近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”原因分析与调控方法

2022-08-24焦渭涛

煤炭工程 2022年8期

王震，焦渭涛

(华亭煤业集团华亭煤矿，甘肃华亭 744100)

综采面刮板输送机既是煤流输出的源头，也是采煤机运行的轨道，是当前采煤工艺中最重要的设备之一。综采面刮板输送机的正常运转是综采面安全高效回采的关键，对提高综采面开机率，降低劳动强度，提高生产效率具有重要意义。

自“十三五”以来，我国煤炭行业自主创新能力得到了大幅提升，实现了从跟踪、模仿到部分领域并跑，领跑的转变，取得了突出的成就[1]。与之对应的是综采面刮板输送机的研究多集中于对刮板输送机智能化控制以及刮板输送机机械性能的研究[2-6]。王世博等[7]结合综采面采煤工艺利用刮板输送机检测轨迹，建立了刮板输送机调直方法，实现了在综采面不停机情况下的刮板输送机连续调直；孙远敬等[8]分析了刮板输送机的张力计算及刮板输送机运行中的链条张力分布，并设计了刮板输送机链条张力检测系统及其自动控制调节系统，实现了刮板输送机链条张力的实时检测和控制；乔红兵等[9]针对刮板输送机液力耦合器组控制系统难以对其运行参数进行有效监控问题，设计了一种基于MCGS组态技术的刮板输送机液力耦合器组控制系统，实现了刮板输送机运行数据的实时采集、处理、超限报警及工作控制；贠东风等[10]分析了大倾角综采面刮板输送机在现场实践中的应用效果，并提出了大倾角综采面刮板输送机的持续改进情况。

目前，长壁采煤方法中，刮板输送机“上窜下滑”现象一直困扰着综采面安全高效开采。国内学者对工作面刮板输送机“上窜下滑”相关研究如下：张科学等[11]采用现场调研、力学分析和工业性试验相结合的方法，得出了刮板输送机发生“上窜下滑”和不发生上窜或下滑的力学条件，提出了工作面联合调斜控制技术原理及综采智能化工作面基于实时推进度监测的调斜控制技术；赵启安等[12]分析了综采工作面刮板输送机、支架窜动的原因及其造成的后果，阐述了刮板输送机的运行推移是工作面设备窜动的主要原因；牛剑峰[13]对设备“上窜下滑”的主要原因进行了阐述，介绍了综采工作面伪斜控制的基本工作原理，并提出使用激光对位传感器和行程传感器等进行工作面自动调斜控制；马昆等[14]研究分析了大倾角工作面支架防倒防滑以及刮板输送机“上窜下滑”自动化控制的重难点，建立了刮板输送机“上窜下滑”工艺管控策略数据模型及工艺控制逻辑体系；员东风等[15]阐述了大倾角煤层关于调伪仰斜的4个定义，论述并证明了4个伪仰斜推溜定理，为倾斜工作面控制刮板输送机“上窜下滑”提供了理论指导；张金福[16]通过对大倾角状态下工作面刮板输送机的受力状态进行分析，提出了控制工作面刮板输送机下滑的具体措施；范志忠[17]对大倾角大采高伪斜工作面设备“上窜下滑”机理进行了分析，得出煤层倾角越大，则适用伪斜的角度比例越小，不能通过单纯增大伪斜角度解决设备“上窜下滑”问题的结论；张文涛等[18]分析了单斜构造综采工作面刮板运输机“上窜下滑”产生的原因和危害，给出了刮板运输机“上窜下滑”的判断依据，提出了控制刮板运输机“上窜下滑”的技术措施；刘建辉[19]通过对近水平工作面刮板输送机进行受力分析，得出刮板输送机受力不平衡是造成刮板输送机“上窜下滑”的主要原因，并提出了工作面伪倾斜开采是控制刮板输送机“上窜下滑”的主要技术措施；白晓生等[20]结合工作面实际生产经验，分析了刮板输送机“上窜下滑”的原因和影响，提出了通过工作面调斜方式防控刮板输送机“上窜下滑”的方法，并改进了适合本矿区煤层工作面开采条件的调斜距离计算公式；仝泽文等[21]分析了旗山煤矿1124与1123缓倾斜相邻综采面(煤层倾角平均10°)刮板输送机“上窜下滑”的主要原因，并提出了解决对策。

综合国内学者对综采工作面刮板输送机“上窜下滑”的相关研究表明：大多数研究集中于倾斜工作面刮板输送机“上窜下滑”机理分析与控制技术，以及倾斜工作面刮板输送机的智能化控制，遗憾的是，知网检索近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”机理分析及如何调整的研究文献极少。因此，针对近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”进行多角度研究显得尤为重要。

