張嘉巋,李 鐵,賈春濤,雷 鳴,彭 湃,李曉璐

(潞安化工集團(tuán) 潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036700)

煤炭是我國(guó)的主體能源之一,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著壓艙石的作用。2022年,全國(guó)原煤產(chǎn)量45.6億噸,較2021年增長(zhǎng)10.5%[1]。截至2023年9月底,我國(guó)生產(chǎn)原煤34.4億噸,同比增長(zhǎng)3.0%.進(jìn)口煤炭3.5億噸,同比增長(zhǎng)73.1%[2]。其中,山西省原煤產(chǎn)量達(dá)10.143 97億噸,較上一年同期增長(zhǎng)4.5%[3]。

在井工煤礦開(kāi)采過(guò)程中,傾斜煤層工作面前部刮板輸送機(jī)自身結(jié)構(gòu)很難保持穩(wěn)定。隨著工作面不斷向前推進(jìn),前部刮板輸送機(jī)在重力作用下并不一定發(fā)生下滑,也會(huì)出現(xiàn)上竄現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,多次停機(jī)處理“拉回煤”、“轉(zhuǎn)載搭接”等問(wèn)題,頻繁加減溜槽加重了檢修班工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,影響了生產(chǎn)班開(kāi)機(jī)率;而煤層傾角越大,控制前部刮板輸送機(jī)越困難。

張科學(xué)等[4]針對(duì)工作面前部刮板輸送機(jī)的力學(xué)行為進(jìn)行闡述,分析出前部刮板輸送機(jī)發(fā)生與不發(fā)生上竄或下滑的力學(xué)條件;劉建輝[5]對(duì)工作面前部刮板輸送機(jī)進(jìn)行了受力分析,將偽傾斜開(kāi)采在1412(3)工作面進(jìn)行實(shí)踐并取得成效;趙啟安等[6]將激光定位法應(yīng)用于18107工作面,有效掌握了工作面前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”量;劉世峰等[7]提出了巷道中線控制法、液壓支架推移桿觀察法兩種刮板輸送機(jī)“上竄下滑”判斷方法;張文濤等[8]提出基準(zhǔn)線參照法,基準(zhǔn)線平行于巷道中線,懸掛鉛垂線的方式對(duì)刮板輸送機(jī)機(jī)頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);馬昆等[9]提出在刮板輸送機(jī)機(jī)頭交叉?zhèn)刃短?、轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)料口靠上幫處加裝超聲波測(cè)距裝置用于判斷刮板輸送機(jī)“上竄下滑”情況;白曉生等[10]對(duì)現(xiàn)有的刮板輸送機(jī)“上竄下滑”觀測(cè)方法進(jìn)行總結(jié),并根據(jù)實(shí)際情況修正調(diào)斜經(jīng)驗(yàn)公式;張帥等[11]在對(duì)刮板輸送機(jī)“上竄下滑”控制技術(shù)研究中指出,工作面刮板輸送機(jī)是彎曲蛇形推進(jìn)的;梅伏萍等[12]提出增加中部槽、液壓支架與底板的接觸面積,采用1 750 mm較1 500 mm規(guī)格中部槽有明顯優(yōu)勢(shì);程昆坡等[13]從工作面傾角、支架與刮板輸送機(jī)位置、采斜、推移刮板輸送機(jī)方向、采煤機(jī)截割方向、刮板輸送機(jī)張力、采煤工作面面長(zhǎng)變化及底板平直等方面分析了刮板輸送機(jī)“上竄下滑”原因。

眾多學(xué)者在刮板輸送機(jī)“上竄下滑”問(wèn)題上進(jìn)行了相關(guān)研究,并取得了大量研究成果。本文在前人研究基礎(chǔ)上,以潞安化工集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司11501工作面為工程背景進(jìn)行研究,嘗試采用一種新方法用于預(yù)測(cè)前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”,研究成果用于指導(dǎo)11501工作面后續(xù)正常生產(chǎn)。

