大傾角煤層綜采工作面設備選型及“三機”配套研究

[摘 要]合理配置綜采工作面“三機”設備，可以有效地解決采煤機、支架、刮板輸送機動態(tài)穩(wěn)定性問題。本文結(jié)合棗泉煤礦120210工作面，對大傾角煤層綜采工作面設備選型及“三機”配套進行了研究。通過現(xiàn)場應用，三機配套方案可行，適應了大傾角綜采放頂煤條件，可供類似礦井借鑒。

[關鍵詞]大傾角煤層 綜采工作面 設備選型 “三機”配套

中圖分類號：TD 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）05-0007-02

1、前言

為實現(xiàn)高產(chǎn)、高效和本質(zhì)安全的理念，棗泉煤礦120210工作面必須研制并合理配置“三機”（采煤機、支架、刮板輸送機）設備，有效地解決“三機”動態(tài)穩(wěn)定性問題，如工作面設備的防倒、防滑問題等，成功地實現(xiàn)120210工作面走向長壁綜合機械化放頂煤開采技術突破。

2、工作面概況

棗泉煤礦120210工作面隸屬于12采區(qū)，主采二煤。2#煤層總厚6.8～9.8m，平均8.15m，煤層結(jié)構單一，煤層傾角30°～39°，平均34.5°，煤層硬度f=1.6～2.0。工作面走向長2093～2135m（平均2114m），傾斜長178～188m（平均183.7m）。

預計工作面正常涌水量在80m3/h左右，最大涌水量120 m3/h左右。礦井瓦斯相對涌出量為0.219 m3/t、絕對涌出量為4.408m3/min，二氧化碳相對涌出量為0.713m3/t、絕對涌出量為14.331m3/min。棗泉煤礦為低瓦斯、低二氧化碳礦井。煤層最短自然發(fā)火期均為35天，煤塵均有爆炸性。

3、“三機”設備選型研究

3.1 采煤機的選型

3.1.1 采煤機生產(chǎn)能力計算

設計工作面年產(chǎn)量3.3Mt/a，采用單向割煤、端頭斜切進刀的工作方式。工作面割煤高度為3.0m，放煤高度平均為5.15m，底煤回收率取95%，頂煤回收率取75%，則工作面平均回采率為82%。工作面采用“一采一放”的放煤方式，采煤機截深為0.8m，放煤步距均為0.8m。工作面推進方向長度3000m左右，其有效開采時間按300d計算。

采煤機應具有的最小生產(chǎn)能力由下式計算：Qh=Qy×f/[D×（N-M）×t×K]

式中：Qh—工作面設備所需最小生產(chǎn)能力，t/h；Qy—要求的工作面年產(chǎn)量，3.3×106t/a；D—年生產(chǎn)天數(shù)，300d；f—能力富裕系數(shù)，1.3；N—日作業(yè)班數(shù)，3班；M—每日檢修班數(shù)，1班；t—每班工作時數(shù)，8h；K—開機率，0.7。

經(jīng)計算，Qh =1277t/h。

3.1.2 采煤機牽引速度

采煤機平均截割牽引速度Vc：Vc= Qh /（60×B×H×γ×C）

式中：Vc—采煤機平均截割牽引速度，m/min；Qh—采煤機可實現(xiàn)的生產(chǎn)能力，1277t/h；H—平均采高，3m；B—截深，0.8m；γ—煤的容重，1.33t/m3；C—工作面回采率，0.93。經(jīng)計算，Vc=5.4m/min

3.1.3 采煤機裝機功率

裝機功率包括截割電動機、牽引電動機、破碎電動機、液壓泵電動機、機載增壓噴霧泵電動機等電動機功率總和。裝機功率由下式估算：P=Q×Hw=894kW

式中：P—裝機功率，kW；Q—采煤機生產(chǎn)率，1277t/h；Hw—比能耗，一般0.6～0.7，取0.7。經(jīng)計算，P=894kW。

據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計，采煤機牽引力一般為其裝機功率數(shù)值的0.5～1倍。

3.1.4 采煤機機型確定和主要技術參數(shù)

根據(jù)以上分析結(jié)果，參照國內(nèi)外高產(chǎn)高效礦井工作面裝備情況，設計選用天地科技股份有限公司上海分公司制造的MG450/1020-QWD型電牽引采煤機，采煤機的主要參數(shù)如下：裝機功率1500kW左右，截深不小于800mm，采高2.2～4.5m，生產(chǎn)能力不小于3.3Mt/a，牽引方式為鏈軌式或銷排式無鏈電牽引，牽引力不小于750kN，額定電壓3300V，頻率50Hz。

