汾源煤業(yè)公司5-102工作面開采設(shè)備選型分析

梁國偉 馬鵬飛 李先興

（1.霍州煤電集團汾源煤業(yè)有限公司；2.山東科技大學(xué)智能裝備學(xué)院）

汾源煤業(yè)公司隸屬于山西霍州煤電集團，地處晉西北黃土高原，大部分為第四系黃土覆蓋，溝谷零星，出露基巖地層。目前汾源煤業(yè)正在回采5#煤層的5-101工作面，根據(jù)工作面接替安排，5-101工作面的接替采面為5-102工作面，5-102工作面與5-101對側(cè)布置且都為大傾角工作面。此外發(fā)現(xiàn)5-102工作面的煤層賦存條件相比于5-101工作面煤層傾角變緩，減小為平均23°，煤層厚度增加至平均15.93 m。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料分析，汾源煤業(yè)5號煤體的厚度很不穩(wěn)定，自東向西煤厚逐漸減小，南北方向上，整體趨勢為北部的首采面向南煤厚度逐漸增大，部分區(qū)域存在特厚煤層。因此根據(jù)實際條件對工作面的采煤方法及原綜采設(shè)備的適用性進行論證、驗算，并根據(jù)現(xiàn)有資料提出初步的采煤方法和設(shè)備配套的建議方案。

1 工作面開采環(huán)境分析

1.1 工作煤層傾角分析

根據(jù)工作面周邊地質(zhì)鉆孔資料，結(jié)合軌道下山實際揭露煤巖層傾角綜合分析，工作面煤層傾角為23～27°，平均為25°；5-102 1巷實測煤層傾角為13～28°，平均為19°；切巷0～10 m煤層傾角為6°，10～46 m煤層傾角為23°，46～62 m煤層傾角為25°，切巷揭露煤層底板順巷為25°，真傾角為28°；

綜合分析5-102工作面煤層傾角為13～28°，平均為23°。

1.2 工作煤層厚度

根據(jù)工作面周邊地質(zhì)鉆孔資料，結(jié)合軌道下山實際揭露煤巖層傾角綜合分析，工作面煤層，平均厚度為14.9 m；5-102 1巷掘進期間探煤厚平均為16.6 m；5-102切巷掘進期間探煤厚平均為17.5 m；綜合分析5-102工作面煤層厚為9.2~23.3 m，通過加權(quán)平均計算，平均煤厚為15.93 m。

2 開采方案選擇

根據(jù)礦井煤層賦存情況和汾源煤業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮工作面實際開采條件，從經(jīng)濟，安全等方面對分層綜放開采和整層綜放開采這2種方案進行分析。

2.1 經(jīng)濟方面分析

2.1.1 分層綜放開采方案分析

采用分層開采時，主要存在以下問題。

（1）煤柱損失量大。為避免應(yīng)力集中，留設(shè)煤柱采用內(nèi)錯或外錯式布置方式增加了煤礦損失［1］，影響了煤層開采的經(jīng)濟性。

（2）巷道掘進率高。采用分層開采方式時，每個分層工作面均需要多掘進2條回采巷道、1條切眼，造成巷道掘進、支護及維護費用增加［1］。

（3）下分層開采困難。上分層開采完畢后，下分層煤體整體性會受到較大破壞，煤體將失去承載能力?？梢灶A(yù)見在大傾角條件下（22～27°），將不能保證下分層的安全開采，無法進行回采，造成煤炭資源浪費。

2.1.2 整層綜放開采方案分析

采用整層綜放開采避免了厚度較大處頂煤及巷道之間煤柱的損失，降低了巷道掘進量，減少了采煤機割煤量，材料及電力消耗減少，噸煤生產(chǎn)成本大幅降低［2］，生產(chǎn)效率提高，實現(xiàn)高效集約化生產(chǎn)。同時有利于設(shè)備的維護與保養(yǎng)，延長設(shè)備使用壽命。相比于分層開采，整層綜放開采相同產(chǎn)量煤炭的時間減少，設(shè)備及人工成本大幅降低。

2.2 安全要求分析

（1）分層綜放開采方案分析。國內(nèi)外的經(jīng)驗證明，在同樣煤層條件下，分層開采自然發(fā)火的機率較大，且上煤層開采可能引起頂板破壞，不能形成規(guī)則“三帶”，造成采空區(qū)漏風(fēng)，在對上煤層采空區(qū)重新揭露后，采空區(qū)及巷道自然發(fā)火的危險性將大幅度增加。由于下層開采困難，若放棄開采下層，6 m多厚無法開采的5#煤，將大大增加煤層著火的風(fēng)險。此外，受上部煤層采動影響，下部5#煤層的整體性和承載能力將會被破壞，開采下部煤層時工作面頂板和巷道管理難度將極大增加，易造成頂板冒頂傷人的事故［1-3］。