1 工程概況

潞安化工集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司11501綜放工作面位于11采區(qū)5號(hào)煤層,地面標(biāo)高1 711～1 800 m,井下標(biāo)高1 293～1 454 m.運(yùn)輸巷走向長(zhǎng)度為1 383 m,回風(fēng)巷走向長(zhǎng)度為1 229 m,切眼長(zhǎng)度為177 m(斜長(zhǎng)189 m),平均傾角24°.煤層厚度為7.3～15.8 m,平均厚度為13.2 m,煤層普氏系數(shù)f=1.5,工作面易片幫、冒漏,支架經(jīng)常采取超前移架支護(hù)措施,工作面直線度較差,管理難度大。前部刮板輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)“上竄下滑”現(xiàn)象,嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2 “雙機(jī)”耦合研究分析

“三平兩直”對(duì)刮板輸送機(jī)、液壓支架的直線度提出了要求。在偽斜放頂煤工作面下,液壓支架在不斷前移的過(guò)程中易出現(xiàn)不同程度的調(diào)向,前部刮板輸送機(jī)在被推移后局部段產(chǎn)生不同程度的彎曲,整體直線度不理想。在大量生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),單獨(dú)把控前部刮板輸送機(jī)、液壓支架直線度效果并不理想。例如:工作面某一段前部刮板輸送機(jī)變彎曲,而支架在移架的過(guò)程中,仍可以保證其與鄰架的直線度;前部刮板輸送機(jī)直線度較好,而工作面局部分段支架仍會(huì)出現(xiàn)不同程度的調(diào)向,支架直線度較差。因此,僅關(guān)注前部刮板輸送機(jī)直線度或液壓支架直線度對(duì)于保障工作面工程質(zhì)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,兩者在偽斜工作面下很難保持同步狀態(tài)。

本文提出“雙機(jī)”耦合相對(duì)直線度的概念,即:將前部刮板輸送機(jī)與液壓支架各自的直線度進(jìn)行耦合,將液壓支架推移桿與相對(duì)應(yīng)的前部刮板輸送機(jī)溜槽兩者間的夾角作為判斷相對(duì)直線度的指標(biāo)。相對(duì)直線度判斷指標(biāo)確定流程如圖1所示。

圖1 確定“雙機(jī)”耦合相對(duì)直線度判斷指標(biāo)流程圖

如何測(cè)量并保證夾角的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。綜采一隊(duì)選用數(shù)顯角度尺測(cè)量支架推移桿與相應(yīng)溜槽夾角度數(shù)。如圖2所示,短邊尺靠緊溜槽邊,長(zhǎng)邊尺靠緊推移桿,角度尺開(kāi)合方向朝運(yùn)輸巷側(cè)。

《采煤工作面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,支架與輸送機(jī)要垂直,偏差應(yīng)小于5°.對(duì)此,液壓支架推移桿與相應(yīng)溜槽夾角θ控制在85°～95°區(qū)間內(nèi)即符合規(guī)定要求。在偽斜工作面中,角度范圍需進(jìn)行相應(yīng)校準(zhǔn),液壓支架推移桿與相應(yīng)溜槽夾角θ控制范圍如下:

(1)

式中:β為偽斜角,°.

其中,偽斜角計(jì)算公式為:

(2)

式中:l為工作面?zhèn)涡本嚯x,m;L為工作面斜長(zhǎng),m.

在日常生產(chǎn)過(guò)程中,前部刮板輸送機(jī)通常會(huì)出現(xiàn)彎曲段,一般由10節(jié)相鄰溜槽構(gòu)成,呈現(xiàn)兩種彎曲形態(tài),即:凹陷彎曲(見(jiàn)圖3)和突出彎曲(見(jiàn)圖4),兩種不同彎曲形態(tài)下其夾角變化存在差異性。

圖3 前部刮板輸送機(jī)凹陷彎曲段夾角示意

圖4 前部刮板輸送機(jī)突出彎曲段夾角示意

對(duì)于凹陷彎曲,從彎曲段上邊沿向彎曲段下邊沿方向,夾角逐漸減小,彎曲段中心位置處夾角存在短暫平穩(wěn)現(xiàn)象;對(duì)于突出彎曲,從彎曲段上邊沿向彎曲段下邊沿方向,夾角逐漸增大,彎曲段中心位置處夾角同樣會(huì)處于短暫平穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)這一特性可以在夾角日常觀測(cè)數(shù)據(jù)圖中,通過(guò)相對(duì)直線度得知前部刮板輸送機(jī)直線度情況,該特性對(duì)于偽斜工作面同樣適用。

3 工作面變化長(zhǎng)度超前預(yù)控研究

工作面在不斷回采過(guò)程中,運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷走向標(biāo)高發(fā)生變化,致使工作面長(zhǎng)度變長(zhǎng)或縮短。

(3)

式中:H'為相對(duì)標(biāo)高變化高度,m;△hmax為標(biāo)高較高變化量,m;△hmin為標(biāo)高較低變化量,m.

