薄煤层采煤工作面中刮板输送机的主要问题及应对策略

2021-09-26郑小魁

机电工程技术 2021年8期

熊雷，苏畅，郑小魁

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

在煤矿采煤过程中，刮板输送机作为运输的不可替代性设备，对煤矿开采、运输的工作效率有着重大的影响作用，其是一种以挠性体为牵引机构的连续输送机械，既可用于水平运输，也可用于倾斜运输，是目前长壁式采煤工作面唯一的运输设备[1]。我国将煤层厚度分布在0.8～1.3 m 的煤层划为薄煤层，薄煤层地质条件和赋予情况，具有着高度的复杂性，在薄煤层开采应用过程中，对于普通中厚煤层开采技术来说，其适应性严重缺失[2]。现在我国刮板输送机的总体设计、制造水平已接近国外同期制造工艺，因此技术的进步能在确保刮板输送机持久、稳定运行的同时，解决刮板输送机在薄煤层工作面的各种问题也成为当务之急，以确保煤矿开采的效率和经济效益。

1 我国薄煤层刮板输送机的发展历程

我国对薄煤层的刮板输送机进行了很长时间的探索，发展历史如下。

从20世纪50年代初，我国就开始了薄煤层刮板输送机的研究制造，研发的输送机以轧焊刮板输送机为主，且总装功率在30 kW 以下，但当时薄煤层矿区的开采能力有限，已满足生产需求，代表型号为SGB420/20型。

至20 世纪70年代，由于原有轧焊刮板输送机总装功率小、承载能力差，已满足不了当时薄煤层开采量的需求，需要研发以大功率、大承载力为主的刮板输送机。20 世纪70年代中期研制的新型刮板输送机装机功率增至2×40 kW及2×75 kW，槽体宽度增加[3]，煤炭输送量也显著提高，代表型号有SGB620/40(80)和SGB630/150型。改进后的轧焊刮板输送机功率、承载力也基本满足当时薄煤层工作面开采运输的需求，但对于工作面的全机械化却没有广泛推进。

20世纪80年代，采煤技术不断更新换代，先进的采煤工艺带动工作面产量持续升高，薄煤层工作面的产量也得以增长，原先的轧焊刮板输送机已不能满足生产的需求。20 世纪80年代后期，我国研制配套的刮板输送机由轧焊刮板输送机转变为铸焊型刮板输送机[4]，代表型号有SGZ620/40(80)型，配套的采煤机和液压支架也不断改进，三机配套基本上实现了真正意义上的综采机械化[5]。虽然20 世纪80年代后期薄煤层刮板输送机得到巨大的发展，但当时国内煤矿开采重心全部投入中厚煤层的开采中，薄煤层的刮板输送机等机械装备发展趋于缓慢。

2 薄煤层采煤工作面中刮板输送机存在的主要问题

刮板输送机是高效综采工作面必不可少的连续运输机械设备，与采煤机紧密连接，承担煤料运送工作。刮板输送机运行过程中，主要承载运输结构有中部槽，由哑铃销连接，且中部槽在推溜过程时会产生纵向位移，相邻中部槽在多方向上有局部偏转。在刮板输送机横移过程中，开始由一节中部槽构成小“S” 弯，随后发展扩大到由推移步距和输送机自身结构确定的一定节数的中部槽构成的大“S” 弯，形成弯曲段[6]。如图1所示，1～12为中部槽的推溜顺序，采煤机割下的煤料落到中部槽上，经链条的带动从中部槽12 至1 的方向运输出去。

图1 推溜时刮板输送机的弯曲示意图

刮板输送机在薄煤层工作面的技术要求相比其他煤层要更高，输送机由于煤层采高的原因体积更小，质量减少，机身高度也低得多，但强度不能降低，寿命可靠性也有严格要求。因此刮板输送机在薄煤层采煤工作面中有许多问题需要优化解决，以提高采煤效率和经济效益。以下是刮板输送机在薄煤层采煤工作面上存在问题的几个方面。

2.1 高产方面

目前，国内外薄煤层采煤工作面使用的刮板输送机多为中厚煤层用刮板输送机的改良产品，机头、机尾的高度易造成采煤机在此处采煤卧底量不够，产生“三角煤” 等问题，需人工处理，生产效率较低[7]。相较于中厚煤层中高采高、超长工作面等高效综采工作面使用的刮板输送机，大多数薄煤层恶劣的开采环境对刮板机高产量的运输问题需求多方面的改进，此前的薄煤层开采高产、高效受到很大限制，使得煤产出量较低，一般只有中厚煤层的1/3。为保障刮板输送机在薄煤层工作面的高产，要求刮板机和采煤机成套系统高度集成，安全可靠，以达到高度自动化、常态化运行，提高生产效率目标。