3.2 液壓支架的選型

液壓支架是綜采工作面主要設備之一，也是工作面裝備中投資最多的設備，應把液壓支架的可靠性放在首位。液壓支架的選型既要考慮設備先進性，又要考慮性能穩(wěn)定可靠、經(jīng)久耐用。

3.2.1 工作面頂?shù)装宸诸?/p>

（1）直接頂分類

①直接頂強度指標：

其中—巖石得單向抗壓強度，；—節(jié)理裂隙影響系數(shù)，實測二煤直接頂裂隙間距0.6m，可得：；—分層厚度影響系數(shù)，實測二煤直接頂分層厚度平均為0.8m，可得：；

②直接頂初次垮落步距

查直接頂頂板分類指標（《中國采場圍巖控制》），直接頂板初次垮落步距為19～25m，根據(jù)相似材料模擬實驗、數(shù)值模擬研究報告并參照棗泉煤礦120210工作面現(xiàn)場礦壓實測數(shù)據(jù)，二號煤直接頂初次垮落步距為24m。

參照原煤炭部頒布的《緩傾斜煤層工作面頂板分類方案》，二煤層工作面直接頂屬于Ⅲ類，即穩(wěn)定直接頂，在局部有向不穩(wěn)定頂板變化趨勢。

（2）基本頂分級

① 直接頂與采高比

其中—直接頂厚度，根據(jù)地質(zhì)資料，；—煤層平均采高，取煤層的實際厚度，取8.15m。

② 基本頂初次來壓步距

根據(jù)礦壓實測數(shù)據(jù)，二煤基本頂初次來壓步距為54～67m。根據(jù)上述的分類指標，查老頂來壓強度分級表（《中國采場圍巖控制》），老頂來壓步距大于50m，二煤層工作面基本頂屬于Ⅲ級，即來壓強烈頂板。

上述分析表明，二煤層工作面頂板為Ⅲ級3類頂板，即直接頂穩(wěn)定，基本頂來壓劇烈頂板。在局部區(qū)域內(nèi)，直接頂有向Ⅰ類變化的趨向。

（3）底板分類

①底板容許比壓：（MPa）

其中：—安全系數(shù)，取0.75；—極限比壓，根據(jù)類似埋藏（巖性）條件礦井經(jīng)驗，=4.608（MPa）。

②底板容許剛度：（MPa/mm）

其中—底板平均剛度，根據(jù)類似埋藏條件礦井經(jīng)驗，（MPa/mm）。

由以上數(shù)據(jù)分析，二煤層工作面底板為Ⅱ類，即松軟底板（由于二煤層底板單軸抗壓強度為9.14～12.67MPa，則在局部可能為Ⅰ類底板）。

3.2.2 支架類型確定

（1）工作面一直沿頂開采，煤的硬度系數(shù)1.6～2.0。根據(jù)老頂分類方法以及現(xiàn)場來壓數(shù)據(jù)分析可知：120210工作面老頂為Ⅲ類來壓強烈的頂板。為了避免大面積垮落引起的動載，支架應取較高的初撐力，約為工作阻力的80%，較大的初撐力和較好的初撐質(zhì)量可以較快達到工作阻力。根據(jù)工作面條件，液壓支架應選用支撐掩護式架型。

（2）掩護型支架可分單鉸式和四連桿式（或稱雙鉸式），雙鉸式由單鉸發(fā)展面來，其維護梁端頂板、擋矸，抵抗水平推力效果均較好，還可提高支架的穩(wěn)定性。本工作面支架選用四連桿式。

（4）120210工作面采高大而且片幫嚴重，支架應帶強力護幫裝置。護幫裝置還應兼有超前支護頂板的功能。

（5）在松軟底板上使用的支架，應配備減少比壓的結(jié)構。

綜合上述，為提高液壓支架的穩(wěn)定性和抗扭性，選用底座與掩護梁相聯(lián)接的四連桿機構架型，考慮到放煤效果，選用低位放頂煤液壓支架。工作面選用四柱支撐掩護式大插板低位放頂煤液壓支架。

3.2.3 支架阻力確定

液壓支架的阻力是支架設計中最基本的參數(shù)，支架所有結(jié)構的強度都是由此決定，它在一定程度上顯示支架工作的能力和特征，主要包括支架的初撐力和工作阻力。液壓支架采用四柱低位放頂煤液壓支架，最低高度1.6m，最高高度3.2m，支架中心距1.5m。綜合經(jīng)典理論、大傾角煤層長壁開采動力學理論、實測法、物理相似材料模擬實驗與數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合工作面頂?shù)装逄卣?，最終確定支架工作阻力6500～7000kN，頂梁側(cè)向調(diào)整工作阻力800～1000kN，底座側(cè)向調(diào)整工作阻力900～1000kN。