為了大致掌握因巷道標(biāo)高變化致使工作面長(zhǎng)度變化量,設(shè)計(jì)繪制了標(biāo)高變化梯度圖,根據(jù)兩巷標(biāo)高變化梯度圖取值進(jìn)行計(jì)算。以圖5為例,圖5(a)為工作面端頭標(biāo)高變化梯度圖,圖5(b)為工作面端尾標(biāo)高變化梯度圖。遵循“定一議一”原則,觀察不同傾角下工作面端頭、端尾標(biāo)高變化梯度圖可以發(fā)現(xiàn),運(yùn)輸巷標(biāo)高增大時(shí)與回風(fēng)巷標(biāo)高減小時(shí),運(yùn)輸巷標(biāo)高減小時(shí)與回風(fēng)巷標(biāo)高增大時(shí),兩種情況在相同標(biāo)高變量下工作面變化長(zhǎng)度相同。

圖5 25°傾角下標(biāo)高變化梯度圖

以工作面?zhèn)涡遍L(zhǎng)度189 m、25°傾角條件繪制工作面兩巷標(biāo)高變化梯度圖。該圖可用于超前預(yù)測(cè)工作面長(zhǎng)度變化(△L)、端頭處長(zhǎng)度變化(△hyi)、端尾處長(zhǎng)度變化(△hfi)。具體計(jì)算方法如下:

(4)

式中:△hxi為工作面兩端變化長(zhǎng)度,m;x取y、f,分別表示工作面端頭、工作面端尾,i取1、2、3、…,表示自初始傾角開(kāi)始向遞增或遞減方向第i個(gè)傾角度數(shù);h△βi為隨著傾角增大、減小度數(shù)間工作面長(zhǎng)度變化量,i的取值及含義同上,m;其中,n取1、2、3…,n≥i.

△L=△hyi+△hfi

(5)

式中:△L為工作面變化長(zhǎng)度,m;△hyi為工作面端頭變化長(zhǎng)度,m;△hfi為工作面端尾變化長(zhǎng)度,m.

在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,可將不同條件下標(biāo)高變化梯度圖按照一定比例尺進(jìn)行繪制,通過(guò)查看《工作面采掘工程平面圖》中兩巷走向變化,得出工作面在推進(jìn)的過(guò)程中,運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷標(biāo)高變化量,按照標(biāo)高變化梯度圖中比例尺分別在兩張圖中進(jìn)行標(biāo)定,通過(guò)該點(diǎn)作垂直于工作面變化長(zhǎng)度軸的垂線,交點(diǎn)分別為工作面端頭、端尾處變化長(zhǎng)度。

為了避免前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”失控而影響生產(chǎn),可根據(jù)工作面預(yù)測(cè)變化長(zhǎng)度對(duì)其進(jìn)行超前預(yù)控。以端頭為主導(dǎo),前部刮板輸送機(jī)根據(jù)工作面端頭處變化長(zhǎng)度對(duì)其進(jìn)行上竄或下滑控制,若工作面端頭處變長(zhǎng),則應(yīng)控制前部刮板輸送機(jī)下滑,使其與轉(zhuǎn)載槽邊合理搭接;反之,則應(yīng)控制前部刮板輸送機(jī)上竄。隨著兩巷走向標(biāo)高變化,會(huì)出現(xiàn)工作面長(zhǎng)度與前部刮板輸送機(jī)長(zhǎng)度不匹配的現(xiàn)象,在進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮到工作面需要增加、抽出支架數(shù)量以及增加、縮減溜槽長(zhǎng)度、數(shù)量,提前做好準(zhǔn)備工作,避免因設(shè)備匹配問(wèn)題影響生產(chǎn)。

