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[摘 要]以任家庄煤矿4.8m采高工作面综采装备的应用为实例，对复杂条件下综采装备的适应性和稳定性进行了分析和探讨。通过现场实践，总结了破碎围岩环境下大采高综采装备的失稳控制措施，对同类地质条件下大采高综采装备实现高产高效现场具有一定的指导意义。
[关键词]大采高综采 装备配套 设备稳定性 防倒防滑
中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0322-02
随着我国采煤工艺及装备制造水平的发展，综采装备逐渐向大型化、配套化、自动化的方向发展。矿井要实现高产高效，不仅受地质条件、劳动组织、操作人员的技术水平的制约，也受开采关键装备的高配及其适应性和稳定性的影响。工作面开采装备的适应性和稳定性成为制约安全高产高效的关键问题之一。对复杂赋存条件下4.8m大采高工作面关键装备的适应性和稳定性进行研究，总结大采高综采装备在实践应用中的经验，对实现矿井安全高产高效具有举足轻重的作用，也对同类地质条件下大采高工作面开采具有指导和借鉴意义。
1.工程地质条件
任家庄煤矿是是横城矿区建成的第一对大型矿井。大采高工作面沿5#煤层布置，煤层平均厚度5.05m。直接顶平均厚度为4.64m，老顶平均厚度为12.63m，岩性以砂岩为主。煤层节理裂隙发育，巷道顶板破碎，侧压显现剧烈。工作面倾角15～20°，平均17°，走向起伏8～12°，支架的最大支撑高度为4.8m。在开采过程中，由于煤层倾角和走向起伏较大，加之大型设备自身重量的影响，给支架、采煤机及刮板运输机等关键装备的稳定性控制带来极大的难度。
2.大采高综采设备配套选型
基于任家庄煤矿大采高工作面复杂地质条件，考虑矿井年产百万吨目标的实现，联合国内技术力量雄厚的装备制造企业进行综采设备的配套研发，从支架防倒滑控制、采煤机走向起伏稳定性控制、刮板机防下滑控制以及三机协调性出发，确定大采高综采设备配套选型，最终确定支架为郑州煤机厂生产，采煤机由天地科技上海分公司制造，刮板运输机由宁夏天地奔牛实业集团有限公司生产，主要技术参数如表1-3所示。
3.关键装备的稳定性控制
3.1 支架的稳定性控制
⑴ 支架失稳因素分析
大采高支架在承载和移架过程中，影响支架稳定性的主要因素有：
①工作面地质条件
从走向上看，因工作面顶板破碎，易发生片帮或漏顶，造成支架上方易空顶，从而使其失去顶板的约束力，倾倒力矩加大，当走向起伏变化时，支架易发生倾倒；从倾向上看，工作面倾角较大，支架在自重容易下滑，产生倒架、咬架现象。
②支架自身结构力学特性
支架向重型化发展，重量42.5t/架。在移架过程中，由于支架的重心高，加之销轴和销孔之间配合间隙、支架四连杆机构的稳定性、底座前端比压、护帮机构等，均会对支架倾倒和滑移都有明显影响。
③管理和操作水平，及其它不确定性因素。
⑵ 控制措施
大倾角复杂工作环境下，支架的倒、滑问题尤为突出，在设计和使用过程中，支架的防倒滑具体措施如下：
①支架自身的防倒防滑控制
走向控制：调节支架顶梁与掩护梁在一定角度范围内变化，限制俯仰角超限，控制支架走向失稳。
基本原理与功能：此装置为机械限位。装设在顶梁与掩护梁的固定耳座上，限位板一端采用铰接圆孔，另一端中间开长槽形成滑道，两端都用销轴铰接，销轴可根据支架角度变化在限位板槽内前后位移。工作时可根据支架仰俯角变化要求，调节限位装置滑道的距离以限制支架升降架或支护时仰俯角最小、最大变化范围。主要功能：一是达到平衡千斤的极限位置时有机械装置限制避免拉坏平衡千斤；二是工作时限制仰俯角超限，特别是老顶来压造成冲击压力时，保持支架在工作面有效支護，能最大限度保证人身、机械安全及提高支护效果。