2.2 超长工作面

薄煤层具有断层构造较多的特点，但也存在部分赋存条件好、工作面回采范围内几乎没有断层等复杂地质构造的优质薄煤层，可以实现超长工作面开采。随着采煤工作面的加长，采煤机循环割煤的出煤量也会有一定程度的增加，此时若刮板输送机达不到运输要求，容易导致刮板输送机链条松弛、断链停车，甚至导致刮板输送机压车过载、无法启动的问题。相对于普通长度薄煤层工作面，超长工作面可能会造成采矿场新的破坏和运动，对开采机械设备造成更大的负载和压力。在实际工作中，刮板输送机的链条张紧力会随着载荷大小及运行时间不断变化，使链条整段或局部松紧程度超出设计值[8]，因此薄煤层工作面的加长，对刮板输送机的运输能力是一项重要考验，影响超长工作面在薄煤层上的应用。

2.3 低采高工作面

从20世纪以来，我国薄煤层的开采工作进行的并不是太顺利，薄煤层因为没有很高的生产能力及多种其他因素的干扰，开采工作难以顺利进行，有时会把这部分资源丢弃，这是对资源的浪费[9]。薄煤层0.8～1.3 m 的煤层厚度采用低采高的工作面，刮板输送机也常因此出现过煤空间小、生产效率低和运煤能力差的问题。考虑到煤层厚度的变化、顶板下沉和浮煤等问题，其工作面高度会发生变化，且煤层开采时需要切割顶板、底板，因此煤层厚度不宜小于采煤机最小采高的110%～120%。薄煤层在开采过程中受其所在环境与空间的制约，相关设备安装操作难度大，工作人员活动范围狭小[10]，因此尽可能减小刮板机和采煤机配套工作后的采高，从而满足低采高工作面的高度需求。

3 薄煤层采煤工作面中刮板输送机存在问题的应对策略

3.1 高产方面

对于薄煤层采煤工作面中刮板输送机的高产问题有以下几点应对措施：实现三机一架及自动化系统高度集成，要求系统各种接口和通讯无缝链接，建立高度自动化运转常态化工作，使整套采煤系统高度集成，提高生产效率；对于刮板机内部设计优化，改换大功率减速器，专为刮板机应用设计制造，提高性能稳定性；采用的链轮抽组寿命为国产同类产品两倍以上，减少配件更换频率；使用加强型椎头加工型中部槽，提高蛇形弯曲过程中的槽间对齐能力，板和压板采用粗牙型安全锁紧螺母固定，使用过程中免维护，减少故障；刮板机采用变频调速技术使链速动态可调，以实现恒定煤流运输，优化生产能力；智能化服务实时监控设备运行状态，提供故障预测和生产力分析。

随着第五代移动通信技术（5G）的发展，其高传输速度、低时延、低功耗、大规模数据连接等优势，为井下海量数据的高速传输、大规模设备连接、不同设备之间的实时互联互通等提供了可能[11]。通过5G技术生态，可以实现地面对工作面地质多维数据、工作面环境监测数据、高清视频监控数据等海量数据进行及时处理反馈，可实现刮板机在工作面的自动找直，通过获取采煤机、刮板输送机、液压支架等信息，构建面向5G的井下一体化定位系统，降低刮板输送机运行误差范围，实现刮板输送机运行高效稳定。

3.2 超长工作面

薄煤层对超长工作面应用的关键是刮板输送机的运输效率，对刮板输送机改良可以参考以下策略：世界现有超过400 m超长高产工作面的薄煤层刮板输送机均采用高强度、高寿命的材料部件，既能延长刮板机使用寿命，较普通刮板输送机使用年限更久，又无需频繁更换零件以降低故障率；对刮板输送机的电机功率和链条拉力进行计算，提供最佳设备配置，加入刮板输送机卓越的链条管理和链条自动张紧技术，解决薄煤层超长工作面刮板输送机容易链条松弛和振荡问题；刮板机系统集成的传动部件包括智能限矩器和高强度宽带链技术进行更新迭代，能提供最大压车启动能力；刮板输送机和采煤机联动，链速动态控制，反馈采煤机减速，避免超长工作面的煤流过大导致压车故障。

针对超长工作面长度大、刮板运输机负荷较大的特点，减少刮板机的弯曲段的弯度，避免出现急弯，同时可以控制推溜距离，适当加大刮板机的弯曲段长度，减少刮板机的机械运转阻力。薄煤层工作面长度的增加，提高工作面的有效开机率，提高工作面的单产水平，薄煤层煤矿每吨煤产煤成本得以降低，经济效益显著提升。

3.3 低采高工作面

薄煤层煤矿煤层厚度处于0.8～1.3 m，采用低采高的工作面。由于开采高度低，在选用采煤机和刮板输送机配套使用时，还要留有足够的操作空间给相关操作人员。采煤机矮机身结构和刮板机低断面溜槽配套，刮板输送机采用宽带链低断面结构，降低中部槽的高度，提高过煤空间。在刮板输送机上做出优化，刮板机中部槽低高度装煤铲板，弥补低采高采煤机滚筒小的不足，提高装煤能力；刮板机机尾采用低高度结构，提高采煤机对机尾底板和煤壁割透能力；刮板机机头采用球形哑铃销与过渡槽连接，适应机头区域坡底起伏；对刮板机和转载机卸载口采用煤流仿真设计，减少回头煤，提高卸载能力，这有利于提高生产效率，改变低采高工作面运煤能力差的问题。