(shù)。
①改變搖臂電機的布置方式
傳統(tǒng)采煤機采用單搖臂電機，由于電機尺寸較大限制了采煤機尺寸的減小，可采用多電機橫向布置的方式降低機面高度。如MG200/456-WD型采煤機，每個截割部的截割功率是200kW，采用2個100kW電機來拖動，就減少了電機的外形尺寸，使整個機面高度降到853mm，使該采煤機一般可開采厚度為1.1~1.2 m以上的煤層。同樣，MG250/556-WD型采煤機，每個截割部的截割功率達(dá)到250kW，采用2個125kW電機來拖動，整個機面高度也降到853mm，也可以開采厚度為1.1~1.2m以上煤層。
②改變牽引部機殼結(jié)構(gòu)
國內(nèi)外采煤機牽引部的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式為多級直齒輪傳動和一級行星齒輪傳動。薄煤層采煤機的尺寸小，為了增大采煤機功率應(yīng)提高牽引電機的轉(zhuǎn)速，現(xiàn)代電牽引采煤機的牽引電機轉(zhuǎn)速達(dá)到了2900r/min，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式已不能適應(yīng)發(fā)展的需要，現(xiàn)在采煤機牽引部已向多級行星齒輪傳動的方向發(fā)展。例如MG200/500-AWD型采煤機牽引部電機橫向布置，兩級直齒輪傳動和兩級行星齒輪傳動減速，實現(xiàn)了傳遞功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、減速比大，結(jié)構(gòu)尺寸小等特點。
（2）改善裝煤效果
由于是薄煤層，滾筒直徑不可能大，而且隨著煤層越薄，滾筒的直徑要求越小，由此往往帶來裝煤效果不好、裝不上煤或裝不干凈煤的問題，為此采取如下技術(shù)措施。
①安裝擋煤板
為了提高裝煤效果，可以在搖臂上安裝擋煤板來輔助提高裝煤效果。某弧形擋煤板，其與煤接觸的邊緣多做成刃狀，以利于擋煤板刮煤，其重量要適中，過重會增加搖臂負(fù)載，降低傳動件的壽命；過輕又會出現(xiàn)跳動，使得采煤過程中后滾筒的浮煤較多。
②搖臂改為彎搖臂
對于滾筒向外旋的薄煤層滾筒采煤機，當(dāng)采用直搖臂時，由于工作面采高小，搖臂下方的過煤空間很小，裝煤效果不好。此種情況下可將搖臂改為彎搖臂，增加搖臂下方的過煤空間，改善裝煤效果。
③合理確定滾筒轉(zhuǎn)速和葉片螺旋角的大小
滾筒轉(zhuǎn)速和葉片的螺旋角對采煤機的裝煤效果有很大影響：滾筒轉(zhuǎn)速越高、滾筒葉片螺旋角過大時，煤易被沿切線方向拋出，不利于向刮板輸送機上裝煤；相反，滾筒轉(zhuǎn)速過慢、滾筒葉片螺旋角過小時，煤被拋向刮板輸送機上速度過小，也不利于裝煤。因此，應(yīng)結(jié)合滾筒直徑、截深、轉(zhuǎn)向、牽引速度等滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)科學(xué)確定合理的滾筒轉(zhuǎn)速和葉片螺旋角的大小。
2.液壓支架
薄煤層綜采工作面液壓支架選型時應(yīng)考慮到以下幾方面因素：
（1）支架選型
由于薄煤層工作面頂板一般比較穩(wěn)定，可采用二柱掩護(hù)式支架及整頂梁形式，結(jié)構(gòu)比較簡單，便于維護(hù)和操作。當(dāng)通風(fēng)面積要求大，需采用雙排人行通道時，支架宜選用四柱支撐掩護(hù)式。
（2）支架結(jié)構(gòu)
薄煤層支架結(jié)構(gòu)要盡量簡單，頂梁可設(shè)計成整體梁，適當(dāng)加寬頂梁寬度。
薄煤層支架推桿設(shè)計十分重要，要具備拉架推溜的功能，又要滿足強度的要求，一般還要用它控制綜采工作面輸送機下滑。推桿側(cè)面和底座限位塊間隙很小（20～30㎜），利用它控制輸送機和支架的位置。推桿一端連接輸送機，另一端通過千斤頂和支架相連，它必須占據(jù)部分立柱前空間，該空間本來很?。ㄈ伺佬校敉茥U設(shè)計的太厚，將影響行人空間。
由于薄煤層頂板一般較好，冒落矸石較少，掩護(hù)梁受到?jīng)_擊載荷作用可能性較小，所以掩護(hù)梁設(shè)計角度不一定太陡，只要在工作區(qū)段矸石能很好滑落就可以。
支架底座采用分體底座，左右底座通過橋鉸接。這種結(jié)構(gòu)既可以最大限度地降低支架高度，又能保證較大的排矸空間。支架配帶短底靴板結(jié)構(gòu)，可以改善底座對底板的比壓分布，使支架比壓分布合理，便于拉架。同時靴板厚度較薄，加大了人行通道。短柱支撐在底座與掩護(hù)梁之間，使支架具有較好的穩(wěn)定性和對頂板的適應(yīng)能力。
