1.实验原理

实验项目依据三维模拟仿真和VR技术，还原了大型煤矿的工业广场和井下真实的生产环境等场景，通过构建综采放顶煤工作面生产系统，来模拟工作面采煤机的割煤、推前刮板输送机、移架、液压支架放煤、拉后部刮板输送机的整个作业过程，引导学生在对采煤设备结构、性能及操作方法了解基础上，按照作业规程和工艺参数，操作采煤设备进行割煤、放煤作业，系统掌握综采放顶煤工艺技术知识。

⑴ 在虚拟环境下漫游工业广场，经副井罐笼下井，沿巷道前往综采放顶煤工作面，了解工业广场建筑物构成，认知综采放顶煤工作面生产设备系统。

⑵ 在三维动态仿真环境下，通过拆解采煤机、放顶煤液压支架、刮板输送机等虚拟采煤设备，学习采煤设备的结构和组成。

⑶ 通过设备控制面板交互模拟操作拆解采煤机、放顶煤液压支架、刮板输送机等虚拟采煤设备，学习设备的运动控制和工作原理。

⑷ 在高度仿真的综放采煤工作面，按照综采放顶煤工艺和作业规程要求，逐一交互操作综采工作面采煤机、液压支架等虚拟设备，进行割煤、推刮板输送机、移架、放顶煤等多工种作业训练，掌握各项作业的技术要点和操作方法。

⑸ 按照综采放顶煤工艺流程，模拟多工序交互协调作业，按照工作面端部斜切进刀，正常割煤、移架、推前刮板输送机、移架、液压支架放煤、拉后部刮板输送机的顺序，进行综采放顶煤正规循环作业实验，学习综采放顶煤工艺流程与方法、综采工作面采煤机端部斜切进刀、割三角煤、正常割煤、端部割煤的工艺技术，顶煤放出方式、制度和工艺技术方法，采煤、放煤各作业工种协调作业流程和关系。

仿真核心要素采煤机、放顶煤液压支架、刮板输送机等虚拟采煤设备的结构及作业动作，以及采煤机割煤、推前部刮板输送机、移架、放顶煤、拉后部刮板输送机等综采放顶煤工艺流程做到了具有完全真实感、实际设备功能、符合实际生产作业流程的准确仿真。

本项目对综采放顶煤技术及工艺进行全面系统仿真，主要包括9方面原理：

（1）矿井生产系统

煤矿地下开采需要从地表开凿井筒通至地下，掘进巷道，布置采区（盘区或带区）和采煤工作面，或直接就在大巷两侧布置采煤工作面采煤。采煤后的采空区需及时处理，采出的煤需要运输并提升至地面。为保证正常生产，必须要有完善的井下和地面生产系统，见图1。

工业广场是连接煤矿井上下又为煤矿井上下服务的所有地面建筑设施。有储煤场、洗煤厂、装车线；有材料供应仓库、材料装车线；有降压站、配电站；有办公楼、职工宿舍、澡堂、食堂等。

采煤工作面是煤炭生产的基本生产单元。通常情况下，人员、设备及材料等通过副井、井底车场、运输大巷到达工作面。采煤工作面生产的煤炭经主运输系统运至地表。

图1 矿井生产系统

（2）综采放顶煤采煤方法及适用条件

通常情况下，在厚煤层中，沿煤层（或分段）底部布置一个采高2～3m的长壁工作面，用综合机械化采煤工艺进行回采，利用矿山压力的作用或辅以人工松动方法使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架后方（或上方）放出，并予以回收。适用条件①煤层厚度以8～10m为佳。工作面采高与放顶煤厚度之比称为采放比。煤矿安全规程要求，采放比应控制在1:1～1.3之间。②顶煤的硬度系数一般应小于3。③煤层埋深不宜小于100m。④硬夹石层厚度不宜超过0.4m，顶煤中夹石层厚度占煤层厚度的比例也不宜超过10～15％。⑤煤层节理裂隙发育。