4 正負(fù)偽斜下夾角特征研究

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐研究,大致總結(jié)出在正、負(fù)偽斜工作面下基于“雙機(jī)”耦合夾角測(cè)量法,前部刮板輸送機(jī)發(fā)生上竄、下滑時(shí)的夾角數(shù)據(jù)特征。在夾角數(shù)據(jù)圖中繪制了3條虛線,用于輔助判斷前部刮板輸送機(jī)上竄下滑趨勢(shì)。其中紅色虛線為平穩(wěn)線,灰色虛線為偏移線,橙色虛線為調(diào)向線。平穩(wěn)線參照?qǐng)D1相對(duì)直線度判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,平穩(wěn)線±1°(負(fù)偽斜工作面取+,正偽斜工作面取-)即為偏移線(忽視推移桿小幅偏移情況),平穩(wěn)線±2°(同上)即為調(diào)向線(忽視支架調(diào)向情況)。由于工作面?zhèn)涡弊兓?、工作面長(zhǎng)度變化等因素,每日夾角數(shù)據(jù)圖中3條線也在隨之變化。其中,偏移線與調(diào)向線的角度確定應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用支架規(guī)格參數(shù)進(jìn)行。

4.1 夾角數(shù)據(jù)特征

在負(fù)偽斜工作面下,夾角數(shù)據(jù)整體呈機(jī)頭段夾角度數(shù)小,機(jī)尾段夾角度數(shù)大的特征,且隨著偽斜減小(偽斜角減小),機(jī)頭段夾角度數(shù)增大,機(jī)尾段夾角度數(shù)減小。不同狀態(tài)下前部刮板輸送機(jī)夾角所呈現(xiàn)的特征如下:

1) 當(dāng)前部刮板輸送機(jī)下滑時(shí),呈現(xiàn)的夾角特征為:前部刮板輸送機(jī)呈現(xiàn)機(jī)頭段夾角較上一次測(cè)量結(jié)果增大(支架調(diào)向?yàn)橹鲗?dǎo)因素),或因負(fù)偽斜增大后平穩(wěn)線降低使得機(jī)頭段夾角較上一次測(cè)量結(jié)果相對(duì)減小(工作面?zhèn)涡闭{(diào)整、前部刮板輸送機(jī)直線度變化為主導(dǎo)因素),夾角高于調(diào)向線;中間段夾角、機(jī)尾段夾角較上一次測(cè)量結(jié)果保持相對(duì)穩(wěn)定。

2) 當(dāng)前部刮板輸送機(jī)上竄時(shí),呈現(xiàn)夾角特征為:前部刮板輸送機(jī)呈現(xiàn)機(jī)頭段夾角較上一次測(cè)量結(jié)果減小(支架調(diào)向?yàn)橹鲗?dǎo)因素),或因負(fù)偽斜減小后平穩(wěn)線升高使得機(jī)頭段夾角較上一次測(cè)量結(jié)果相對(duì)增大(工作面?zhèn)涡闭{(diào)整、前部刮板輸送機(jī)直線度變化為主導(dǎo)因素),夾角低于調(diào)向線;中間段夾角、機(jī)尾段夾角較上一次測(cè)量結(jié)果保持相對(duì)穩(wěn)定。

3) 當(dāng)前部刮板輸送機(jī)保持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),夾角狀態(tài)存在兩種情況:一種情況是機(jī)頭段或機(jī)尾段夾角高于平穩(wěn)線,另一側(cè)夾角低于平穩(wěn)線,中間段夾角處于平穩(wěn)線與調(diào)向線間且直線度相對(duì)較好;另一種情況是整體夾角處于平穩(wěn)線與調(diào)向線間,局部夾角超出這一范圍。

以上介紹了在負(fù)偽斜工作面下,前部刮板輸送機(jī)預(yù)計(jì)出現(xiàn)上竄、下滑以及保持穩(wěn)定時(shí)的夾角數(shù)據(jù)特征,而在正偽斜工作面下,機(jī)頭段與機(jī)尾段相應(yīng)特征與負(fù)偽斜工作面相反,中間段夾角數(shù)據(jù)特征相近。需要注意的是,在正負(fù)偽斜工作面下,通常推移前部刮板輸送機(jī)的順序不同,負(fù)偽斜工作面除特殊情況外,一般是由機(jī)頭向機(jī)尾推移刮板輸送機(jī);而正偽斜工作面與其相反,不同推移方向使得在觀察數(shù)據(jù)圖時(shí)需要關(guān)注的區(qū)間也不同。

