急傾斜煤層綜合采煤設備“三機”配套優化研究

馬志輝

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司雙馬一礦，銀川 750408）

傳統采煤設備在急傾斜煤層中的運行效率不高，為滿足能源需求，提高煤礦的可持續性，需要優化采煤設備。因此，液壓支架、采煤機及刮板輸送機“三機”配套優化研究的核心目標是通過協調推進機、掘進機和裝載機等設備的工作，提高急傾斜煤層采煤的效率和安全性。研究急傾斜煤層綜合采煤設備“三機”配套優化可以滿足現實需求，滿足煤礦行業對提高生產效率、降低成本和增強安全性的迫切需求。

1 礦井地質條件

L 礦井位于四川省境內，屬于李子埡煤礦接續礦井，目前處于未投產狀態。該礦井首采面安裝“三機”設備，并嘗試進行工業性聯合運行。該煤礦設計生產能力與核定生產能力相同，為每年32 萬t。

L 礦井煤層呈黑色，具有瀝青-玻璃光澤，展現出條帶狀結構。煤層上部厚約1.2 m，質地較為松軟，下部呈塊狀結構，質地較硬。此外，煤層內外存在裂隙，容易垮落。煤層頂部與底部屬于上二疊統龍潭組，沉積環境屬于海陸交替相，共分為6 個層段。

2 急傾斜液壓支架

2.1 支架選型

支架的選型直接影響采煤作業的穩定性和安全性，因此選型時需要綜合考慮煤層的特性[1]。急傾斜煤層通常要求支架具備良好的穩定性和抗傾覆能力，為了適應高傾角煤層，首選履帶式支架或鏈條支架。這些支架能夠在復雜的地質條件下，確保采煤作業順暢進行。

2.2 立柱數量確定

確定支架中立柱數量的過程中，相關工作人員需要考慮煤層的特點和采煤機的工作范圍。合理的立柱配置能夠確保支架在采煤工作區域提供有效支撐，降低傾覆和其他潛在的安全風險。過多或過少的立柱數量都可能導致支架工作效率降低，甚至引發事故。本項目中，工作人員綜合考慮施工現場地質條件和采煤作業的實際需求，最終決定使用兩柱式液壓支架。

2.3 支架基本參數確定

2.3.1 支架中心距離

支架中心距離的選擇，直接關系支架的穩定性。適當的中心距離可以確保支架穩定支撐采煤工作，提高采煤機的操作效率。過小的中心距離可能無法有效支持支架，過大則可能浪費資源[2]。

2.3.2 支架工作強度

支架的工作強度應根據煤層的巖性和地質條件確定。具體實踐中，相關工作人員要基于巖石密度計算法，確定支架的實際工作強度，依據該強度數值選用合適的支架結構。支護強度的計算公式為

式中：q為支護強度；Kd為基本頂失穩動載系數；M為一次厚采的最大采高；Ka為冒落矸石膨脹系數；ρ為頂板部位的巖石密度。

2.3.3 支架高度

支架高度應根據煤層的厚度和采煤機的工作范圍來調整，合理的高度設置可以確保采煤機不受限制地有效切割煤層。不合理的高度設置可能導致采煤機無法完全利用煤層，或者出現切割不到位的問題。

2.3.4 支架工作阻力

支架的工作阻力直接影響采煤機的動力需求。合理配置支架工作阻力，可以減少能源消耗，提高采煤效率。不合理的工作阻力設置可能導致能源浪費，降低采煤效率。其中，額定工作阻力計算公式為

式中：F為額定工作阻力；P為工作面額定支護強度；Bc為控頂距離；L為支架結構的中心距離；η為支架的支撐效率。

根據式（2）計算支架結構的各項參數，并根據參數要求采購支架。本項目中，工作人員經過綜合考慮，最終選擇ZJY 5000/15/35D 型掩護式液壓支架。

3 急傾斜采煤機

3.1 配套采煤機新增功能要求

3.1.1 牽引行走

實際工作中，急傾斜采煤機需要應對陡峭的工作面和復雜的地質條件，因此其牽引行走功能十分關鍵。只有擁有強大的牽引系統，才能確保采煤機在高傾角煤層上移動。牽引行走系統還需要具備足夠的靈活性，以適應不同的工作面布局和地質特征[3]。本次研究中，工作人員引入自動調整牽引力控制算法，利用該算法自動調整與校準牽引力，其公式為

式中：F′為牽引力；Kp為微分增益，用于抑制系統的過沖和振蕩，通過誤差的變化率進行控制；Sq為期望速度；St為實際速度；Ki為積分增益，用于消除系統穩態誤差，即在長時間內誤差的積累，它對應于誤差的積分部分，可以通過對誤差進行積分來消除；d為振蕩參數；dt為加速度矢量。

3.1.2 防滑制動

防滑制動用于確保急傾斜采煤機在工作過程中不會滑動或失控，在高傾角煤層中尤為重要。采煤機需要裝備高效的防滑制動系統，以便在必要時能夠快速制動或停止。在制動系統的設計中，需要特別考慮高傾角煤層的特性，確保采煤機在陡峭工作面上保持穩定。實際工作中，為確保防滑制動系統能夠發揮應有的效果，相關工作人員引入制動距離及制動時間計算公式，分別為

