復雜條件下薄煤層安全高效綜采設備配套技術研究

楊 都 姚精明

(1.重慶渝新能源公司打通一礦，重慶 401445； 2.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044)

我國薄煤層資源豐富，分布廣泛，占全國煤炭儲量的20%以上[1]。但是薄煤層產(chǎn)量僅占全國總產(chǎn)量的10.4%左右[2]。綜采是薄煤層安全高效開采技術之一，河北邢臺顯德汪[3]、峰峰集團有限公司小屯礦[4]、山東棗莊田陳礦[5]、黑龍江七臺河桃山煤礦[6]、安徽淮南謝一礦[7]、四川廣能李子埡礦[8]等礦井進行了薄煤層綜采的研究，并取得了一定的成績，促進了薄煤層綜采在我國的推廣。但是上述研究還需要進一步改進和完善，存在的問題主要表現(xiàn)在：

1)采煤機單向割煤；2)采煤機過煤高度太低；3)“三機”功率太低，導致故障率高和回采效率低；4)采煤機機面高度太大而被頂板壓死；5)液壓支架頂梁太厚，導致采煤機過機高度太低；6)綜采設備主要在厚度1.2 m以上的煤層中應用，1.0 m以下煤層適應性較差，回采效率低。

本文采用理論分析、數(shù)值模擬實驗和現(xiàn)場試驗相結合的方法，研究了頂板破碎條件厚度1.0 m以下薄煤層綜采設備選型，以實現(xiàn)薄煤層安全高效生產(chǎn)，增加薄煤層開采的社會經(jīng)濟效益，為我國相似條件下的薄煤層開采提供實踐價值和理論意義。

1 工程概況

2 薄煤層安全高效綜采設備配套研究

2.1 采煤機選型

2.1.1采煤機的機身布置方式

薄煤層采煤機機身布置主要有爬底板、騎輸送機和懸臂三種方式，其中懸臂式具有機面高度低、過煤高度大、能消除爬底板采煤機對底板要求高的缺點，但較難保持機身穩(wěn)定和平衡。考慮到21041工作面煤層薄、頂板破碎的實際情況，決定采用懸臂布置方式。

2.1.2采煤機割煤速度

采煤機理論生產(chǎn)率[9]：

Qt=60BHvmaxρ

(1)

其中，Qt為采煤機理論生產(chǎn)率，t/h；H為工作面平均采高，取0.85 m；B為采煤機有效截深，取0.6 m；vmax為采煤機割煤時可能的最大牽引速度，m/min；ρ為煤的密度，取1.45 t/m3。

采煤機實際年生產(chǎn)能力為：

Qy=330Qtk1k2T

(2)

其中，Qy為采煤機實際生產(chǎn)能力，t/年，某礦21041綜采工作面的設計生產(chǎn)能力為20萬t/年，故Qy=200 000 t/年；k1為采煤機技術上可能達到的連續(xù)工作系數(shù)，一般k1=0.5～0.7；k2為采煤機在實際工作中的連續(xù)工作系數(shù)，一般k2=0.6～0.65;T為采煤機每天工作時間，按“兩采一準”作業(yè)方式考慮，T=16 h。

代入數(shù)據(jù)，由式(1)，式(2)可得：

vmax≥2.85 m/min

(3)

2.1.3采煤機裝機功率

采煤機截割功率為[10]:

P=60KbBHmaxvmaxHw

(4)

其中，P為采煤機截割功率，kW；Kb為備用系數(shù)，取1.2；Hmax為工作面最大采高，取1.10 m；Hw為采煤機割煤單位能耗，由煤層的硬度、煤的粘性確定，kWh/m3，根據(jù)該礦在相似條件工作面的觀測，Hw近似為2.1 kWh/m3。

把數(shù)據(jù)代入式(4)得：P=285.0 kW。

由于是雙滾筒采煤機，故每個滾筒采煤機的切割功率為P/2=142.5 kW，考慮到薄煤層高產(chǎn)高效采煤機單個滾筒切割功率不小于150 kW，故采煤機切割功率為2×150=300 kW。

采煤機的牽引力應能保證采煤機不打滑，顯然，當采煤機上行割煤時，采煤機最易下滑。對采煤機上行割煤進行力學分析，如圖1所示。

采煤機上行割煤的穩(wěn)定條件是：

N01+N02+f2≤F-G1sinθ

(5)

其中，F(xiàn)為圓環(huán)鏈對采煤機作用的牽引力，kN；θ為工作面傾角，按采煤機最易下滑考慮，取30°；N01,N02分別為煤壁對前、后滾筒沿工作面方向的推進阻力，kN，一般計算比較復雜，常采用下式近似估算[11]：

N01+N02=F(47～59)%/(1+K2)

(6)

f2為采煤機上行時輸送機對采煤機產(chǎn)生的沿工作面方向的摩擦力，其計算為：

f2=(G1cosθ+N21)μ

(7)

其中，K2為前后滾筒的截割阻力之比，一般為0.2～0.8，薄煤層取小值為0.2；μ為采煤機與輸送機間摩擦系數(shù)，取0.2。

由式(5)～式(7)可得:F≥273.0 kN。

考慮到采煤機過斷層時能夠提供較大的牽引力，根據(jù)采礦設計手冊，可選用2×55 kW的牽引電機，該電機可以提供2×240 kN牽引力。

此外，還應考慮采煤機調(diào)高電機功率，類比該礦其他薄煤層采煤機情況，一般為2×5.5 kW，因此，采煤機裝機功率為：2×150+2×55+2×5.5=410 kW。

