礦井工作面三機配套選型及應用效果分析

賈向鵬

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦，山西 晉城 048000）

引言

我國薄煤層煤炭儲量約620億t，占總儲量的17.5%，但由于薄煤層開采難度大，年開采僅占全國總產量的10.4%［1］。隨著薄煤層綜采設備制造技術的提升，以及國家對資源回采率要求的提高，薄煤層開采日益受到重視。國內薄煤層大多采用滾筒式采煤機裝備開采，開采方式與傳統綜采開采方式基本相同，但工作面更低，工人勞動強度更大。如何進一步完善薄煤層工作面設備選型配套技術，提高工作面產量和開機率，實現薄煤層的高效安全生產，是目前需要解決的重大問題之一［2］。

1 工作面概況

常村煤礦94311為首個薄煤層工作面，開采山西組9號煤層。厚度為1.1～1.8m。工作面設計長度1 775m，傾斜長度200m；工作面貫穿老母掌向斜，整體為褶曲構造，構造附近伴有一些小的斷裂構造。預計94221巷在960m左右時，可能會揭露一正斷層；在1 155m左右時，可能揭露一沖刷帶；并且在切眼位置外50m左右有一陷落柱。工作面掘進過程中主要的充水源為上覆巖層裂隙水，掘進過程中會有少量滲水，預計最大涌水量5m3／h，正常涌水量1.5m3／h。煤層的頂板和底板均有致密堅硬的砂巖和灰巖構成。

2 工作面“三機”生產能力配套

綜采工作面采煤機的落煤能力、裝煤能力及刮板輸送機的運輸能力決定了工作面的生產能力。因此采煤機參數指標主要考慮到期滾筒直徑大小和裝煤效果；刮板輸送機的參數指標及與采煤之間的過煤空間的高低（大小）也影響著工作面產量的大小；液壓支架對工作面的地質條件的適應性，初撐力、工作阻力的大小，與刮板輸送機的聯結配套方式等也都影響著生產能力的發揮。因此，綜采工作面的所需生產能力應予以確定。

2.1 確定工作面所需生產能力

工作面生產能力應考慮同類設備在生產中的實際生產能力和所選設備是否能夠完成生產的能力。

最終需要工作生產能力為：

式中；Q1為工作面需要的生產能力，t／h；Qd為日生產能力，t／d，根據《94311工作面作業規程》取Qd＝2 419t／d；K 為生產不均衡系數，取0.9；N為日作業班數，取4；M為日檢修班數，取1；T為每班工作時數，取6；S為時間利用系數，取0.95。

2.2 核算采煤機可實現的生產能力

式中：Q2為采煤機械可實現的生產能力，t／h；v1為采煤機械平均牽引速度，3.0m／min；H 為采煤平均割煤高度，1.6m；B 為滾筒截深，0.80m；R為煤的密度，1.51t／m3。

2.3 核算刮板輸送機可實現的生產能力

式中：Q3為輸送機可實現的生產能力，t／h；F為貨載斷面積，m2；φ為中部槽裝滿系數，一般取φ＝0.65～0.9；γ為煤的松散密度，一般γ＝0.85～1.00t／m3；v2為鏈板速度，1.02m／s。

式中：ρ為煤在溜槽中的堆積角度，靜止時間取ρ＝30°～40°；ρ′為運動時煤在溜槽中的堆積角度，取20°～30°；B 為溜槽寬度，0.724m；h1為上槽高度，0.024m；b擋煤板至溜槽邊緣距離，0.02m。

通過基本計算，得出Q1＝127.3 t／h，Q2＝347.9 t／h，Q3＝388.6 t／h，各單機的生產能力應滿足且大于工作面設計所需的生產能力，即有Q3＞Q2＞Q1。根據計算各機械設備應滿足且大于工作面設計產量要求。

3 工作面“三機”空間尺寸配套關系

采煤機、輸送機和液壓支架之間，無論是在性能參數還是空間尺寸等方面都能相互配套，可有效提高工作面的生產能力［3］。結合常村煤礦所選設備和煤層條件分析綜采設備配套關系。

采煤機、輸送機和液壓支架之間的配套尺寸關系。采煤機割過煤，并移架后的工作圖（如圖1）。圖1中，A為機面高度；B為中部溜槽寬度；C為溜槽距采煤機高度；D為滾筒直徑；H 為最低采煤高度；J為采煤機截深；K為采煤機臥底量；L為最大近代頂距；R為機道寬度；X為液壓支架立柱與電覽槽之間距離；L1為空頂距；D1為液壓支架立柱直徑；d為液壓支架立柱外徑；d1為液壓支架立柱內徑；Y為過機高度。