1 工程概况

华亭煤矿250107-1综采面东部为250106-1综采面采空区，西部为未采实体煤，综采面局部地段为强冲击地压危险区域。250107-1综采面走向可采长度为2100m，宽度为200m，平均分层煤厚为12.1m，综采面煤层倾角5°～7°，设计采高3.5m，采放比为：1∶2.46。该综采面采用下行通风，倾斜分层长壁俯斜全部垮落采煤方法，端部斜切进刀的方式回采。250107-1综采面主要生产设备名称、型号、数量见表1。

表1 250107-1综采面主要设备

250107-1综采面共有117副支架，从综采面机头至综采面机尾支架依次编号为001、002、…、116、117，其中编号001、002、003支架为综采面机头3副过渡架，编号004、005、…、112、113为综采面中部基本架，机尾编号114、115、116、117支架为综采面机尾4副过渡架。ZFT18376/24/38D型端头架布置于综采面运输隅角。

2 近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”的危害

近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”是指在长壁采煤方法中，由于回采工艺不恰当，致使工作面刮板输送机整体向工作面上、下出口产生位移的现象。刮板输送机“上窜下滑”造成的危害如下。

2.1 工程质量差

由于推移杆对支架拉移起导向作用，刮板输送机“上窜下滑”严重时会导致液压支架推移杆偏斜，进而导致支架位态不正，支架排列不整齐，严重影响生产质量标准化达标。生产现场液压支架推移杆偏斜如图1所示。

图1 液压支架推移杆偏斜

工作面正常回采过程中，支架推移杆与液压支架底部耳座的间隙均匀一致，并且推移杆垂直刮板输送机中部槽。图1中推移杆与支架底部左耳座的间隙较大，与右耳座的间隙较小，说明刮板输送机整体向支架右部移动。若近水平工作面出现图1这种情况，随着工作面的持续推进，液压支架也会逐渐出现歪斜。关于刮板输送机“上窜下滑”与液压支架位态的关系将在下文中作进一步描述。

2.2 煤流运输不畅

本文中所述上窜是指综采面前部刮板输送机向综采面机头移动，下滑指刮板输送机向综采面机尾移动。综采面刮板输送机上窜严重时，致使刮板输送机机头与转载机搭接不合理，刮板输送机机头与转载机内沿挡煤板之间的空间缩小，极易卡住大块煤炭，导致煤流运行不畅，综采面生产效率急剧下降。刮板输送机机头与转载机相对位置如图2所示。

图2 刮板输送机机头与转载机相对位置

另外，刮板输送机上窜严重时也会影响转载机后部煤流运输，当后部刮板输送机煤流中的大块煤炭转至转载机后，会卡在综采面前部刮板输送机机头减速机下部，致使转载机后部煤流堵塞，甚至造成煤流涌入过渡架(编号001支架)底座及相邻的过渡架，严重时造成刮板输送机机头减速机下部的磨损。

250107-1综采面刮板输送机下滑严重时，刮板输送机机头与转载机内沿挡煤板之间的空间增大，粉细煤极易随着刮板进入刮板输送机中部槽底部，俗称“倒拉煤”现象，“倒拉煤”严重时，刮板输送机局部段中部槽会被粉细煤卡住，导致刮板输送机无法高效运转。

2.3 生产效率低

在刮板输送机上窜严重时，机尾编号117支架与煤柱侧无支护空间增大，安全隐患大，增加了打设抬棚支护工序，降低了综采面生产效率。当刮板输送机下滑严重时会导致编号117支架与煤柱侧空间缩小，严重时117支架紧贴煤柱侧，不仅造成回风隅角风流不畅，瓦斯含量升高，而且机尾过渡架相互挤压，拉移困难，特别是117支架在拉移过程中易造成煤柱侧煤帮垮落，需要对117支架侧煤柱巷帮重新联网支护。除此之外，刮板输送机“上窜下滑”严重时，采煤机行驶范围有限，采煤机滚筒难以有效截割综采面两端头煤帮，增加了人工落煤工序，严重降低了生产效率。

3 近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”原因分析

250107-1综采面回采期间反复出现刮板输送机“上窜下滑”现象，严重影响综采面安全高效开采。通过结合现场实际，从刮板输送机推移方式分析刮板输送机“上窜下滑”原因。

3.1 近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”机理

目前综采面一般采用采煤机割煤→追机移架→推移前部刮板输送机的回采工艺，随着采煤机割煤和支架的拉移，刮板输送机推移弯曲段不断跟随采煤机前移，当完成一个完整的割煤工序，整个刮板输送机所有中部槽均推移到位。综采面设备运行状况良好时，正常回采工艺如图3所示。