倾向控制：根据前连杆与掩护梁偏移原理，支架自带了防倒自动控制装置，在支架掩护梁、顶梁安装角度传感器，底座安装位移传感器，实时监测支架工作参数，及时反馈电液控制系统，实现支架防倒自动控制，增强了支架抗扭能力。
为了对支架和刮板输送机的上窜下滑进行有效控制，促使大采高综采装备能够充分发挥其高产高效的优势，促进大采高开采技术的发展，就要对支架和刮板输送机的上窜下滑能够实现自动化控制。自动化控制的构想：主要是通过监测上-下端头支架与煤壁的距离，利用传感器将测量的距离值反馈给控制台，距离值的大小可以表明支架的上窜或者下滑情况，再由控制台发出指令，利用支架的侧向千斤顶的侧向推力，在工作面支架向前推移的过程中，对工作面逐个支架进行调整，从而达到自动控制支架和刮板输送机的上窜下滑的目的。
②在工作面布置时，采用工作面沿倾向弧形过渡布置技术。
工作面煤厚6.3m，采高6.0m，沿底开采。回风巷和运输巷高度为3.8m，均沿煤层顶板布置。两巷底板与煤层底板形成了2.5m高差，工作面高度由两端头的3.8m向中部逐渐过渡到4.8m，过渡段形成弧形曲面。在弧形曲面区域内，将端头支架、过渡支架采用不同的支护高度进行布置，端头支架平均过渡幅度200mm，过渡支架平均过渡幅度100mm。下端头过渡支架偏移角度控制0.5°，上端头的过渡支架偏移角控制在0.7°。实现了4.8m大采高工作面弧形过渡布置，适应了煤层倾角变化，解决了工作面机组稳定性控制问题。
3.2 采煤机稳定性控制
采煤机正常运行与否是关系矿井产量的关键因素之一。在选型和运行过程中，主要采用以下措施来实现采煤机的正常、稳定生产。
走向控制：选型设计时加大了采煤机的净宽（1250mm），同时降低机身（重心）高度，从而适应煤层走向8～12?起伏条件，达到走向稳定控制的目的。
倾向控制：加大采煤机功率至2245kW，牵引力增大到1104kN，使其能在煤层倾角20?以内的稳定运行。
3.3 刮板输送机稳定性控制
在开采过程中，刮板输送机受工作面煤层倾角、运输量和自身重量、采煤机割煤顺序等因素影响出现上窜下滑现象，制约了工作面正常生产。为有效控制刮板输送机稳定性，大采高工作面采用调伪斜技术。工作面沿伪仰斜布置，沿垂直于伪仰斜方向推进。调伪斜技术可以减小工作面倾角，抵消溜子与支架的下滑重量。
合理确定溜子下滑量与调伪斜的角度之间的关系是调伪斜技术的关键。通过架子的推移千斤顶步距及分段推溜长度控制，同时监测前移过程中溜子得上窜下滑量，可以利用如下经验公式计算出合理的推溜步距。
大采高工作面的推溜步距约为15个支架宽度左右。当刮板输送机上窜时，采用由上向下依次推移工作面刮板输送机；当刮板输送机下滑时，采用由下向上依次推移工作面刮板输送机，同时配合支架的侧调千斤进行调整。
4.工业性试验效果及评价
4.1 工业性试验效果
自2008年6月投产以来，通过加大管理投入，组织优化，同时随着设备磨合期和操作人员经验的提高，工作面未发生轻伤以上事故，大采高工作面平均日进12刀，最高日18刀，最高日进15.57m，最高日产原煤3.7万t，平均月产80万t以上，最高月产87万t，实现安全开采，且经济效益显著。
4.2 国产综采装备的投资分析
综采设备的购置费是一次性投资，维持设备正常运行的经营费却要不断支付，综合考虑设备的购置费、经营费、生产率，才能使煤矿的利润获得最大化。单从投资回收期考虑，与进口设备相比，国产设备具有回收期短，设备的经济效果好，对企业的技术进步、经营情况有利。因此，大采高综采装备国产化具有一定优势。
5.结论