4.2 Cubic擬合曲線數(shù)據(jù)特征

夾角數(shù)據(jù)圖采用Cubic曲線對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,使得每日夾角數(shù)據(jù)更加直觀。不同狀態(tài)Cubic夾角數(shù)據(jù)擬合曲線特征如下:

1) 前部刮板輸送機(jī)下滑時(shí),呈現(xiàn)Cubic夾角數(shù)據(jù)擬合曲線特征:沿推移刮板輸送機(jī)方向夾角由小變大,中部可能會(huì)略微降低(如圖6所示),中部夾角度數(shù)逐漸升高是常見(jiàn)現(xiàn)象(如圖7所示)。按照上述推進(jìn)方向,負(fù)偽斜工作面機(jī)尾段夾角高于調(diào)向線,正偽斜工作面機(jī)尾段夾角低于調(diào)向線。

圖6 負(fù)偽斜工作面下前部刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果為下滑時(shí)夾角數(shù)據(jù)示意

圖7 正偽斜工作面下前部刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果為下滑時(shí)夾角數(shù)據(jù)示意

2) 前部刮板輸送機(jī)上竄時(shí)呈現(xiàn)Cubic夾角數(shù)據(jù)擬合曲線特征為:擬合夾角曲線呈兩段均勻波浪狀。在正、負(fù)偽斜工作面下夾角數(shù)據(jù)擬合曲線自機(jī)頭段至中間段均出現(xiàn)波峰,中間段至機(jī)尾段均出現(xiàn)波谷(如圖8、圖9所示)。

圖8 負(fù)偽斜工作面下前部刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果為上竄時(shí)夾角數(shù)據(jù)示意

圖9 正偽斜工作面下前部刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果為上竄時(shí)夾角數(shù)據(jù)示意

3) 前部刮板輸送機(jī)保持穩(wěn)定時(shí)呈現(xiàn)Cubic夾角數(shù)據(jù)擬合曲線特征為:與上述夾角數(shù)據(jù)特征相似,同樣存在兩種情況。正、負(fù)偽斜工作面下Cubic夾角數(shù)據(jù)擬合曲線近似鏡像對(duì)稱(chēng)(如圖10、圖11所示)。

圖10 負(fù)偽斜工作面下前部刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果為穩(wěn)定時(shí)夾角數(shù)據(jù)示意

圖11 正偽斜工作面下前部刮板輸送機(jī)預(yù)測(cè)結(jié)果為穩(wěn)定時(shí)夾角數(shù)據(jù)示意

綜上可知,圖6、圖8、圖10取自11502工作面回采期間前部刮板輸送機(jī)不同狀態(tài)下具有代表性的夾角數(shù)據(jù)圖,且當(dāng)時(shí)工作面?zhèn)涡本鶠?5.5 m;圖7、圖9、圖11取自11501工作面回采期間前部刮板輸送機(jī)不同狀態(tài)下具有代表性的夾角數(shù)據(jù)圖,且當(dāng)時(shí)工作面?zhèn)涡本鶠?.9 m.

5 工程實(shí)踐

5.1 “上竄下滑”判斷方法

如圖12～圖16所示,孟家窯煤業(yè)綜采一隊(duì)采用激光指示儀對(duì)前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾進(jìn)行定位,在每個(gè)生產(chǎn)班接班時(shí),測(cè)量激光至前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾蓋板邊沿的距離,在交接班時(shí)再次測(cè)量,根據(jù)兩次測(cè)量距離差值,確定出當(dāng)班前部刮板輸送機(jī)上竄下滑情況,若第二次測(cè)量數(shù)據(jù)較初始數(shù)據(jù)增大,則判定為前部刮板輸送機(jī)上竄;反之,則判定為前部刮板輸送機(jī)下滑。若出現(xiàn)交接班時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)與接班時(shí)測(cè)量的初始數(shù)據(jù)一致時(shí),說(shuō)明前部刮板輸送機(jī)變化與工作面長(zhǎng)度變化相適應(yīng)。本方法以工作面端頭為基準(zhǔn),端尾作參考,可能存在前部刮板輸送機(jī)激光至機(jī)頭變化距離與激光至機(jī)尾變化距離不一致的情況,屬于正?，F(xiàn)象,前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭段、機(jī)尾段存在彎曲段時(shí),差異性尤為明顯。