图3 综采面回采工艺

由图3可知，综采面支架、刮板输送机是一整体系统，在综采面刮板输送机推移过程中，刮板输送机整体不能一次推移到位，其中部槽作圆弧运动。实践表明，刮板输送机弯曲度越大，刮板输送机的“上窜下滑”越严重。综采面正常回采过程中，刮板输送机推移过程分析如图4所示。

图4 刮板输送机推移过程分析

图4(a)中，刮板输送机A点推移量最大，O点推移量最小；弧AB是推移刮板输送机所形成的弧长；OB是刮板输送机推移段长度l；BC为刮板输送机推移步距d；∠AOB为刮板输送机弯曲度(刮板输送机相邻中部槽弯曲度不大于3°)；OO′为∠AOB角平分线；△l为刮板输送机上窜或下滑微量(简称偏移微量，下同)。图4(b)中，F1为在刮板输送机推移过程中，来自邻近中部槽的侧推力；F2为液压支架通过推移杆传递给中部槽的推力。

在图4(a)中，由几何关系知：△BOO′与△ABC为相似三角形，即得，

由此可知，在忽略浮煤堆积，中部槽、推移杆弹性变形等条件下，刮板输送机推移过程中由于部分中部槽转动，单节中部槽客观存在偏移微量是导致刮板输送机“上窜下滑”的根本原因。近水平综采面采用单向割煤的方式回采，刮板输送机每推移一个步距，刮板输送机整体会沿着推移方向产生偏移微量△l，偏移微量△l与推移步距d、中部槽之间的夹角α成正比。

通过对刮板输送机推移过程的分析，可得出单向割煤、推移刮板输送机不仅会产生偏移微量△l，而且中部槽在被推移过程中的圆弧转动会对邻近中部槽产生侧推力F1(参见图4(b))，进一步加剧刮板输送机的上窜或下滑。

综采面长时间单向割煤，刮板输送机必然单一方向推移，如果忽视单一方向推移刮板输送机造成的偏移微量，随着综采面的持续推进，刮板输送机偏移微量会累计叠加出现宏观上的“上窜下滑”。与此类似，综采工作面采用U型通风方式时，为了防止回风隅角瓦斯积聚，常采用插帮割煤的方式使工作面回风巷推进超前运输巷(插帮割煤即采煤机从工作面中部连续斜切进刀，使得工作面运输巷超前或滞后回风巷的割煤方式)。由于插帮割煤伴随着工作面一端刮板输送机推移，因此插帮次数越多，综采面一端累计推移量越大，刮板输送机偏移微量累计效果越明显。

因此，对于近水平综采工作面生产，双向割煤是控制刮板输送机“上窜下滑”的关键。双向割煤、双向推移刮板输送机能有效抵消单一方向推移刮板输送机产生的偏移微量△l，也能抵消推移刮板输送机过程中对邻近中部槽产生的侧推力。

3.2 推移杆对刮板输送机“上窜下滑”的影响

近水平综采面刮板输送机整体“上窜下滑”、支架歪斜是随着综采面推进，刮板输送机偏移微量△l长期累积叠加的结果。刮板输送机“上窜下滑”、支架歪斜演变的过程如图5所示。

图5 刮板输送机“上窜下滑”、支架歪斜演变

图5中，正常状态下推移杆平行于支架，垂直于刮板输送机中部槽，综采面正常回采；刮板输送机下滑前期，推移杆偏向刮板输送机“上窜下滑”方向，支架仍垂直刮板输送机中部槽；刮板输送机下滑后期，不仅推移杆偏向刮板输送机“上窜下滑”方向，而且支架整体出现歪斜，偏向刮板输送机“上窜下滑”方向。

刮板输送机“上窜下滑”、液压支架歪斜的原因主要是液压支架与刮板输送机通过推移杆连接，推移杆对液压支架拉移、刮板输送机推移起导向作用，刮板输送机的持续性下滑，必然导致推移杆偏斜。在综采面移架过程中，推移杆对支架的拉力方向与支架正常前移的方向出现夹角，致使支架逐渐出现朝向刮板输送机“上窜下滑”方向歪斜，随着综采面的持续推进，支架歪斜现象愈加明显，进入刮板输送机下滑后期；同理，在推移刮板输送机过程中，由于推移杆偏斜，推移杆对中部槽产生沿着刮板输送机“上窜下滑”方向的分力，进一步加剧刮板输送机“上窜下滑”。推移杆对液压支架、刮板输送机中部槽的力学作用如图6所示。