（3）顶煤放出规律

顶煤只有在支架顶梁上部、中部或尾部完全变为松散破碎的煤块，才能从放煤口中放出。顶煤破碎是由于其承受的应力超过了本身强度。在工作面推进过程中，开采引起的支承压力、顶板回转和支架反复支撑使煤壁前方的顶煤由实体煤变为松散破碎煤块。而原岩应力和开采引起的支承压力是使顶煤破碎的主要动力。

如图2所示，按顶煤不同的稳定性，顶煤将在采空区边缘形成一个暂时相对稳定的固定帮，其高度为H，并成为采空区松散煤矸运动时的约束边界，这将会改变顶煤的运动参数，也会改变放出体和松动体的形状，放出体实际上是一个偏转的椭球体。

 

图2  固定帮对放出椭球体的影响

H-直接顶与煤层厚度之和；h-放煤高度；h_j-机采高度；

L-放煤口中心与固定帮的水平距离；α-顶煤跨落角；θ-偏转角

在相同放出高度和放出口位置也相同的条件下，放出体体积将随着α角的减小而减少。因此，适于采用放顶煤开采的煤层，其顶煤垮落角α一般应大于45°～60°。当α＞110°时，放出煤量成为一个定值，顶煤垮落角不再影响放出量。

放煤口位置对放出体的影响是十分明显的，放煤口距固定帮的水平距离L越大，椭球体的缺损越小，放出体积越大，即每次放出的煤量越大。

当放煤厚度h小于固定帮最小极限影响厚度h₁(h₁＝L・tanα)时，放出椭球体发育较完整，不受固定帮影响。从我国目前使用的中位或低位放顶煤液压支架的参数分析:当放煤厚度h＜3～5m时，中硬以下的顶煤放出椭球体参数大体上不受固定帮影响。

图3所示，在工作面推进方向上，两次放顶煤之间工作面的推进距离，称为循环放煤步距。

图3 循环放煤步距示意图

l-放煤步距

合理选择放煤步距，对于提高采出率、降低含矸率十分重要。它与顶煤厚度、松散程度和放煤口的位置有关，还与顶煤冒落时的垮落角有关，最佳的放煤步距应是顶煤垮落后能从放煤口全部放出的距离。合理的放煤步距应使顶煤上方的矸石与采空区后方的矸石同时到达放煤口，这样才能最大限度地放出顶煤。

综放工作面的放煤步距应与移架步距或采煤机截深成倍数关系，一般有一刀一放、两刀一放或三刀一放3种组合。一般情况下，顶煤厚度大时，放煤步距应大一些；反之，应取小值。

⑷ 综采放顶煤工作面布置

综采放顶煤工作面的主要设备是采煤机、自移式放顶煤液压支架、可弯曲刮板输送机等，从而使采煤过程中破煤、放煤、装煤、运煤、支护和处理采空区等主要工序全部实现机械化。图4为综采放顶煤工作面布置图。

图4 综采放顶煤工作面布置

1-采煤机；2-前部输送机；3-放顶煤液压支架；4-后部输送机；5-平巷胶带输送机6-配电设备；7-安全绞车；8-泵站；9-放煤窗口；10-转载机及破碎机；A—不充分破碎煤体；B—较充分破碎煤体；C—待放出煤体

回风平巷主要用来回风和运输物料。工作面安装采煤机、综采放顶煤支架和前、后部刮板输送机，下端头向外安装装载机及破碎机，运输平巷安装胶带运输机。前刮板输送机把采煤机割下的煤运输到运输平巷铺设的转载机上（前刮板输送机同时也是采煤机的运行轨道），后刮板输送机把支架后部放出的煤也运输到转载机上，由转载机转到胶带运输机。运输平巷铺设的胶带运输机把转载机转过来的煤运输到下巷外口的溜煤眼，由大巷胶带运输机运走。