（2）整層綜放開采方案分析。整層綜放開采將減小易自燃煤層的管理難度，與分層開采相比，有利于煤層自然發(fā)火的防治［2］。但是由于整層綜放開采時，一次采出煤厚較大，回采強度增大，回采影響范圍較廣，工作面冒頂片幫加劇，礦壓顯現(xiàn)較為強烈，甚至可能造成工作面支架壓架等事故［1］。此外由于一次采出煤層厚度大，工作面開采強度較普通綜放工作面要大很多，其工作面的瓦斯涌出量也較普通工作面要大。

2.3 開采方案確定

在經(jīng)濟方面整層綜放開采較分層綜放開采有較大的優(yōu)勢，但在安全方面整層綜放開采頂板管理較為困難，瓦斯涌出量較大，但在摸清覆巖運移規(guī)律后，采用工作面頂板卸壓等技術(shù)手段處理，可以減少影響，瓦斯涌出也可以通過加強通風(fēng)管理進行防控。

因此，綜合考慮對于5-102工作面的開采方法，建議工作面選用整層綜放開采，采高為3.5 m，放煤高度為10.5 m，采放比為1∶3，符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。

3 開采設(shè)備的選型及主要參數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)計劃和工作面實際情況，結(jié)合在整層綜放開采方案下頂板覆巖運移規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)的預(yù)估，對5-102工作面的開采參數(shù)、設(shè)備選型進行專門研究。研究重點是對采煤機，支架，送煤機等主要設(shè)備的選型和參數(shù)進行分析。

3.1 采煤機選型及主要參數(shù)

5-102工作面是首采工作面的接替工作面，目前首采工作面采煤機型號為MG250/630-WD，采高為1.8～3.4 mm，截深為630 mm，滾筒直徑為1.8 m。其采高與采煤方案所選用的整層綜放開采所要求的3.5 m采高接近，考慮經(jīng)濟性，可通過更換滾筒直徑實現(xiàn)采高要求，避免了更換設(shè)備所需的額外費用。其技術(shù)參數(shù)見表1。

?

對5-102工作面工作能力驗算如下。

（1）采煤機平均割煤速度。

式中，V為采煤機割煤速度，m/min；Qd為工作面日產(chǎn)量，3 636 t；L為工作面長度，取105 m；I為采煤機開缺口行程，取40 m；T為每班工作時間，取6 h；K為工作面開機率，取0.80；H為工作面平均采高，由于接替工作面煤層均厚14 m，此處取采煤機更換滾筒后的最大采高3.5 m；B為采煤機截深，取0.6 m；γ為煤體密度，1.38 t/m3。

經(jīng)計算，V=2.03 m/min。

（2）采煤機最大割煤速度。

式中，Vmax為采煤機最大割煤速度，m/min；Kc為采煤機割煤不均衡系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計算，Vmax=2.64 m/min。

（3）采煤機割煤功率。當(dāng)綜放工作面日進尺為3.6 m時，采煤機單位能耗計算采煤機功率為

式中，N為采煤機截割功率，kW；Kb為備用系數(shù)，取1.3；Hw為采煤機割煤單位能耗，汾源煤業(yè)5號煤層取Hw=0.75 kWh/m3。

經(jīng)計算，N=323.321 kW。

經(jīng)計算，MG250/630-WD型大傾角采煤機將滾筒直徑更換為2 m的后滿足采高要求同時生產(chǎn)能力，也滿足接替工作面的生產(chǎn)所需。

3.2 液壓支架選型及主要參數(shù)

針對特厚煤層的整層綜放開采，液壓支架的選型應(yīng)當(dāng)遵循以下原則。

（1）綜放支架支護強度大，并應(yīng)與煤層賦存條件相適應(yīng)。

（2）支架最大支護高度應(yīng)大于工作面采高，具體支撐高度與實際相適應(yīng)。

（3）隨著支架強度和高度加大，噸位必然加大，因此推溜力和拉架力要與之相適應(yīng)。

（4）支架的可靠性高，安全性好，此外由于一次采出厚度大，瓦斯涌出量加大，因此要求具有較好的通風(fēng)性。

根據(jù)上文中的支架選型原則和采高3.5 m的要求，分析選擇了ZF10000/23/37型放頂煤液壓支架。其主要技術(shù)參數(shù)：支架結(jié)構(gòu)高度為2 300~3 700 mm，支架寬度為1 410～1 590 mm，支架中心距為1 500 mm，初撐力為7 758 kN（P=31.5 MPa），支架工作阻力為10 000 kN（P=40.75 MPa），支護強度為1.121～1.183 MPa，移架步距為800 mm，泵站壓力為31.4 MPa，質(zhì)量約30 t，操縱方式可選電液控制。

