綜合機(jī)械化采煤在急傾斜厚煤層的應(yīng)用

賈文厚， 畢建軍

（1.山西寧武大運(yùn)華盛能源集團(tuán)有限公司， 山西 寧武 036700；2.山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

煤炭是我國的主要能源，其在未來很長一段時(shí)間內(nèi)仍然占據(jù)我國能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。我國煤炭資源廣泛分布于四川、內(nèi)蒙、山西、黑龍江等地，分布區(qū)域較廣，煤層特征相對復(fù)雜。因此，各地所適用的最佳采煤工藝不盡相同。對于傾斜煤層而言，占據(jù)我國煤炭資源儲(chǔ)量的30%左右，而急傾斜煤層所占比例為10%[1]。當(dāng)前，我國對緩傾斜煤層的開采工藝已十分完善，其對應(yīng)的機(jī)械化裝備水平也不斷提高。而對于急傾斜煤層而言，其研究成功過還處于起步狀態(tài)，緊張緩慢，導(dǎo)致急傾斜煤層的開采效率較低。故，本文開展綜合機(jī)械化采煤工藝在急傾斜煤層中的應(yīng)用，為提升產(chǎn)煤效率和產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

本文所以3102 工作面為研究對象，該工作面的走向長度為1 035 m，傾斜長度為142 m，煤層傾角范圍為44°~50°，平均傾角為46°，屬于急傾斜煤層。工作面煤層的厚度為1.47~3.60 m，平均煤層厚度為2.45 m。經(jīng)勘探可知，該工作面煤層總儲(chǔ)量為49 萬t，可開采的煤炭總量為47.5 萬t。

工作面頂?shù)装迩闆r分析：工作面煤層頂板自上而下的構(gòu)造為灰黑色泥巖—深灰色石灰?guī)r（厚度為15 m）—灰色泥巖直接頂（平均厚度為15.3 m）。煤層底板自上而下的構(gòu)造為炭質(zhì)和泥巖夾黏土層的直接底（平均厚度為4.2 m）—深灰色石灰?guī)r的老底（平均厚度為6.3 m）。綜合分析，工作面煤層的頂?shù)装迩闆r可知，其巖性結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，層理清晰。且工作面的煤塵濃度較高，具有爆炸性，存在煤與瓦斯的突出危險(xiǎn)[2]。

目前，該工作面采用兩班生產(chǎn)，一般準(zhǔn)備的工作模式，且每班的工作時(shí)長為8 h。采煤機(jī)采用斜切進(jìn)口方式，通過雙向割煤，實(shí)現(xiàn)一次割兩刀的生產(chǎn)，循環(huán)推進(jìn)距離為0.6 m。

2 綜合機(jī)械化生產(chǎn)設(shè)備的配套原則

我國煤礦工作面長度較大，要求其配套綜采設(shè)備的裝機(jī)功率較大。因此，工作面綜合機(jī)械化采煤設(shè)備配套的總體原則為：大功率、高可靠性、高強(qiáng)度。采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架為綜采機(jī)械化生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其各個(gè)設(shè)備的配套原則如下：

1）采煤機(jī)配套原則。保證采煤機(jī)具有足夠的牽引力和制動(dòng)力，具備遠(yuǎn)程操作控制功能，具備較強(qiáng)的橫向穩(wěn)定能力，具備變頻控制、牽引和截割功能合一適用于急傾斜煤層的采煤機(jī)。

2）液壓支架配套原則。能夠?yàn)楣ぷ髅骓數(shù)装逄峁┓€(wěn)定的工作阻力和合理的底板比壓，質(zhì)量輕型化、可靠性高，具備防倒防滑功能，具備電液控制等功能的液壓支架。

3）刮板輸送機(jī)配套原則。確保輸送機(jī)具有足夠的強(qiáng)度，具備防滑功能，其運(yùn)輸能力滿足工作面采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，具備小比壓、主動(dòng)防滑以及強(qiáng)制限位等功能的刮板輸送機(jī)[3]。

