劉 程，楊文明，楊元凱，張立超

鄭州煤礦機械集團股份有限公司 河南鄭州 450010

所 謂“三軟”煤層是指頂板軟、煤層軟、底板軟 的煤層，為典型的難開采煤層。該類型煤層主要分布在徐州礦區(qū)、豫西煤田及云貴礦區(qū)，煤層地質(zhì)構(gòu)造復雜，煤層及頂?shù)装鍢O軟，走向起伏較大，開采中存在諸多難題[1-2]，如頂板冒落、煤壁易片幫、液壓支架底座易扎底等問題[3-4]。其中，漂溜 (即刮板輸送機中部槽上飄) 問題，是常見的影響生產(chǎn)的難題。刮板輸送機在推移過程中，由于底板及煤層賦存等原因，致使中部槽下面墊有浮煤，且在推進過程中越積越厚，導致生產(chǎn)停滯[5]。筆者以西南某礦 110701 工作面為例，分析生產(chǎn)過程中漂溜產(chǎn)生的原因，提出可行的工藝應對措施。繼而在該礦的第 2 套設備配套設計過程中，通過采取針對性措施，在現(xiàn)有設備的基礎上進行優(yōu)化改進，提升了綜采設備與地質(zhì)條件的適應性，從而極大緩解了生產(chǎn)過程中的漂溜問題。

1 工作面概況

該礦 7 號煤層 110701 工作面煤層厚度為 1.05～ 2.24 m，平均厚度為 1.68 m，結(jié)構(gòu)比較簡單，一般含 2 層高嶺石泥巖夾矸；頂板以灰色泥巖、粉砂巖為主，夾薄煤或炭質(zhì)泥巖；底板主要為灰色、淺灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細砂巖夾泥巖及炭質(zhì)泥巖；煤層傾角為 7°～ 15°，一般約為 10°，堅固系數(shù)為 0.18～ 0.30。工作面夾矸較少，瓦斯含量低，整體可采。

7 號煤層 110701 工作面第 1 套在用的主要配套設備如表 1 所列。

表1 110701 工作面主要配套設備Tab.1 Main matching equipments on work face 110701

2 漂溜問題的分析及應對措施

2.1 工作面推進現(xiàn)狀

該工作面設備在使用過程中，煤層推進方向起伏角度大于 7°。在生產(chǎn)過程中，為盡量提高采出率，工作面需要沿著煤層起伏推進。因此在下坡開采過程中，存在嚴重的漂溜問題。110701 工作面的開采實況如圖 1 所示。隨著開采的推進，漂溜情況日益嚴重，導致工作面推進速度低，每天割煤不足 1 刀。

圖1 110701 工作面開采實況Fig.1 Actual mining status of work face 110701

2.2 原因分析

正常生產(chǎn)情況下，刮板輸送機水平狀態(tài)推進，中部槽受力如圖 2 所示[6]，圖 2 中A為鏟煤板尖點，B為刮板輸送機后部與底板接觸點，F(xiàn)A、FB分別為A、B點處底板對刮板輸送機的支撐反力，G為中部槽重力，F(xiàn)1為液壓支架推移刮板輸送機的力，F(xiàn)2為推移刮板輸送機時的水平負載，H1為刮板輸送機推移點與底板的高度，H2為水平負載作用點與底板的相對高度，H3為鏟煤板臥底量，L2為B點距離刮板輸送機中心線的水平距離，α為斜長孔上推移點與A點的連線與水平的夾角。對B點取轉(zhuǎn)矩，中部槽受力平衡，

圖2 中部槽受力示意Fig.2 Force sketch of middle trough

對特定的刮板輸送機，F(xiàn)1、F2、G為定值，刮板輸送機的寬度及鉸接槽尺寸決定著FA的方向及大小。若FA＜0，就會產(chǎn)生漂溜情況。

由于該煤層賦存不均勻，“三機”設備在使用過程中，刮板輸送機回采走向隨著煤層走勢變化，工作面經(jīng)常出現(xiàn)急傾俯采狀態(tài)，液壓支架與刮板輸送機的空間關系如圖 3 所示。液壓支架推桿施加于中部槽的推力F1致使其下扎，刮板輸送機前端上翹，導致負載F2由水平變?yōu)樾毕蛏希Ρ跦2也會加大。刮板輸送機前端上翹也造成浮煤竄入中部槽下方。若浮煤清理不及時，會造成浮煤越積越厚，進一步加劇了中部槽上漂。

圖3 工作面俯采狀態(tài)時液壓支架與刮板輸送機的空間關系Fig.3 Spatial relationship between hydraulic support and scraper conveyor while work face being depression mined

液壓支架底座狀態(tài)如圖 4 所示，在俯采狀態(tài)下，液壓支架推桿與底座前過橋之間沒有間隙，即推桿沒有調(diào)節(jié)的空間，因此中部槽會維持上述受力狀態(tài)，前端一直上翹。同時，因“三軟”煤層的特性，煤層底板偏軟，加上跑冒滴漏等現(xiàn)實原因，煤質(zhì)存在遇水泥化現(xiàn)象，隨著液壓支架向前推移，液壓支架底座一直下陷，導致推桿與底座前過橋一直緊貼，推桿沒有調(diào)節(jié)空間，漂溜問題會愈發(fā)嚴重。

圖4 液壓支架底座狀態(tài)Fig.4 Status of pedestal of hydraulic support

2.3 臨時性工藝措施

為保證工作面持續(xù)推進，采取了多項臨時工藝措施，綜合解決飄溜問題。

(1) 采用人工輔助，清理刮板輸送機前端堆煤及下方積煤。遇到嚴重情況的，將刮板輸送機前端挖空 0.8 m 以上，強制將中部槽調(diào)平，這在一定程度上可以緩解漂溜現(xiàn)象。