（3）高強度
薄煤層支架由于其伸縮比大，且最低高度很低，結(jié)構(gòu)件設(shè)計既要滿足強度要求，又要截面高度尺寸盡可能小。結(jié)構(gòu)件大多采用高強度鋼板，如4MPa級高強度鋼板，主要承載部位采用7MPa級高強度鋼板。頂梁前部有的設(shè)計成板式結(jié)構(gòu)，甚至是幾層彈簧鋼板疊加。
（4）可靠的工作阻力
薄煤層工作面，由于采高低，易充填，老頂易形成平衡拱，一般工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯。支架工作阻力可適當(dāng)減小。但因薄煤層支架活柱伸縮量小，工作空間狹窄，在確定支架工作阻力時應(yīng)十分慎重，否則在工作面頂板大面積來壓，發(fā)生“死架”時難以處理。
（5）高可靠性
支架具有高可靠性主要是考慮到薄煤層工作面采高較低，操作及維修困難，這就要求液壓管路布置合理有序，并應(yīng)考慮它的可維修性和可操作性。液壓管路連接件密封性能要安全可靠，密封件材質(zhì)選用可靠性高的聚氨酯材料。
（6）高自動化程度
薄煤層工作面，行人困難，操作系統(tǒng)最好實現(xiàn)成組控制、自動控制或鄰架控制，以減輕工人勞動和提高安全程度、工作效率及產(chǎn)量。
（7）較大的伸縮比
支架具有較大的伸縮比可使支架適應(yīng)較大的高度變化。為滿足支架較大的伸縮比，一般采用雙伸縮立柱。
（8）快速移架需求
快速移架與工作面高產(chǎn)高效的要求相適應(yīng)的，與工作面內(nèi)其它設(shè)備的自動化程度相適應(yīng)。為達(dá)到此目的，液壓管路和元件應(yīng)均為大流量器件。
（9）足夠的人行通風(fēng)斷面
人行空間及通風(fēng)斷面的空間尺寸應(yīng)不小于500×70mm，以保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。
（10）防漏矸
支架在使用過程中架內(nèi)及架間應(yīng)無矸石，否則由于采高較低，有可能損壞液壓管路或液壓元件，使支架失去自動控制功能。為防止架內(nèi)及架間漏矸，支架頂梁與掩護(hù)梁鉸接處應(yīng)有擋矸簾，以解決架內(nèi)漏矸問題。
3、防倒防滑
大傾角薄煤層工作面由于煤層傾角大，設(shè)計專門的防倒防滑裝置或設(shè)施，主要包括工作面支架的防倒防滑、排頭支架防倒防滑、排尾支架防倒防滑、工作面架前保護(hù)、刮板輸送機防滑及大傾角工作面的端頭支護(hù)等。
（1）工作面支架的防倒防滑
工作面支架的防倒防滑機構(gòu)包括由彈簧組件和千斤頂控制的雙側(cè)護(hù)板（用時一側(cè)暫固，另一側(cè)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。頂梁防倒不用軟連結(jié)，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3～5架稱為排頭支架組，是大傾角綜采的基準(zhǔn)，解決排頭支架防倒防滑是大傾角綜采工作面成功的關(guān)鍵，包括頂梁防倒，底座前后防滑和架尾防滑等設(shè)施。
（3）排尾支架防倒防滑
工作面最上3~5架，稱為排尾支架組，主要是控制排尾支架正常運作，不正常狀況一般也由上而下調(diào)節(jié)，包括頂梁防倒、底座前、后調(diào)架防滑等裝置。
（4）工作面架前保護(hù)
除采用護(hù)壁板、伸縮梁帶護(hù)壁板、護(hù)壁板上挑護(hù)頂?shù)却胧┩?，大傾角綜采面架前防護(hù)以頂梁帶伸縮梁加旋轉(zhuǎn)保護(hù)裝置為佳，包括保護(hù)板和插板與座板組合，銷連于頂梁下的中心軸，可按需要旋轉(zhuǎn)方位，實現(xiàn)正裝、左右側(cè)裝、反裝和正裝，還可迎煤流方向微轉(zhuǎn)角度，使之與輸送機電纜架形成“隔離墻”，以防止支架前方和上方煤塊、矸石進(jìn)入架內(nèi)傷人或損壞設(shè)備，確保人員、設(shè)備安全。
（5）刮板輸送機防滑
工作面刮板輸送機除機頭可設(shè)錨固站外，其本自身并無防滑能力，需要由支架為其提供防滑保障，通常采用兩種方式：
①硬連接防滑：由某架與下或上架前的輸送機直接銷連千斤頂：朝下布量，則向上拉輸送機；朝上布置，則向上推輸送機，推力比拉力大，移架后強力拉推復(fù)位。不足的是推溜過程中不能主動防滑。