⑸ 综采放顶煤工艺流程

综采放顶煤的工艺流程包括采煤机割煤—拉移支架—推移前部刮板输送机—操纵支架尾梁及收缩插板放煤—拉移后部刮板输送机等，采煤机割下的煤由前部刮板输送机运出工作面，放出的顶煤经过后部刮板输送机运出工作面。

⑹ 采煤机、刮板输送机及采煤机割煤

采煤机一般由截割部、装载部、行走部 (牵引部)、电动机、操作控制系统和辅助装置等部分组成。采煤机的工作方式一般为前滚筒右螺旋顺时针割顶煤，后滚筒左螺旋逆时针割底煤。

工作面可以采用采煤机双向割煤方式，也可以采用采煤机单向割煤方式。

前部可弯曲前刮板输送机同时也是采煤机的运行轨道。滚筒采煤机每割一刀煤之前，必须使其滚筒进入煤体壁，称为“进刀”。进刀是指滚筒切入煤壁，进入下一截深的切割作业。滚筒采煤机以刮板输送机为轨道，沿工作面运行割煤，通常的进刀方式为斜切进刀。

斜切进刀，指的是采煤机沿着刮板输送机弯曲段未推向煤壁的刮板输送机运行至推向煤壁的刮板输送机过程中切入煤壁，并与直线刮板输送机配合的截割作业。

端部斜切进刀，就是进刀位置或刮板输送机弯曲段设定在工作面上或下端部的进刀。端部斜切进刀的工作过程为：在工作面端部采煤机沿输送机弯曲段割入煤壁，直至刮板输送机直线段为止，然后将刮板输送机移直；调换两个滚筒上、下位置，采煤机重新返回割三角煤至输送机机头处，机身处留有一段底煤；再次调换滚筒上、下位置，将机身下的底煤割掉，煤壁割直后，上行正常割煤。

⑺ 顶煤放出方式及参数

放顶煤工作面每一循环沿后部输送机进行的放煤顺序、次数、同时打开的放煤口数和放煤量的配合方式，称为放煤方式。

综放工作面每架支架均有一个放煤口，低位放顶煤支架为连续放煤口，中位和高位放顶煤支架为不连续放煤口。

相邻两放煤口放煤时，放煤口上部散体煤的放出椭球体、放出漏斗运动规律将互相影响，必然会在一定程度上影响煤炭采出率和含矸率;放煤方式不同，影响程度不同。

打开放煤口，一次将能放的煤全部放完，则称单轮放煤;每架支架的放煤口需打开多次才将顶煤放完的，则称多轮放煤。

放煤方式可分为顺序放煤和间隔放煤。顺序放煤，是指按支架排列顺序，如第1架、第2架、第3架…，依次打开放煤口放煤的方式;间隔放煤，是指按支架排列顺序每隔1架或多架，如第1架、第3架、第5架……，或第1架、第4架、第7架……，依次打开放煤口放煤的方式。

① 单轮顺序放煤，是指从端头处可以放煤的第1架支架开始放煤，一直放到放煤口见矸，煤放完后关闭放煤口，再打开第2架支架的放煤口:以此类推。该放煤方式操作简单、容易掌，放煤速度较快。单轮顺序放煤的煤岩分界面变化如图5所示

图5 单轮顺序放煤煤岩分界面变化图

②多轮顺序放煤，如图6所示，采用多轮顺序放煤方式，原始煤岩分界面在放煤过程中能均匀下降，第一放煤漏斗的矸石不会很快进入第二放煤口，可减少煤中混矸，也可在一定程度上提高顶煤的放出率。多轮顺序放煤的主要缺点是每个放煤口必须打开多次才能将煤放完，总的放煤速度较慢;其次，要求每次均匀放出顶煤的1/2或1/3，操作上难以掌握，若放煤不均匀，煤岩分界面下降就不均匀，这样就会增加混矸。