(2) 液壓支架執(zhí)行降-移-升循環(huán)時，在完成抬底動作之后，人工輔助在底座前端墊入方木，將支架底座墊起，這樣，底座前過橋與推桿之間就出現(xiàn)調(diào)整空間，有利于將中部槽推平，如圖 5 所示。

圖5 底座前端墊方木Fig.5 Padding of wood block in front of pedestal

(3) 在刮板輸送機前移過程中，執(zhí)行推移刮板輸送機動作時，在刮板輸送機與頂板之間撐上單體柱，也可有效避免中部槽前端上翹，如圖 6 所示。單體柱的方向應向前傾斜，在液壓支架移架過程中，單體柱對中部槽前端產(chǎn)生一個大的壓力，防漂溜效果更好[7]。

圖6 刮板輸送機前端打單體支柱Fig.6 Piling of single prop in front of scraper conveyor

3 “三機”設備層面改進解決方案

由于礦方需要重新訂購 1 套“三機”設備，型號與第 1 套相同。為從根本上避免漂溜問題，設計時從設備配套層面采取改進措施。

3.1 將推桿由整體式改為分體式

推桿可分為整體推桿和分體推桿，如圖 7 所示。整體推桿為一體化結(jié)構(gòu)，而分體推桿由前推桿及后推桿 2 部分組成，中間采用鉸接軸連接。整體推桿使用簡單，適合地質(zhì)條件平緩的工作面，即刮板輸送機中部槽長期水平推進，整體開采效率較高。針對該工作面情況，將整體推桿改為分體推桿，前、后推桿采用鉸接結(jié)構(gòu)，上下擺動的范圍更大，推桿更加適應底板的起伏[8]。

圖7 推桿結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structural sketch of pushing rod

3.2 優(yōu)化液壓支架底座前過橋尺寸

推桿上沿與底座前過橋的下沿之間的間隙，是推桿可以自由調(diào)整的空間，如圖 8 所示。在“三軟”地質(zhì)條件下，液壓支架底座前端底板存在下陷時，該間隙會變小，極端條件下該間隙甚至為 0。常用的設計思路是增大該間隙[9]。底座的前過橋由主肋板與貼板拼焊而成，在保證底座結(jié)構(gòu)強度的前提下，將總的板厚由 70 mm 增加到 80 mm，從而將推桿與前過橋下端間隙由常規(guī)的 170 mm 增加到 195 mm，這就增大了推桿可調(diào)節(jié)的自由空間。

圖8 底座前過橋與推桿的間隙Fig.8 Gap between front bridge of pedestal and pushing rod

3.3 降低底座平均比壓

由于工作面底板軟，且遇水泥化，因此降低底座比壓就可緩解底座下陷。支架底座可分為底分式與整體式 2 種結(jié)構(gòu)[10]，如圖 9 所示。底分式底座推移裝置處浮煤較少，不需要人工清理，但底座與底板的接觸面積小，底座前端比壓大，容易造成底座下陷。因此將原底分式底座改為整體式底座，以增大底板面積，降低底座比壓。同時，適當增大底板寬度，可有效降低底座比壓[11]，故將支架的總寬由 1 300 mm 增加到 1 350 mm。通過以上 2 種措施，將底座比壓由 1.33～ 1.71 MPa 降低到 1.21～ 1.60 MPa，降低了底座下陷的程度。

圖9 底座結(jié)構(gòu)形式Fig.9 Structural type of pedestal

3.4 優(yōu)化刮板輸送機結(jié)構(gòu)細節(jié)

國內(nèi)存在不少因刮板輸送機鏟板角及推移孔設計不合理而造成嚴重漂溜的先例。本次配套時針對中部槽做了 2 方面的優(yōu)化，如圖 10 所示。將前部鏟板角由 9°改為 16°，這樣可減少刮板輸送機臥底阻力，也可提升裝煤效果；同時將刮板輸送機后部與液壓支架推桿鉸接處的推移長圓孔由 51°改為 59°，在推移刮板輸送機時，刮板輸送機前端所受下切力分力更大，有效抑制了溜槽前部上翹。

圖10 刮板輸送機的鏟板角與推移點斜角Fig.10 Scraping angle and obliquity of pushing point of scraper conveyor

3.5 優(yōu)化后的使用效果

經(jīng)過對液壓支架與刮板運輸機結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化，該工作面的第 2 套一體化“三機”設備自 2021 年 5 月下井使用，整體使用效果良好，漂溜問題基本上得到了解決，實現(xiàn)了常態(tài)化每天割 5 刀的開采效率。

4 結(jié)語

通過對 110701 工作面綜采“三機”設備的受力分析，找出了刮板輸送機產(chǎn)生漂溜的原因。采用人工輔助打單體支柱、墊方木等臨時生產(chǎn)工藝措施，解決了困擾礦方的生產(chǎn)難題，保證了工作面的持續(xù)推進。針對礦方的第 2 套設備，在“三機”配套階段，通過對液壓支架底座、推桿結(jié)構(gòu)及刮板輸送機結(jié)構(gòu)細節(jié)的調(diào)整，提高了設備對“三軟”煤層的開采適應性，從根本上解決了漂溜問題，提高了生產(chǎn)效率。

“三軟”煤層導致的漂溜難題，在現(xiàn)實生產(chǎn)中具有普遍性。該臨時工藝措施及從配套層面對設備的優(yōu)化改進具有很強的現(xiàn)實意義，可供后續(xù)設備設計者借鑒。