式中：L為制動距離；v0為初始速度；v1為最終速度；a為制動加速度。

式中：T為制動時間。

3.1.3 管纜拖移

急傾斜煤層中，采煤機通常需要頻繁移動到不同的工作位置。為了提高效率，采煤機應配備管纜拖移系統。該系統能使采煤機在工作面上快速移動，而無須大規模拆除和重新布置設備。此外，管纜拖移系統需要具備足夠的穩定性和控制性，以確保安全操作和移動采煤機，減少停機時間的同時提高生產效率。管纜參數，如表1 所示。

表1 管纜參數

通過表1 能夠全面了解管纜拖移系統的性能和適用性。管纜拖移系統的電源供應、控制方式和安全特性對于操作和安全至關重要[4]。操作環境溫度范圍指出系統在不同溫度條件下的可用性，而質量和壽命預期則提供了有關系統耐用性和壽命方面的信息。

3.1.4 安全控制

安全是急傾斜采煤機設計和使用的首要關注點。為了提升安全性，采煤機需要配備先進的安全控制系統，以監測和管理各種工作參數。該系統應包括瓦斯檢測、火災預防、支架狀態監控等。此外，采煤機應具備應急停機功能，以應對緊急情況。安全控制措施有助于降低事故風險，保護操作人員及設備的安全。

3.2 采煤機主要技術實施方案

3.2.1 設計大節距和大模數行走輪齒

首先，采用高強度材料制造輪齒，以提升其耐磨性和抗壓能力。其次，增加輪齒的節距和模數，使其更加堅固，以便在不平整的煤層地質條件下提供更好的牽引力和穩定性。再次，對輪齒的表面進行處理，如熱處理或表面涂層，以增加其硬度和耐磨性。最后，設計輪齒的形狀和排列方式，以確保它們能夠有效抓取和牽引煤層，減少輪齒的滑動和磨損。

3.2.2 設計采煤機第二道機械防滑裝置

設計備用的機械防滑裝置，如機械剎車、可鎖緊的行走輪齒或其他機械裝置。這些裝置需要具備高強度和可靠性，能夠迅速啟動，以應對主防滑系統失效等突發情況。備用機械防滑裝置能夠快速降低采煤機的速度，提供額外的安全保障。同時，設計防滑系統的自動監測和警報系統，制訂定期維護計劃，以確保系統的可靠性。

3.2.3 設計用于急傾斜煤層的采煤機拖纜裝置

首先，確定采煤機的移動路徑和工作面布局，并設計拖纜系統以適應工作要求。選擇耐磨和高強度的材料制造拖纜，抵御煤層中的摩擦和磨損。其次，確保拖纜系統的控制性能，包括準確的速度調節和迅速的啟停能力，以提供高度可控的操作。再次，設計拖纜系統的電源供應，如三相交流電源，以適應采煤機的需求。最后，確保拖纜系統的穩定性，防止發生不穩定的移動和危險情況。

3.2.4 設計急傾斜采煤機雙向割煤技術

首先，設計刀盤結構以確保雙向切割的有效性，涉及刀具形狀、角度和布局的調整，以適應不同方向的切割需求。其次，開發高精度的自動控制系統，實現雙向割煤時的切割參數調整，以確保切割的精確性[5]。再次，實施切割力的平衡分布，避免采煤機在不同方向出現不穩定的情況。最后，雙向割煤技術的成功實施需要綜合考慮刀盤結構、控制系統和切割參數的優化。

4 急傾斜工作面刮板輸送機

4.1 適應急傾斜條件

在設計刮板輸送機時，首要考慮因素是其在急傾斜工作面的適應性。機身結構需要具備穩定性，以應對陡峭煤層的工作環境。刮板輸送機設計時，還要求機身的底部較低，以適應煤層的傾斜度，確保輸送帶能夠穩定運行。

4.2 強化耐磨設計

急傾斜工作面的煤層地質條件通常較為惡劣，煤炭中可能夾雜較硬的巖石。因此，刮板輸送機的零部件，特別是輸送帶、滾筒和刮板等，需要采用高強度和耐磨材料。耐磨設計不僅可以延長零部件的使用壽命，還可以減少維護和更換頻率，提升輸送機的可靠性。

4.3 優化結構布局

在設計中，需要合理布局刮板輸送機的各個組成部分。特別是在狹窄的工作空間內，需要合理安排電機、減速機、滾筒和支撐架等組件，以確保整個輸送機的結構穩定性，同時提高其運輸效率。

5 結語

本次研究中，研究人員建立了一套完善的“三機”采煤設備配套優化的方法體系。該方法體系為急傾斜煤層的高效開采提供了技術支持，有望在實際生產中得到廣泛應用，提高采煤效率，減少礦井事故風險，促進煤礦行業的可持續發展。未來將繼續深化研究，完善“三機”采煤設備的配套優化，以應對不斷變化的挑戰和需求。