任家庄煤矿4.8m采高工作面综采装备的实践证明，在该矿的地质条件下，综采装备的适应性良好。只有加强采场管理，采取有效的措施才能更好地控制大采高综采设备稳定性。通过对4.8m采高工作面综采装备的应用，积累了一些宝贵的经验，对今后的设备管理和发展具有重要的现实意义。
[关键词]大采高综采 装备配套 设备稳定性 防倒防滑
中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0322-02
随着我国采煤工艺及装备制造水平的发展，综采装备逐渐向大型化、配套化、自动化的方向发展。矿井要实现高产高效，不仅受地质条件、劳动组织、操作人员的技术水平的制约，也受开采关键装备的高配及其适应性和稳定性的影响。工作面开采装备的适应性和稳定性成为制约安全高产高效的关键问题之一。对复杂赋存条件下4.8m大采高工作面关键装备的适应性和稳定性进行研究，总结大采高综采装备在实践应用中的经验，对实现矿井安全高产高效具有举足轻重的作用，也对同类地质条件下大采高工作面开采具有指导和借鉴意义。
1.工程地质条件
任家庄煤矿是是横城矿区建成的第一对大型矿井。大采高工作面沿5#煤层布置，煤层平均厚度5.05m。直接顶平均厚度为4.64m，老顶平均厚度为12.63m，岩性以砂岩为主。煤层节理裂隙发育，巷道顶板破碎，侧压显现剧烈。工作面倾角15～20°，平均17°，走向起伏8～12°，支架的最大支撑高度为4.8m。在开采过程中，由于煤层倾角和走向起伏较大，加之大型设备自身重量的影响，给支架、采煤机及刮板运输机等关键装备的稳定性控制带来极大的难度。
2.大采高综采设备配套选型
基于任家庄煤矿大采高工作面复杂地质条件，考虑矿井年产百万吨目标的实现，联合国内技术力量雄厚的装备制造企业进行综采设备的配套研发，从支架防倒滑控制、采煤机走向起伏稳定性控制、刮板机防下滑控制以及三机协调性出发，确定大采高综采设备配套选型，最终确定支架为郑州煤机厂生产，采煤机由天地科技上海分公司制造，刮板运输机由宁夏天地奔牛实业集团有限公司生产，主要技术参数如表1-3所示。
3.关键装备的稳定性控制
3.1 支架的稳定性控制
⑴ 支架失稳因素分析
大采高支架在承载和移架过程中，影响支架稳定性的主要因素有：
①工作面地质条件
从走向上看，因工作面顶板破碎，易发生片帮或漏顶，造成支架上方易空顶，从而使其失去顶板的约束力，倾倒力矩加大，当走向起伏变化时，支架易发生倾倒；从倾向上看，工作面倾角较大，支架在自重容易下滑，产生倒架、咬架现象。
②支架自身结构力学特性
支架向重型化发展，重量42.5t/架。在移架过程中，由于支架的重心高，加之销轴和销孔之间配合间隙、支架四连杆机构的稳定性、底座前端比压、护帮机构等，均会对支架倾倒和滑移都有明显影响。
③管理和操作水平，及其它不确定性因素。
⑵ 控制措施
大倾角复杂工作环境下，支架的倒、滑问题尤为突出，在设计和使用过程中，支架的防倒滑具体措施如下：
①支架自身的防倒防滑控制
走向控制：调节支架顶梁与掩护梁在一定角度范围内变化，限制俯仰角超限，控制支架走向失稳。
基本原理与功能：此装置为机械限位。装设在顶梁与掩护梁的固定耳座上，限位板一端采用铰接圆孔，另一端中间开长槽形成滑道，两端都用销轴铰接，销轴可根据支架角度变化在限位板槽内前后位移。工作时可根据支架仰俯角变化要求，调节限位装置滑道的距离以限制支架升降架或支护时仰俯角最小、最大变化范围。主要功能：一是达到平衡千斤的极限位置时有机械装置限制避免拉坏平衡千斤；二是工作时限制仰俯角超限，特别是老顶来压造成冲击压力时，保持支架在工作面有效支護，能最大限度保证人身、机械安全及提高支护效果。
倾向控制：根据前连杆与掩护梁偏移原理，支架自带了防倒自动控制装置，在支架掩护梁、顶梁安装角度传感器，底座安装位移传感器，实时监测支架工作参数，及时反馈电液控制系统，实现支架防倒自动控制，增强了支架抗扭能力。