圖12 兩巷激光指示儀布置示意

圖13 激光(負(fù)值)測(cè)量示意

圖15 激光指示儀實(shí)物圖

圖16 激光效果圖

5.2 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與輔助調(diào)整

孟家窯煤業(yè)11501工作面采用ZF8000/19/38四柱低位放頂煤支架,支架推移桿在不掉道的情況下,可左右活動(dòng)的距離為2.5 cm(左右各1.25 cm),經(jīng)計(jì)算,與溜槽夾角角度變化范圍在-1°～1°,以此確定夾角數(shù)據(jù)圖中的偏移線、調(diào)向線。超出這個(gè)范圍后,可以判斷出,推移桿掉道并壓在支架底座上方。

在負(fù)偽斜向正偽斜調(diào)整過(guò)程中,欲使前部刮板輸送機(jī)停止繼續(xù)下滑并保持穩(wěn)定,多次采取回斜調(diào)整后效果并不明顯,發(fā)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)頭前部超前于后部,若不能及時(shí)改變,使其前部滯后于后部,即使嚴(yán)格執(zhí)行自端頭向端尾推移前部刮板輸送機(jī)的順序,也無(wú)法達(dá)到立竿見(jiàn)影的效果。在大量生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),輔以單體柱推移前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭有利于更好地改變其朝向,縮短調(diào)整前部刮板輸送機(jī)變向時(shí)限。

5.3 應(yīng)用實(shí)例

孟家窯煤業(yè)綜采一隊(duì)于2023年8月23日對(duì)11501工作面9月份將面臨的工作面長(zhǎng)度變化進(jìn)行超前預(yù)控。當(dāng)工作面推進(jìn)至回采距離140 m時(shí),運(yùn)輸巷沿走向?qū)⒊尸F(xiàn)下坡段(如圖17所示),直至工作面推進(jìn)至180 m處變平緩,自190 m處開(kāi)始運(yùn)輸巷沿走向呈上坡段,在相應(yīng)推進(jìn)距離內(nèi),回風(fēng)巷沿走向呈上坡態(tài)勢(shì)(如圖18所示),屆時(shí)工作面長(zhǎng)度、傾角會(huì)發(fā)生改變。工作面長(zhǎng)度按照189 m、正偽斜5 m進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。參照運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷標(biāo)高確定相關(guān)數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷標(biāo)高數(shù)據(jù)

圖17 運(yùn)輸巷標(biāo)高示意

圖18 回風(fēng)巷標(biāo)高示意

按照每日生產(chǎn)班單班2刀煤組織生產(chǎn)進(jìn)行測(cè)算,單日推進(jìn)度取3.2 m,工作面由回采距離140 m推進(jìn)至190 m需16 d,工作面長(zhǎng)度預(yù)計(jì)將以0.3 m/d的平均增長(zhǎng)速度變長(zhǎng),其中工作面端頭處預(yù)計(jì)以0.18 m/d的平均增長(zhǎng)速度變長(zhǎng),工作面端尾處預(yù)計(jì)以0.13 m/d的平均增長(zhǎng)速度變長(zhǎng)。在140～190 m的回采距離范圍內(nèi),工作面平均傾角預(yù)計(jì)將由21°增長(zhǎng)為25°.預(yù)計(jì)在機(jī)尾處需陸續(xù)增設(shè)3臺(tái)8 000 kN支架,前部刮板輸送機(jī)機(jī)尾處加3節(jié)1.5 m溜槽,以適應(yīng)工作面長(zhǎng)度變化,滿(mǎn)足安全生產(chǎn)要求。

11501工作面自9月5日4點(diǎn)班推進(jìn)至回采距離140 m處起,至9月25日0點(diǎn)班推進(jìn)至回采距離190 m處,比預(yù)計(jì)時(shí)間推遲了4 d.在此期間工作面出現(xiàn)支架推移油缸竄漏液、端頭三角區(qū)片漏等現(xiàn)象,影響工作面整體推進(jìn)度。