3.1 綜采工作面所需的最低采高的確定

由圖1可以看出綜采工作面所需的最低采煤高度：

圖1 綜采工作面“三機”空間尺寸配套關系示意圖

式中：δ為機道上方液壓支架頂梁厚度，66～106mm，取106mm；Y為過機高度，在割煤后頂板下沉時機器仍能順利通過，Y≥90mm（薄煤層）到200～250mm，在這里取最小值90mm；A為機面高度，取845mm；則 H＝δ＋Y＋A＝106＋90＋845＝1 041mm

在不考慮地質條件變化的情況下，綜采工作面所需的最低采煤高度為1.085m。另外還要考慮采煤機要有一定的臥底量K，以適應底板起伏不平，一般K＝100～300mm，所選用采煤機為300mm。

所以，綜采工作面所需的最低的最終采煤高度應為1.341m。而根據實測情況工作面的采高為1.412～1.452m，與計算相差71～111mm。

3.2 綜采面的機道寬度的確定

機道寬度就是采煤機割過煤、尚未移架，從支架立柱中心線至煤壁的距離。R值即機道寬度為

式中：J為采煤機截深，取800mm；E為煤壁與鏟煤板間距，為防止輸送機在彎曲段時滾筒截割鏟煤板，取180mm；X為液壓支架立柱與電纜槽之間距離，取1 280mm；d為液壓支架立柱外徑，取250mm；W 為輸送機寬度，W＝F＋B＋G；F為鏟煤板寬度，取270mm；B為中部溜槽寬度，取764mm；G為導向槽寬度，取300mm；V為電纜槽寬度，取280mm。

經計算為3.999m，實測為3.980m，符合要求。

另外該面人行道尺寸寬度應不低于700mm，高度不低于400mm。實測寬度為1.28m，高度為1.30m，符合要求。

4 工作面配套設備的選擇

在常村煤礦進行深入調研基礎上，根據煤層賦存特點，結合采煤機的生產能力和工作面板輸送機的運輸能力，確定了工作面的“三機”配套設備，采煤機、液壓支架和刮板輸送機技術參數（如表1、表2和表3）。

表1 MG2×160／710－WD采煤機技術參數

表2 ZY4000／9／19型掩護式液壓支架技術參數

表3 SGZ764／400刮板輸送機技術參數

5 應用效果分析及可靠性評價

為驗證工作面設備選型的合理性，工作人員在初采期間對設備故障率及工作面開機率進行統計。

5.1 工作面設備及生產系統單元可靠性統計

工作面設備及生產系統由采煤機、刮板輸送機、液壓支架、泵站、供電系統、轉載機、帶式輸送機、煤流外運系統、供水通風系統等單元組成。對94311工作面生產班各單元環節故障進行統計。但是94311工作面煤層不穩定，矸石多，實際煤層厚度達不到開采前估計的平均厚度1.21m，尤其是從87號支架附近處煤層殲滅，直到120號支架附近至機尾才有約0.3m的煤層。從2013年11月16日初采至2014年3月10日，工作面推進不到100m。

在調度室建立試驗工作面設備及生產系統單元可靠性數據統計臺帳。設備及生產系統單元可靠性數據統計內容包括：單元無故障時間和單元故障時間（如表4）。

表4 機電設備故障時間表

5.2 工作面開機率統計

將工作面開機率統計分為兩個階段：在工作面開始回采到工作面回采100m的區間內為設備磨合期，選取一段時間統計設備開機率特點（如圖2）；回采100～200m區間已經度過磨合期，設備效能得到正常發揮，再對該階段內某一段時間內設備的開機率進行統計。

圖2 工作面開機率統計實例

由圖2可知：94311綜采工作面開機率變化不大，偶爾出現設備故障，引起工作面開機率降低，平均40%左右。

6 結語

通過初采階段工作面設備運行情況的統計分析得出，工作面三機配套選型合理，能夠滿足生產的需要。但結合現場出現的一些問題，對94311薄煤層綜采工作面提出：在保證最低采高的情況下，應盡量少割底板或不割底板。在遇到煤層變薄、殲滅或斷層時，應該考慮采取放炮處理；為使采煤機滾筒獲得最佳的截割力，應降低采煤機的滾筒轉速。滾筒最好設置兩種以上轉速；建議更換高強度耐磨截齒；在采煤機截割部傳動系統中，應按照低速要求來設計各傳動部件，以獲得更高的使用壽命；在使用中加強采煤機的檢修，發現問題并及時解決；在保證安全生產前提下，應該加強管理，避免不必要的停機，采取措施提高采煤機開機率。

［1］ 徐亞軍，王國法.基于滾筒采煤機薄煤層自動化開采技術［J］.煤炭科學技術，2013，41（11）：6－9.

［2］ 季俊成.綜采工作面三機配套設備的合理選擇［J］.煤炭技術，2011，30（4）：16－17.

［3］ 張佳偉.綜采設備的配套關系及采煤機技術參數的選擇［J］.煤礦機械，2000（3）：5－7.