薄煤層工作面三機配套選型及應用效果分析

張金貴

（沁和能源集團有限公司 候村煤礦，山西 沁水048205）

我國薄煤層煤炭儲量約620億噸，占總體儲量的17.5%。目前隨著薄煤層綜采設備制造技術的提升，薄煤層開采已經向集約化、自動化、無人化發展。這對配套設備在裝機功率、運輸能力、可靠性和安全性等方面提出了更高的要求。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。

1 工作面概況

新元煤礦94311為首個薄煤層工作面，開采山西組9＃煤層。厚度1.1～1.8m，工作面設計長度1775m，傾斜長度200m；工作面貫穿老母掌向斜，整體為褶曲構造，構造附近伴生有一些小的斷裂構造。預計94221巷掘進到960m左右時，可能會揭露一正斷層；掘進到1155m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由致密堅硬的砂巖和灰巖構成。

2 工作面“三機”生產能力配套

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能夠保證實現的生產能力。

工作面需要的生產能力為：

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＝2419t／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）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，1.6 m；B為滾筒截深，0.80m；R為煤的密度，1.51t／m3。

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，t／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，0.24m；b為擋煤板至溜槽邊緣距離，0.2m。

通過上述基本計算，得出 Q1＝127.3，Q2＝347.9，Q3＝388.6，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Q3＞Q2＞Q1。根據計算，各機械設備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。結合新元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尺寸配套關系見圖l。該圖表示采煤機割過煤，并移架后的工作圖。

圖1 綜采工作面“三機”空間尺寸配套關系示意

1）綜采工作面所需最低采高的確定

由圖1可以看出綜采工作面所需的最低采煤高度。

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＝1041mm。

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＝100～300 mm，所選用采煤機為300mm。

所以綜采工作面所需最低采煤高度應為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。

2）綜采面機道寬度的確定

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。機道寬度R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180 mm；X為液壓支架立柱與電纜槽之間距離，取1280mm；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400mm，高度不低于700 mm。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

根據新元煤礦煤層賦存特點，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分別見表1、表2、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

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，初采期間工作人員對設備故障率及工作面開機率進行統計。

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，其實際煤層厚度，達不到開采前估計的平均厚度1.21m，尤其是從87＃支架附近處煤層尖滅，直到120＃支架附近至機尾才有約0.3m的煤層。從2014年11月16日初采至2015年3月10日，工作面推進不到100m，機電設備故障見表4。

表4 機電設備故障時間

2）工作面開機率的統計

將工作面開機率統計分為兩個階段。第一階段，在工作面開始回采到工作面回采100m的區間內，該階段為設備磨合期，選取一段時間統計設備開機率特點（見圖2）。第二階段為回采100～200m區間，該階段已經度過磨合期，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。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。

圖2 工作面開機率統計實例

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以下建議：

1）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、尖滅或斷層時，應該考慮采取放炮處理。

2）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；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.