9月5日4點(diǎn)班至9月25日0點(diǎn)班,工作面端尾增加127號(hào)、128號(hào)支架(126號(hào)架已提前加設(shè)),前部刮板輸送機(jī)機(jī)尾加設(shè)2節(jié)1.5 m溜槽,機(jī)頭加設(shè)1節(jié)1 m溜槽、1節(jié)1.5 m溜槽。實(shí)際情況與預(yù)測(cè)情況相近,20 d內(nèi)前部刮板輸送機(jī)累計(jì)上竄1 m.如表2所示,與以往前部刮板輸送機(jī)上竄下滑隨機(jī)型、粗放型、被動(dòng)型控制管理相比,采用“雙機(jī)”耦合夾角測(cè)量法掌握前部刮板輸送機(jī)上竄下滑趨勢(shì),通過(guò)標(biāo)高變化梯度圖預(yù)測(cè)工作面長(zhǎng)度變化,雙管齊下可超前預(yù)控前部刮板輸送機(jī)上竄下滑,已獲得顯著成效。

表2 工作面預(yù)測(cè)變化、實(shí)際變化數(shù)據(jù)

6 結(jié) 語(yǔ)

目前,前部刮板輸送機(jī)上竄下滑受多重因素影響,其上竄下滑具體數(shù)值仍無(wú)法預(yù)測(cè),但“上竄下滑”趨勢(shì)及其大小可以大致掌握,通過(guò)日常監(jiān)測(cè)夾角數(shù)據(jù),可根據(jù)夾角數(shù)據(jù)圖及時(shí)采取措施,有效控制其繼續(xù)向惡化態(tài)勢(shì)演化,保障工作面正常生產(chǎn)。

調(diào)整工作面?zhèn)涡睂?duì)前部刮板輸送機(jī)產(chǎn)生一定的影響,有時(shí)是在前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”失控的情況下主動(dòng)調(diào)整偽斜以抑制其進(jìn)一步惡化;有時(shí)是由于工作面端頭、端尾處條件變化,為保證工作面產(chǎn)量,不得已而選擇避開(kāi)條件差的一端,在另一端增加推進(jìn)度。通過(guò)現(xiàn)有的研究成果可以指導(dǎo)正偽斜、負(fù)偽斜工作面前部刮板輸送機(jī)上竄下滑控制。

本文所繪制的夾角數(shù)據(jù)圖除了能反映前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”趨勢(shì)外,還能根據(jù)此圖掌握前部刮板輸送機(jī)直線度情況,在需要進(jìn)行回斜調(diào)整時(shí)可以根據(jù)此圖確定回斜進(jìn)刀位置。

此外,在觀察每日夾角數(shù)據(jù)圖時(shí),應(yīng)注意前部刮板輸送機(jī)的推移順序,若自端頭向端尾推移前部刮板輸送機(jī),則關(guān)注端頭段夾角大小、變化趨勢(shì)以及該段“雙機(jī)”耦合相對(duì)直線度;若自端尾向端頭推移前部刮板輸送機(jī),則關(guān)注端尾段夾角大小、變化趨勢(shì)以及該段“雙機(jī)”耦合相對(duì)直線度。

在不同偽斜工作面下,前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”趨勢(shì)差異性較大。在負(fù)偽斜工作面中,前部刮板輸送機(jī)直線度較好的情況下,其下滑趨勢(shì)明顯;在正偽斜工作面中,前部刮板輸送機(jī)直線度較好的情況下,其上竄趨勢(shì)明顯。

各煤礦可根據(jù)工作面所選用的支架規(guī)格測(cè)量出支架推移桿左右可活動(dòng)距離,計(jì)算出其左右活動(dòng)時(shí)支架推移桿與相應(yīng)溜槽可變化角度范圍,以此確定偏移線、調(diào)向線;可根據(jù)本礦區(qū)煤層地質(zhì)賦存條件自行繪制標(biāo)高變化梯度圖,用于超前預(yù)測(cè)工作面長(zhǎng)度變化,提前控制前部刮板輸送機(jī)促使其上竄或者下滑,使其與轉(zhuǎn)載槽邊合理搭接,保障工作面正常生產(chǎn)。

7 創(chuàng)新點(diǎn)

1) 提出“雙機(jī)”耦合相對(duì)直線度的概念并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中,實(shí)現(xiàn)了由視覺(jué)觀察前部刮板輸送機(jī)直線度、液壓支架直線度到根據(jù)夾角數(shù)據(jù)圖與Cubic夾角數(shù)據(jù)擬合曲線觀察“雙機(jī)” 耦合相對(duì)直線度的轉(zhuǎn)變。