3.2.4 液壓支架型號確定

根據(jù)棗泉煤礦二煤層特殊的地質(zhì)條件，以及先期使用的液壓支架的支護強度，考慮到大傾角工作面液壓支架的支護效率和支架的可靠性、穩(wěn)定性，120210綜放工作面液壓支架最終確定為109架四柱支撐掩護式大插板低位放頂煤液壓支架（含98架ZF8600/18/35型基本架，7架ZFP8800/20/36D型排頭支架，2臺ZFG9800/20/36型過渡支架，2臺ZFG8600/18/35型過渡支架）， ZT20000/21/38型中置式放頂煤端頭支架。

3.3 刮板輸送機的選型

3.3.1 刮板輸送機型式的確定

工作面要求配備前后兩部輸送機，能適用于煤層傾角大、煤層厚的條件。要求輸送機具有運量大，并且能有效防止煤矸向下滾滑。前部刮板機的防滑主要通過調(diào)整偽斜角的大小來實現(xiàn)，前、后運輸機除斜拉千斤頂防滑外，中部槽底部加設防滑塊在支架尾部專門設計了特殊的燕尾型防滑裝置與后部運輸機聯(lián)結(jié)，防止后溜下滑。根據(jù)上述要求，前、后輸送機均選用SGZ960型中雙鏈刮板輸送機。

3.3.2 工作面前部刮板輸送機選型

工作面前部刮板輸送機的生產(chǎn)能力應保證采煤機采出煤全部運出，并留有一定備用能力。工作面前部刮板輸送機運煤量取決于采煤機的實際生產(chǎn)能力，通常采煤機的實際生產(chǎn)能力比理論生產(chǎn)能力要低，特別是受設備開機率和和液壓支架移架速度、刮板機生產(chǎn)能力等影響和礦井瓦斯涌出量及通風條件制約，牽引速度必然受限制，實際能力應為：Q =1.2Qh=1.2×60×H×B×Vc×γ

式中： Q —刮板輸送機的運輸能力，t/h；Vc—采煤機平均截割牽引速度，6m/min；Qh—采煤機可實現(xiàn)的生產(chǎn)能力，t/h；H—平均采高，3m；B—截深，0.8m；γ—煤的容重，1.33t/m3。

經(jīng)計算，Q =1378.9 t/h?？紤]到礦實際情況，前部選用SGZ960/2×700中雙鏈刮板輸送機。

3.3.3 工作面后部刮板輸送機選型

為實現(xiàn)綜放工作面高產(chǎn)高效，應在采煤機完成割煤深度0.8m后，實現(xiàn)拉后部刮板輸送機，形成放煤步距0.8m后，便可開始放煤，以實現(xiàn)采放平行作業(yè)，減少采、放綜合循環(huán)時間，實現(xiàn)高產(chǎn)高效。因此與采煤機落煤能力相匹配的工作面平均放煤能力為：Qf =60×Hf×B×m×r×Cf×（1+Cg）×Vf

式中：Qf—工作面平均放煤能力，t/h；Hf—頂煤平均厚度，為5.15m；B—架間距，為1.5m；m—放煤步距，為0.8m；r—煤體容量，為1.33t/m3；Cf —頂煤回收率，為70%；Cg—放出頂煤含矸率（非煤層內(nèi)夾矸）10%；Vf—放煤速度，取0.98 m/min。經(jīng)計算Qf =371.99 t/h。

為滿足工作面放煤要求，后部輸送機能力應為：Qk =kf ×Qf=557.98t/h，式中：Qk —后部輸送機生產(chǎn)能力，t/h；kf —放煤量不均衡系數(shù)，kf 取1.5。

考慮到前后部輸送機部分零件、配件的互換性，以便于管理和設備維護，選用SGZ960/2×700中雙鏈刮板輸送機。

4、“三機”設備現(xiàn)場應用效果

棗泉煤礦在臨界大傾角變角度綜采條件下，利用結(jié)構優(yōu)化、集成創(chuàng)新和基于PDCA 循環(huán)的“設計-實驗-試用-反饋-優(yōu)化設計”適時修正技術，研制了適應大傾角走向長壁綜放工作面“三機”設備，并對其配套技術和參數(shù)進行了優(yōu)化設計，解決了大傾角綜放開采過程中“三機”防滑和支架防倒、防滑等關鍵性技術問題?！巴ㄟ^現(xiàn)場應用，三機配套方案可行適應了大傾角綜采放頂煤條件，其設備運行正常。

作者簡介

馬斌瑞，（1983—），本科，寧夏靈武人，現(xiàn)就職于神華寧夏煤業(yè)集團棗泉煤礦機電動力科科長，主要從事煤礦機電運輸管理工作。