图6 多轮顺序放煤煤岩分界面变化图

③ 单轮间隔放煤，是指间隔一架或多架支架打开一个放煤口，每个放煤口一次放完，如图7所示。该放煤方式扩大了放煤间隔，可避免邻近放煤漏斗中矸石进入放煤口，以减少混矸。

图7 单轮间隔放煤煤岩分界面变化图

单轮间隔放煤便于增加出煤点和多口放煤，可提高工作面产量和加快放煤速度。现场对单轮顺序放煤和单轮间隔放煤进行了大量试验，对比分析后认为:从两种放方式的平均单口放出率看，在不考虑窜矸情况下，单轮间隔放煤的放煤效果比较理想，其平均顶煤回收率较单轮顺序放煤高4％～6％:从工作组织看，由于放煤时间远长于割煤时间因此提高工作面工效的最有效途径即缩短放煤时间。单轮顺序放煤每次只有一个放煤口在工作，不能有效发挥放顶煤开采的优势，在后部运输机运输能力满足条件下，单轮间隔数可以同时安排两个甚至更多的放煤口同时作业，从而可缩短整个工作面放煤时间、提高设备开机率，从而达到高产高效目的。

放顶煤作业见矸关闭之后，拉后部刮板输送机。

⑻ 放顶煤液压支架及移架作业

根据放顶煤支架形式不同，主要有高位、中位和低位3种形式。 高位即在支架主顶梁开天窗放煤，中位即在支架掩护梁开窗放煤，低位即在支架尾梁安设插板，通过摆动尾梁和伸缩插板放煤。双输送机低位放顶煤支架是目前现场主要使用的支架，其主要优点是顶梁较长，一般有铰接前梁、伸缩梁和护帮版板，控顶距大，可提高冒放性，有利于中硬顶煤破碎。使用插板机构低位放顶煤，后输送机铺在地板底板上，使放煤口加大且位置降低，能够最大限度地回收顶煤，采出率高，放煤时煤尘小。

在采煤机落煤后，距后滚筒5m后及时追机移架后推前刮板输送机，推前部前刮板输送机要保证足够截深，弯曲长度一般大于15m。移架滞后采煤机最大距离不大于15架。移架后必须及时伸出支架伸缩梁、护帮板，有效控制顶板和煤墙壁，保持顶板完整和全封闭顶板管理。

⑼ 综采放顶煤工艺循环过程

综采放顶煤工作面以采煤机割煤为中心，从进刀割煤、移架、推前部刮板输送机、放顶煤、拉后部刮板输送机，在完成全部工序到再次进刀割煤时，为一个正规作业循环。以下为采煤机端部斜切进刀，采用一刀一放的作业方式的一个工艺循环过程。

第一阶段，采煤机斜切进刀割煤阶段。采煤机在工作面端部斜切进刀割煤，图8-A，进刀后推移前部刮板输送机，直到刮板输机沿煤壁直线推平，见图8-B，采煤机返回割端部留下的三角煤。煤壁割直后，上行正常割煤，见图8-C。

第二阶段，采煤机正常前行割煤，后滚筒割底煤，前滚筒割顶煤；滞后采煤机15m自上而下液压支架跟机移架，推移前部刮版输送机，按照放煤规程和工作参数打开放煤口放顶煤，当有矸石落下时关闭放煤口，放煤完毕后拉后部刮板输送机，采放作业协调进行，见图8-C。

第三阶段，行至工作面刮板输送机机头部割通端部煤壁，采煤机回返，降下右滚筒割完端部底煤。采煤机再次准备进刀，进入下一个采放作业循环，见图8-E。

图8  综放工作面作业循环过程

知识点：共 6  个

（1）矿井生产系统构成。

（2）综采放顶煤采煤方法及适用条件。

（3）综采放顶煤工作面采煤设备的结构组成、工作原理、配套关系及操作方法。

（4）采煤机割煤工艺及方式。

（5）顶煤放出规律、放煤方式及工艺。

（6）综采放顶煤工艺流程和工艺循环过程。