2) 提出“雙機(jī)”耦合夾角測(cè)量法,并應(yīng)用于工作面前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”日常預(yù)測(cè)中,用于指導(dǎo)前部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”控制,獲得顯著成效。

3) 設(shè)計(jì)并繪制出標(biāo)高變化梯度圖,將運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷兩巷沿走向標(biāo)高變化量于相應(yīng)條件下的標(biāo)高變化梯度圖中進(jìn)行取點(diǎn),通過(guò)作垂線垂直于工作面變化長(zhǎng)度軸,垂線交點(diǎn)即為工作面變化長(zhǎng)度,遵循“定一議一”的原則,分別確定出運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷兩端變化量再根據(jù)公式進(jìn)行校準(zhǔn),確定工作面長(zhǎng)度總變化量,可提前做好增設(shè)或抽減液壓支架、刮板輸送機(jī)溜槽的準(zhǔn)備,有效避免產(chǎn)生因工作面長(zhǎng)度變化致使設(shè)備長(zhǎng)度與工作面長(zhǎng)度不匹配、前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭與轉(zhuǎn)載槽邊搭接不合理、工作面端頭與運(yùn)輸巷不相隨等問(wèn)題而影響正常生產(chǎn)。

8 展 望

潞安化工集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司綜采一隊(duì)自2023年2月開(kāi)始在11502工作面開(kāi)展前部刮板輸送機(jī)上竄下滑預(yù)測(cè)研究工作,在11502工作面回采期間不斷摸索“雙機(jī)”耦合夾角測(cè)量法的規(guī)律性、合理性以及前部刮板輸送機(jī)在正、負(fù)偽斜工作面下出現(xiàn)“上竄下滑”的特征、規(guī)律,如今在11501工作面大致發(fā)現(xiàn)了相關(guān)規(guī)律,并堅(jiān)持每日觀測(cè),及時(shí)采取相應(yīng)措施對(duì)前部刮板輸送機(jī)進(jìn)行超前預(yù)控,研究方法初顯成效?！半p機(jī)”耦合夾角測(cè)量法在潞安化工集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司的成功實(shí)踐為前部刮板輸送機(jī)上竄下滑預(yù)測(cè)研究提供了一種新思路、新方法。

孟家窯煤業(yè)綜采一隊(duì)在日常生產(chǎn)過(guò)程中,夾角數(shù)據(jù)仍需要人工測(cè)量,目前主采的11501工作面沿走向?yàn)檠霾?在測(cè)量方面存在諸多不利因素:

1) 安全因素。工作面傾角大,上部煤壁片幫易出現(xiàn)滾落傷人現(xiàn)象,即使正確掛設(shè)擋矸網(wǎng),仍存在一定的傷人風(fēng)險(xiǎn)。

2) 架前浮煤清理不凈。在仰采工作面下,工作面出現(xiàn)片幫、冒頂后,易出現(xiàn)架前煤炭堆積掩埋液壓支架推移桿的情況,在架前浮煤清理不凈的情況下,測(cè)量人員需自行清理架前堆煤,延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間,影響了夾角測(cè)量精準(zhǔn)度。

鑒于前兩個(gè)因素,曾考慮過(guò)在支架推移桿與溜槽間加設(shè)角度傳感器,實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量夾角數(shù)據(jù),但有所顧慮:工作面片幫、冒頂時(shí),易損壞傳感器、信號(hào)線、電源線;若采用無(wú)線通信方式,在超前移架時(shí)遮擋、堆煤掩埋傳感器等情況下很難保證數(shù)據(jù)有效傳輸;此外,在采煤機(jī)工作、支架移架時(shí),會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生一定的擾動(dòng),傳感器采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度難以保證。

我國(guó)煤礦智能化發(fā)展尚處于初級(jí)階段,存在諸多問(wèn)題亟需解決[14],期待可以盡快實(shí)現(xiàn)工作面“雙機(jī)”耦合夾角數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè),使其成為智能化開(kāi)采2.0中的一部分,待技術(shù)成熟后,逐步融合至智能化開(kāi)采3.0、智能化開(kāi)采4.0中[15]。