为了对支架和刮板输送机的上窜下滑进行有效控制，促使大采高综采装备能够充分发挥其高产高效的优势，促进大采高开采技术的发展，就要对支架和刮板输送机的上窜下滑能够实现自动化控制。自动化控制的构想：主要是通过监测上-下端头支架与煤壁的距离，利用传感器将测量的距离值反馈给控制台，距离值的大小可以表明支架的上窜或者下滑情况，再由控制台发出指令，利用支架的侧向千斤顶的侧向推力，在工作面支架向前推移的过程中，对工作面逐个支架进行调整，从而达到自动控制支架和刮板输送机的上窜下滑的目的。
②在工作面布置时，采用工作面沿倾向弧形过渡布置技术。
工作面煤厚6.3m，采高6.0m，沿底开采。回风巷和运输巷高度为3.8m，均沿煤层顶板布置。两巷底板与煤层底板形成了2.5m高差，工作面高度由两端头的3.8m向中部逐渐过渡到4.8m，过渡段形成弧形曲面。在弧形曲面区域内，将端头支架、过渡支架采用不同的支护高度进行布置，端头支架平均过渡幅度200mm，过渡支架平均过渡幅度100mm。下端头过渡支架偏移角度控制0.5°，上端头的过渡支架偏移角控制在0.7°。实现了4.8m大采高工作面弧形过渡布置，适应了煤层倾角变化，解决了工作面机组稳定性控制问题。
3.2 采煤机稳定性控制
采煤机正常运行与否是关系矿井产量的关键因素之一。在选型和运行过程中，主要采用以下措施来实现采煤机的正常、稳定生产。
走向控制：选型设计时加大了采煤机的净宽（1250mm），同时降低机身（重心）高度，从而适应煤层走向8～12?起伏条件，达到走向稳定控制的目的。
倾向控制：加大采煤机功率至2245kW，牵引力增大到1104kN，使其能在煤层倾角20?以内的稳定运行。
3.3 刮板输送机稳定性控制
在开采过程中，刮板输送机受工作面煤层倾角、运输量和自身重量、采煤机割煤顺序等因素影响出现上窜下滑现象，制约了工作面正常生产。为有效控制刮板输送机稳定性，大采高工作面采用调伪斜技术。工作面沿伪仰斜布置，沿垂直于伪仰斜方向推进。调伪斜技术可以减小工作面倾角，抵消溜子与支架的下滑重量。
合理确定溜子下滑量与调伪斜的角度之间的关系是调伪斜技术的关键。通过架子的推移千斤顶步距及分段推溜长度控制，同时监测前移过程中溜子得上窜下滑量，可以利用如下经验公式计算出合理的推溜步距。
大采高工作面的推溜步距约为15个支架宽度左右。当刮板输送机上窜时，采用由上向下依次推移工作面刮板输送机；当刮板输送机下滑时，采用由下向上依次推移工作面刮板输送机，同时配合支架的侧调千斤进行调整。
4.工业性试验效果及评价
4.1 工业性试验效果
自2008年6月投产以来，通过加大管理投入，组织优化，同时随着设备磨合期和操作人员经验的提高，工作面未发生轻伤以上事故，大采高工作面平均日进12刀，最高日18刀，最高日进15.57m，最高日产原煤3.7万t，平均月产80万t以上，最高月产87万t，实现安全开采，且经济效益显著。
4.2 国产综采装备的投资分析
综采设备的购置费是一次性投资，维持设备正常运行的经营费却要不断支付，综合考虑设备的购置费、经营费、生产率，才能使煤矿的利润获得最大化。单从投资回收期考虑，与进口设备相比，国产设备具有回收期短，设备的经济效果好，对企业的技术进步、经营情况有利。因此，大采高综采装备国产化具有一定优势。
5.结论
任家庄煤矿4.8m采高工作面综采装备的实践证明，在该矿的地质条件下，综采装备的适应性良好。只有加强采场管理，采取有效的措施才能更好地控制大采高综采设备稳定性。通过对4.8m采高工作面综采装备的应用，积累了一些宝贵的经验，对今后的设备管理和发展具有重要的现实意义。