②軟連結(jié)防滑：通常以每5架為一組，全工作面20~25組，視煤層傾角大小而設(shè)，主要是在閉鎖狀態(tài)下推溜防止輸送機下滑，已下滑則可分段成組或全工作面向上提拉復(fù)位。主要問題是：架前斜置圓環(huán)鏈行人不便，還存在斷鏈傷人的安全隱患。
（6）大傾角工作面的端頭支護(hù)
大傾角綜采機巷，雖然底板近于水平，但頂板卻因三角煤很難維護(hù)住，故前進(jìn)式的端頭支架很難適應(yīng)25°以上變梯形斷面巷道頂板的支護(hù)要求。主要支護(hù)措施包括：
①錨網(wǎng)支護(hù)：從巷道掘進(jìn)開始即采用錨網(wǎng)支護(hù)，這是現(xiàn)今大力推廣的支護(hù)新技術(shù)，如果設(shè)計和使用得好，可以不用其他支護(hù)設(shè)施。
②其他支護(hù)方式：使用鋼梁鐵柱，用液壓支柱作超前支護(hù)，但割煤后很難維護(hù)三角煤板；用錨網(wǎng)和單體支柱組合使用效果也可能好。
③橫式端頭支架：支架橫置橫移，升降座由千斤頂控制，可適應(yīng)巷道高低變化；頂梁與升降座鉸連，能適應(yīng)頂板傾角變化；立柱“迎山”支撐頂梁，改善支架受力狀況且加大支架穩(wěn)定性；相向互動側(cè)護(hù)板有效解決大行程移架護(hù)頂；架內(nèi)轉(zhuǎn)載機并隨工作面同步推移等。為高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供了良好基礎(chǔ)。橫式端頭支架，已有礦區(qū)使用，經(jīng)過實踐和改進(jìn)可以有效解決大傾角綜采巷道和過渡三角區(qū)的支護(hù)，大傾角薄煤層綜采可以試用。
三、應(yīng)用實例
針對某煤礦5#煤層0.65~1.1m厚度煤層，35°~40°大傾角薄煤層的特點設(shè)計開發(fā)了新型液壓支架ZQY2800/069/141，大傾角薄煤層綜采工作面“三機”配套如圖1所示。
圖1 大傾角薄煤層綜采工作面“三機”配套圖
支架中心距1.5m，采用鄰架控制，支架重量約6.3t。支架采用了分離式手動先導(dǎo)換向閥，即：先導(dǎo)閥和主閥分別安裝在本架和鄰架上，它們之間通過一根多芯管連接，實現(xiàn)支架的鄰架操作，稱作：鄰架手動先導(dǎo)換向閥。鄰架手動先導(dǎo)換向閥采用了多芯管鄰架控制技術(shù)，使閥的接管簡單、快速、可靠，一管過架，易于布置安裝，大大節(jié)省了支架的生存空間，改善支架的作業(yè)環(huán)境，由于液壓系統(tǒng)管路的大大簡化使液壓系統(tǒng)的可靠性大大提高。
選擇了MG100/240-BW1型采煤機和SGZ630/132型工作面刮板輸送機作為工作面主要設(shè)備。采煤機采高范圍0.75～1.45m，適應(yīng)傾角≤50°，滾筒直徑900mm。
自2009年1月應(yīng)用滾筒采煤機配電液控液壓支架綜合機械化技術(shù)開采大傾角極薄煤層以來，已累計生產(chǎn)出原煤10.639 萬t，開采面積達(dá)到49440m2。其中，單月最大原煤產(chǎn)量為1.52萬t，開采面積12000m2。
通過滾筒采煤機配電液控液壓支架開采與原炮采工藝的比較，前者月均產(chǎn)量提高6000t以上，全年可多生產(chǎn)原煤7萬t，多增加收入2800萬元；成本可降低10元/t，從而降低支出144萬元；在瓦斯治理提前達(dá)標(biāo)的情況下，月生產(chǎn)可實現(xiàn)2萬t以上，全年將多創(chuàng)造效益8000萬元以上。滾筒采煤機配電液控液壓支架開采不但明顯降低了工人的勞動強度，同時在安全上很好地解決了工作面的頂板支護(hù)問題，防止了頂板事故的發(fā)生，改善了工人的工作環(huán)境，還大大提升了職工隊伍的技術(shù)水平，從而產(chǎn)生了巨大的社會效益。
需要進(jìn)一步完善的事項：
(1)液壓支架的側(cè)護(hù)板和底調(diào)太短，在拉架時，下架對上架的支撐力不足，容易造成支架前探梁下移，對保證運輸機不下滑沒有起到應(yīng)有的作用；同時會造成架間漏矸，給頂板管理帶來難度，應(yīng)作設(shè)計修改。
(2)工作面設(shè)計為220m，長度太長，推溜時容易造成運輸機不平直，經(jīng)常卡鏈，影響生產(chǎn)，工作面布置時，應(yīng)縮減長度，以100m左右為宜。
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