基于煤厚統計分析的綜采面三機設備選型優化

張俊峰

(山西晉城煤業集團 勘察設計院有限公司,山西 晉城 048006)

1　綜采工作面三機設備存在的問題

晉城礦區某生產礦井為低瓦斯礦,井田面積為31.5 km2,設計生產能力為120萬 t/a。礦井現采15號煤層,采用一次采全高長壁綜采采煤法,全部垮落法管理頂板,后退式回采。綜采工作面長度為200 m(兩側順槽中對中距離),推進長度為1 300 m左右。綜采工作面現布置有MG250/600-WD型采煤機1臺,ZZ8800-16/30型液壓支架135個,SGZ-764/400型可彎曲刮板輸送機1部,SZZ764/132型轉載機1部,PLM1000型破碎機1臺,以及DSJ100/100/2×160型可伸縮帶式輸送機1部等配套綜采裝備。綜采工作面順槽巷道采用1進1回“U”型布置,膠帶順槽進風,軌道順槽回風。順槽凈寬5.0 m,凈高2.5 m,采用錨網索梁支護。

目前,礦井綜采工作面三機設備存在以下問題:

1)井田東部15號煤層逐漸變厚,如仍然采用礦井現有綜采裝備(實際采高范圍為1.8 m～2.8 m),則存在大部分區域留0.2 m～1.0 m底煤開采、資源采出率低、浪費嚴重問題。

2)15號煤屬自燃煤層,如回采工作面底煤留到采空區后,容易引起采空區遺煤自燃發火。

因此,為解決上述問題,需要對井田東部15號煤層綜采工作面三機設備重新選型優化。

2　煤層厚度分析及采高確定

綜采工作面三機設備選型優化的關鍵是統計分析煤層厚度,找出分布規律,科學合理確定采高范圍。

2.1　煤層厚度統計分析

根據礦井地質資料,井田15號煤層厚度0.34 m～4.29 m,平均2.62 m。其中:

1)井田中部、西部和南部面積約占井田2/3,該區15號煤層厚度為1.9 m～2.7 m,現有綜采裝備實際采高1.8 m～2.8 m,滿足開采需要。

2)井田東部面積約占井田1/3,該區15號煤層厚度為2.07 m～4.29 m,平均厚度3.27 m,煤層厚度統計分析如表1所示,可見現有綜采裝備無法滿足井田東部15號煤層開采需要。

表1　煤層厚度統計分析Table 1　Statistical analysis of coal seam thickness

2.2　采高確定

根據上述煤層厚度統計分析表,綜合考慮井田東部15號煤層賦存與開采技術條件和綜采設備制造技術可行性,確定綜采工作面采高范圍為2.2 m～3.8 m,具體開采技術方案為:

1)對于厚度2.0 m～2.2 m的煤層(占10%),采高定為2.2 m予以開采,割0 mm～200 mm底矸;

2)對于厚度2.2 m～3.8 m的煤層(占75%),予以正常開采;

3)對于厚度3.8 m～4.29 m的煤層(占15%),采高定為3.8 m予以開采,留0 mm～0.49 mm底煤后仍然可以采出95%以上的資源。

綜上所述,井田東部15號煤層綜采工作面采高確定為2.2 m～3.8 m,滿足開采需要。

3　綜采工作面三機設備選型優化

按“一井、一面”滿足礦井120萬 t/a生產能力的集中生產模式,對采煤機、刮板輸送機、液壓支架進行優化選型。

3.1　采煤機選型

3.1.1主要技術參數

1)采煤機的小時生產能力:

式中:Qc為采煤機的小時生產能力,t/h;Q1為工作面設計生產能力,1.20×106t/a;f為生產不均衡系數,取1.2;d為年工作日,300 d(考慮30 d工作面搬家時間);n為每日割煤班數,取2;t為每班工作時數,8 h;k為采煤機開機率,取0.5。

2)采煤機的平均牽引速度:

式中:vc為采煤機平均牽引速度,m/min;Q為采煤機的小時生產能力,600 t/h;S為采煤機截深,選用截深0.8 m的采煤機[1];M為工作面平均采高,3.27 m;γ為煤的容重, 1.51 t/m3;K為工作面采出率,95%。

3)采煤機的裝機功率。理論截割功率可用下式估算：

P=Q×Hw=420 kW.

式中:P為采煤機截割功率,kW;Q為采煤機生產能力,600 t/h;Hw為比能耗,取0.7。

考慮到晉城礦區15號煤層煤質較硬、夾矸較厚等因素,采煤機實際截割功率應比理論截割功率高出20%,即實際截割功率Ps=1.2×P=1.2×420=504 kW。

3.1.2選型方案

綜上計算,參考采煤機廠家樣本參數,提出如下2個選型方案。

方案一。MG300/700-WD至MG300/730-WD系列采煤機。該系列采煤機采高有2.0 m～3.8 m、2.0 m～4.2 m等多種情況,截割功率為2×300 kW,總裝機功率不同是因為牽引功率和泵站功率有不同配置。該系列采煤機滿足2.2 m～3.8 m采高需要,功率及能力也滿足要求。

方案二。MG450/1020-WD至MG500/1200-WD系列采煤機。該系列采煤機采高有2.0 m～4.1 m、2.0 m～4.2 m、2.0 m～4.5 m等多種情況,截割功率為2×450 kW～2×500 kW。從采高和功率來看,該系列采煤機滿足15號煤層2.2 m～3.8 m采高需要。與方案一相比,生產能力較大,要求配套的刮板機變寬,投資較大。

通過現場調研,綜合考慮技術和經濟兩方面因素,確定選用MG300/730-WD型采煤機。

3.2　刮板輸送機選型

3.2.1主要技術參數

根據三機配套原則,刮板輸送機輸送能力為:

Qs=1.2×Qc=720 t/h.