3 急傾斜煤層“三機(jī)”配套

3.1 液壓支架的配套

綜合分析3102 工作面的生產(chǎn)能力，結(jié)合液壓支架的配套原則對液壓支架中心距、工作強(qiáng)度、高度、工作阻力以及初撐力進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 液壓支架中心距的確定

針對液壓支架與刮板輸送機(jī)相配套的原則，且在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，為保證液壓支架的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)液壓支架的中心距為1.75 m。

3.1.2 液壓支架工作強(qiáng)度的計(jì)算

液壓支架工作強(qiáng)度的計(jì)算如式（1）所示。

式中：q為液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度；Kd為煤層工作面失去穩(wěn)定時(shí)的動(dòng)載荷系數(shù)，取Kd=1.3；M為最大采高，取M=3.3 m；Kp為工作面煤層中矸石的膨脹系數(shù)，取Kp=1.25；ρ 為工作面煤層頂板的延時(shí)的密度，取ρ=25 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，可得液壓支架的工作強(qiáng)度為0.429 MPa，取安全系數(shù)為1.4，得出液壓支架的工作強(qiáng)度為0.6 MPa。

3.1.3 液壓支架高度的確定

由于工作面煤層額最大采高為3.3 m，液壓支架的行程為0.3 m，則液壓支架所需的最高高度為3.6 m[4]。結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)有產(chǎn)品中液壓支架的伸縮比，所需液壓支架的最小高度為1.5 m。

3.1.4 液壓支架工作阻力的確定

液壓支架工作阻力的計(jì)算如式（2）所示：

式中：F為液壓支架的工作阻力；P為工作面的工作強(qiáng)度，P=0.6 MPa；Bc為控頂距，取Bc=4m；L為液壓支架的中心距，取值1 750 mm；η 為支護(hù)效率，η=0.9。

經(jīng)計(jì)算可得，工作阻力最小值應(yīng)為4 666 kN。液壓支架的額定工作阻力為5 000 kN。

則，液壓支架的初撐力P初=75%×5 000=3 750 kN。

該工作面綜合機(jī)械化采煤工藝中所選用的液壓支架的型號為ZJY 5000/16/36D。

3.2 采煤機(jī)的配套

由于工作面煤層的平均傾角為46°，最大傾角為57°，而目前國內(nèi)采煤機(jī)可適用工作面的最大傾角為45°。因此，需為工作面配套適應(yīng)煤層傾角達(dá)60°的采煤機(jī)[5]。滿足該煤層最大傾角為采煤機(jī)的關(guān)鍵選型標(biāo)準(zhǔn)。在對國外采煤機(jī)型號及相關(guān)參數(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，所選采煤機(jī)的型號為MG 300/722—QWR，關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

3.3 刮板輸送機(jī)的配套

綜采工作面刮板輸送機(jī)主要與液壓支架進(jìn)行配套使用，根據(jù)3.1 液壓支架的選型結(jié)果，所選刮板輸送機(jī)的型號為SGZ 764/315，其關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

表1 MG 300/722—QWR 關(guān)鍵參數(shù)

表2 SGZ 764/315 刮板輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

4 結(jié)語

急傾斜煤層在我國煤炭總儲(chǔ)量中占據(jù)10%左右，為提升針對急傾斜煤層的開采效率和產(chǎn)出率，需針對工作面煤層的特征選用最佳的采煤工藝。綜合機(jī)械化采煤目前已普遍應(yīng)用于我國煤礦的生產(chǎn)中，但是在急傾斜煤層中的應(yīng)用實(shí)例較少，且其在急傾斜煤層中生產(chǎn)的產(chǎn)煤效率較低。根據(jù)3201 工作面急傾斜煤層的特征，設(shè)計(jì)并完了采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架的選型，為急傾斜煤層的開采提供了理論基礎(chǔ)。