图6 推移杆对液压支架、刮板输送机中部槽的力学作用

图6中，F拉为推移杆对液压支架的拉力；F推为推移杆对刮板输送机中部槽的推力；β为推移杆与刮板输送机中部槽垂直方向的夹角；F3为推移杆拉架力在垂直中部槽方向的分力；F4为推移杆拉架力沿着刮板输送机“上窜下滑”方向的分力；F5为刮板输送机推力在垂直中部槽方向的分力；F6为推移杆推力沿着刮板输送机“上窜下滑”方向的分力。

通过图6分析发现，近水平综采面随着刮板输送机“上窜下滑”的加剧，推移杆出现偏斜，在推移刮板输送机、移架过程中，刮板输送机“上窜下滑”、支架歪斜将呈复杂非线性恶化。因此，推移杆偏斜是造成刮板输送机加速“上窜下滑”、支架歪斜的根本原因。

4 近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”调控方法

通过对近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”原因的分析，结合工程实际，具体可通过调节伪斜、单体柱辅助推移刮板输送机、变换刮板输送机推移方向等方式达到控制刮板输送机“上窜下滑”的目的。

4.1 调节伪斜

伪斜是指走向长壁采煤方法中，工作面进风巷超前或滞后回风巷时，两端头在空间上的方位称为伪斜。依据前文近水平综采面刮板输送机“上窜下滑”机理分析，针对250107-1综采面刮板输送机反复“上窜下滑”，在工程实践中采取调节伪斜的方法加大综采面一端刮板输送机推移量。具体方法是通过在机头单方向插帮割煤，并逐渐加大插帮长度，使刮板输送机在推移过程中沿着上窜相反方向产生累计下滑微量△l，并对邻近中部槽产生上窜相反方向的侧推力，迫使综采面刮板输送机整体向机尾方向移动；同理，当综采面刮板输送机下滑时，通过在机尾单向插帮割煤以控制刮板输送机持续下滑。

4.2 单体柱辅助推移刮板输送机

推移杆偏斜是刮板输送机“上窜下滑”加剧的最直接原因，因此，在移架、推移刮板输送机过程中可通过单体柱限制推移杆来减缓刮板输送机的“上窜下滑”、缓解支架歪斜。限制支架推移杆偏斜的具体方法是将单体柱柱底靠在推移杆与中部槽连接处，柱头紧靠液压支架底座，在推移刮板输送机中部槽的同时给单体柱注液，迫使刮板输送机中部槽向“上窜下滑”的相反方向移动。单体柱辅助推移刮板输送机如图7所示。

图7 单体柱辅助推移刮板输送机

注意事项为利用单体柱辅助调节刮板输送机“上窜下滑”的前提条件是必须确保单体柱柱底、柱头稳固，防止注液过程中单体柱弹射伤人。

4.3 侧护板调节支架位态

近水平综采面液压支架侧护板主要功能是封堵架缝间隙，防止顶煤向支架冒落伤人。除此之外，侧护板还具有导向、调架功能，通过侧护板的伸、缩调整支架方向，控制支架位态，达到间接控制刮板输送机“上窜下滑”的目的。

利用支架侧护板调节支架位态减缓刮板输送机“上窜下滑”的具体方法是保证邻架充分接顶，且具有一定的支撑压力，本架移架过程中邻架伸出侧护板，朝着刮板输送机“上窜下滑”的相反方向挤压本架。工程实践中，通过侧护板的调架功能，支架歪斜现象得到了缓解，也减小了推移杆与综采面推进方向的夹角，一定程度上控制了刮板输送机的“上窜下滑”。

4.4 变换刮板输送机推移方向

当调整综采面刮板输送机至搭接合理时，为预防刮板输送机“上窜下滑”现象再次出现，可采用双向割煤的回采工艺，确保综采面双向推移刮板输送机，避免单一方向推移刮板输送机造成偏移微量的累积叠加，同时抵消推移过程中对邻近中部槽产生的侧推力。

另外每班生产期间，通过测量刮板输送机机头与转载机内沿挡煤板距离观察刮板输送机上窜或下滑量，相应地采取措施，达到修正刮板输送机机头与转载机搭接合理的目的。

4.5 偏移转载机

综采面刮板输送机“上窜下滑”严重，调整困难时，可采取偏移转载机的方式临时性保证煤流畅通，采用柔性方法逐渐调节刮板输送机至运行正常。具体方法是当刮板输送机上窜严重时，利用单体柱将转载机适当偏移，使其远离综采面刮板输送机机头，增大煤流转载空间。同样，当综采面刮板输送机下滑严重时，刮板输送机机头与转载机搭接空间大，刮板输送机易出现“倒拉煤”现象，可将转载机向综采面内偏移，以减小刮板输送机与转载机的搭接空间，减少“倒拉煤”现象，确保煤流运输正常。