式中:Qs為刮板輸送機的輸送能力,t/h;Qc為采煤機的實際生產能力,t/h。

3.2.2選型方案

綜上計算,參考刮板輸送機廠家樣本參數,提出如下2個選型方案。

1)方案一。SGZ-764/630型刮板輸送機。SGZ-764/630型刮板輸送機與MG300/730-WD型采煤機配套使用,運輸能力及功率滿足200 m長綜采工作面的需要,能達到120萬 t/a礦井生產能力。

2)方案二。SGZ-880/800型刮板輸送機。SGZ-880/800型刮板輸送機與MG450/1020-WD型采煤機配套使用,運輸能力及功率較大,滿足300 m長綜采工作面的需要,能達到200萬 t/a及以上礦井生產能力。

通過現場調研,綜合考慮技術和經濟兩方面因素,確定選用SGZ-764/630型刮板輸送機。

3.3　液壓支架選型

3.3.1主要技術參數

1)架型選擇。礦井15號煤層頂板為K2石灰巖,厚6.4 m～17.8 m,平均12.5 m,屬堅硬巖石。底板為泥巖、鋁質泥巖,厚3.4 m～23.5 m,平均厚度11.5 m,屬較軟弱的巖石。根據煤層賦存條件和頂底板巖性,并結合晉城礦區其他礦井15號煤層支架選型實際經驗,選用四柱支撐掩護式液壓支架。

2)支架高度。根據井下實際使用經驗及《煤礦綜采采區設計規范》[2],支架支護高度一般預留200 mm安全余量。

支架最大高度:

Hmax=Mmax+0.2 =4.0 m .

支架最小高度:

Hmin=Mmin-0.2 =2.0 m .

式中:Hmax為支架最大支護高度,m;Hmin為支架最小支護高度,m;Mmax為工作面設計最大采高,3.8 m;Mmin為工作面設計最小采高,2.2 m。

3)工作阻力。

支架支護強度采用經驗估算法計算:

式中:P為支架支護強度,MPa;M為回采工作面采高,取最大高度3.8 m;γ為頂板巖石的容重,取2.7 t/m3;α為煤層傾角,取最小值0°。代入上式,則P=0.60 MPa～0.80 MPa。

支架支護阻力計算:

P1=P×S×103

式中:P1為支架支護阻力,kN;P為支架支護強度,取最大值0.80 MPa;S為支架的頂板支護面積,當支架中心距為1.5 m時,最大控頂距支護面積為5.8 m×1.5 m=8.7 m2，當支架中心距為1.75 m時,最大控頂距支護面積為5.8 m×1.75 m=10.15 m2。則:

1.5 m時P1=0.80×8.7×103=6 960 kN ；

1.75 m時P1=0.80×10.15×103=8 120 kN .

3.3.2選型方案

綜上計算,參考支架廠家樣本參數,提出如下2個選型方案。

方案一。支架中心距按1.5 m設計,選用ZZ8800/20/40型液壓支架。特點如下:

1)重量較輕,有利于提高工作面搬家的靈活性。

2)根據廠家詢價資料,裝備1個200 m長的綜采工作面,ZZ8800/20/40型支架投資約135架×54萬/架=7 290萬元,而1.75 m寬的ZZ10000/20/40型支架投資約115架×95萬/架=10 925萬元,多投資3 625萬元。

3)適用于工作面長度和生產能力較小的礦井。

方案二。支架中心距按1.75 m設計,選用ZZ10000/20/40型液壓支架。特點如下:

1)支架寬度較大,有利于提高整體穩定性,適合大采高及工作面長度較長的情況。

2)支架數量較少,移架速度較快,便于設備管理,有利于提高工作面單產。

通過現場調研,綜合考慮技術和經濟兩方面因素,確定選用ZZ8800/20/40型液壓支架。

4　選型結果

通過現場調研,綜合考慮技術和經濟兩方面因素,該礦井田東部15號煤層確定選用MG300/730-WD型采煤機,SGZ-764/630型刮板輸送機和ZZ8800/20/40型液壓支架,各設備具體參數如表2-表4所示。

表2　MG300/730-WD型采煤機主要技術特征Table 2　Main technical features of MG300/730-WD shearer

表3　SGZ-764/630型刮板輸送機主要技術特征Table 3　Main technical features of SGZ-764/630 scraper conveyor

表4　ZZ8800/20/40型中間架主要技術特征Table 4　Main technical features of ZZ8800/20/40 hydraulic support

5　優化結論

1)綜采工作面三機設備選型優化的關鍵是統計分析煤層厚度,找出分布規律,科學合理確定采高范圍。

2)根據采高范圍,綜合考慮技術和經濟兩方面影響因素,提出三機設備選型優化方案。其中技術方面影響因素有礦井地質條件、煤層賦存與開采技術條件、資源儲量及服務年限、采煤方法與回采工藝、工作面參數與生產能力、礦井各生產系統現狀與井巷斷面尺寸,以及設備制造可行性、相互之間尺寸和性能配套等因素[3];經濟方面影響因素有設備價格及壽命、礦方投資承受能力等因素。

3)綜采面三機設備選型中,液壓支架是核心設備,投資一般占90%左右,一旦選定,無法調整支護高度;而采煤機可以通過更換滾筒等方式調整,適應較大范圍工作面采高;刮板輸送機可以通過更換電機、增加中間槽數量等方式調整,適應較大范圍工作面長度。