3.2.1 工作阻力驗算

通過支架工作阻力構(gòu)成分析對支架工作阻力進行估算，這種計算方法的基礎(chǔ)是工作面支架工作阻力支撐冒落帶頂板巖層和頂煤的質(zhì)量，并平衡基本頂失穩(wěn)時對支架的動載［4］，其計算公式為

式中，q為工作面支架所需支護強度，MPa；α為煤層傾角，取28°；Kd為基本頂失穩(wěn)時的動載系數(shù)，根據(jù)綜放工作面礦壓觀測結(jié)果，一般Kd=1.1～1.8，考慮5號煤層較軟，此處取1.2；qm為冒落帶巖層自重應(yīng)力，MPa，q冒=gd×h，gd為頂板巖層容重，取25 kN/m3，根據(jù)煤層頂板結(jié)構(gòu)，頂板巖石松散系數(shù)以及煤炭回收率分別按1.25、83.7%計算，5-102工作面頂板冒落高度h=3.7 m時方可充滿采空區(qū)域；qd為支架上方頂煤自重應(yīng)力，MPa，qd=γm?Md，γm為頂煤容重，取13.8 kN/m3。

代入值可以求得q=1139.7 kN/m2=1.14 MPa，支護強度取1.18 MPa。

3.2.2 工作阻力

根據(jù)上面支護強度的結(jié)果，接替綜放工作面液壓支架的支護強度確定為不小于1.2 MPa。再根據(jù)配套尺寸、支架頂梁長度、空頂距算出支架工作阻力［5］：

式中，P為支架工作阻力，kN；q為支架的支護強度，1.2 MPa；LK為空頂距，0.36 m；LD為頂梁長度，4.9 m；B為支架寬度，1.5 m。

代入值可以求得P=9 468 kN。

根據(jù)上述計算結(jié)果，支架工作阻力估算為9 468 kN，選型支架工作阻力為10 000 kN滿足要求。

3.3 曲刮板輸送機選型及主要參數(shù)

開采5-101工作面時，前、后刮板輸送機選用SGZ764/315型可彎刮板輸送機，該輸送機功率315 kW，輸送能力700 t/h，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

?

考慮到經(jīng)濟效益，對5-102工作面前、后可彎曲刮板輸送機選型首先考慮正在使用的機型，所以對SGZ764/315型在5-102工作面工作能力進行驗算。

3.3.1 前部輸送機能力驗算

工作面刮板輸送機的運輸能力應(yīng)當(dāng)與采煤機的生產(chǎn)能力相適應(yīng)，刮板輸送機的運輸能力驗算如下。

式中，Qq為刮板輸送機的運輸能力，t/h；Qmax為采煤機的最大生產(chǎn)能力，t/h。

計算可知，前部輸送機能力滿足5-102工作面生產(chǎn)需求，可Qq≥478.96 t/h繼續(xù)使用。

3.3.2 后部輸送機能力驗算

（1）與采煤機落煤能力相配套的工作面平均放煤能力驗算如下。

式中，Qf為工作面平均放頂煤能力，t/h；Hf為放頂煤平均厚度，5-102工作面5#煤層取10.5 m；m為放煤步距與采煤機截深之比，取1；Cf為頂煤回收率，取75%；Cg為放出煤的含矸率，取10%；Vf為沿工作面平均放煤速度，取1 m/min。

經(jīng)計算，Qf=451.8 t/h。

（2）滿足工作面最大放煤流量要求的后部刮板輸送機能力驗算如下。

式中，Kf為放煤流量不均衡系數(shù)，取1.8；Ky為考慮運煤方向和傾角系數(shù)，取0.7。

經(jīng)計算，Q≥569.3 t/h。

計算可知，后部輸送機能力滿足接替工作面生產(chǎn)需求，可在接替工作面繼續(xù)使用，但由于煤層厚度加大，建議適當(dāng)加寬中部槽至1 000 mm，有利于提高頂煤回收率。

4 結(jié)語

根據(jù)接替工作面煤層的賦存狀況，通過經(jīng)濟、安全等方面的比較分析，確定采用整層綜放的開采方法。并在此前提下對接替工作面所用到的主要綜采設(shè)備確定其主要參數(shù)和選型分析。從經(jīng)濟方面考慮并經(jīng)過工作能力驗算，前后刮板輸送機可以在適當(dāng)加大后部輸送機槽寬后繼續(xù)采用原5-101工作面設(shè)備；采煤機改裝2 m直徑滾筒后也可繼續(xù)使用；液壓支架則以接替工作面特厚煤層的基本條件為選型基礎(chǔ)，需重新訂購一套，支架選型為ZF10000/23/37。由于礦井下工作面情況復(fù)雜多變，3種設(shè)備選型并非一成不變，同時綜采工作面所需的其他設(shè)備可根據(jù)實際工作情況靈活選擇。