由于薄煤層空間狹小，為了減小采煤機機面高度，采煤機采用外牽引布置方式，牽引部布置在工作面輸送機的機頭、機尾處。

2.2 刮板輸送機選型

2.2.1刮板輸送機機構

雙中心鏈刮板輸送機能夠較好地解決在彎曲段受力分配不均、整體強度不高的問題，且運行阻力較小，不容斷鏈，結合21041工作面開采條件和工作面生產(chǎn)能力，選用雙中心鏈刮板輸送機。

2.2.2刮板輸送機功率[12]

刮板輸送機運輸能力Qg應滿足如下條件：

Qg≥1.1Qt=139 t/h

(8)

刮板輸送機單位長度的裝煤量為：

q=Qg/3.6v

(9)

刮板鏈在重載和空載直線段的運行總阻力分別為：

Wz=(qω+q1ωl)Lgcosβ-(q+q1)Lgsinβ

(10)

Wk=q1Lg(ωlcosβ+sinβ)

(11)

其中，q為輸送機單位長度的裝煤量，kg/m；v為刮板鏈運行速度，取1 m/s;Wz為重載直線段的總阻力，N；Wk為空載直線段的總阻力，N；q1為刮板鏈單位長度的質(zhì)量，采用φ26×92-C級圓環(huán)鏈時，約為36.3 kg/m；L為刮板輸送機的設計長度，按180 m考慮；ω為煤在槽內(nèi)運行的阻力系數(shù)，取0.8；ωl為刮板鏈在槽內(nèi)運行的阻力系數(shù)，取0.4；g為重力加速度，取9.8 m/s2；β為刮板輸送機的鋪設傾角，按開采區(qū)域煤層傾角0°～30°考慮。

代入數(shù)據(jù)得：q=83.3 kg/m～138.9 kg/m；Wz=143 213.3 N～22 163.3 N；Wk=25 613.3 N。

電動機最大功率和最小功率分別為：

Nmax=W0v/1 000η

(12)

Nmin=1.1q1Lωlgcosβv/1 000η

(13)

電動機等效功率為：

(14)

刮板輸送機電動機總功率為：

N0=kdNd′

(15)

其中，Nmax為刮板輸送機電動機滿負荷時電動機的最大功率，kW；Nmin為刮板輸送機電動機空載時電動機的最小功率，kW；η為傳動裝置效率，取0.8；kd為備用系數(shù)，取1.2。

代入數(shù)據(jù)后得N0=214 kW～298 kW。因此，可采用兩臺160 kW的雙速電動機驅動。

2.3 液壓支架選型

2.3.1液壓支架結構

2.3.2液壓支架移架速度

為了保證采煤機生產(chǎn)能力充分發(fā)揮，液壓支架移架速度應大于采煤機牽引速度。即:

ve≥vp=2.85 m/min

(16)

2.3.3液壓支架初撐力和工作阻力

液壓支架的初撐力支護強度可以通過經(jīng)驗公式計算[13]：

qz=200K×Kc/1 000

(17)

其中，qz為初撐力支護強度，MPa；K為富裕系數(shù)，K=1.2；Kc為懸頂系數(shù)，取1.0～1.5，考慮到21041工作面頂板為已經(jīng)垮落充分的破碎頂板，Kc取1.2。

代入數(shù)據(jù)得qz=0.288 MPa，因此，初撐力支護強度可取0.3 MPa。

由礦山壓力理論可知，當工作面老頂來壓時，工作面支架的工作阻力最大，因此，僅以工作面老頂初次來壓的支架工作阻力作為支架選型標準。

根據(jù)我國薄煤層液壓支架的幾何參數(shù)和21041工作面采煤機布置特點，支架頂梁長度為3.9 m，寬度為1.75 m。利用FLAC數(shù)值模擬軟件計算結果，頂梁前端、中部和末端的垂直應力分別為0.20 MPa，0.45 MPa和0.55 MPa，于是支架的支護強度為(0.20+0.45+0.55)/3=0.40 MPa，考慮到老頂旋轉下沉的動載荷效應，上述計算結果應乘一個動載荷系數(shù)，動載荷系數(shù)一般為1.1～1.8，由于上分層開采后動載荷系數(shù)相對較小，取1.25，故支架支護強度為1.25×0.4=0.5 MPa。于是支架的工作阻力Pg為：Pg=0.5×3.9×1.75×1 000=3 400 kN。

2.3.4液壓支架的支撐高度

由數(shù)值模擬計算可知，21041工作面頂板最大下沉量Δh=0.15 m。工作面最大采高Mmax=1.1 m，最小采高Mmin=0.59 m，綜采卸載高度a一般為0.1 m，于是支架的最大支撐高度Hmax=Mmax+0.2=1.3 m，最小支撐高度為Hmin=Mmin-Δh-a=0.34 m。

因此，支架的支撐高度為0.34 m～1.3 m。顯然，支架最小支撐高度小于采煤機機身高度，因此最小采高應為采煤機機面高度hj、頂板下沉量與卸載高度之和，即Hmin=hj+Δh+a=0.82 m，故支架的支撐高度為0.82 m～1.3 m。

考慮到21041工作面頂板壓力較小，為了增加支護空間高度，將液壓支架頂梁設計為板式結構，以增加回采空間，增大過機高度。

3 現(xiàn)場應用

根據(jù)上述研究結果，某礦21041工作面采用MG2×150/421-PFD型外牽引雙滾筒采煤機、SGZ730/320-LT型工作面刮板輸送機、ZY3400/6.5/14型工作面液壓支架掩護式液壓支架及其相關配套設備。

采煤機基本參數(shù)為：總功率421 kW。采高0.8 m～1.5 m，傾角不大于45°，機面高度570 mm，過煤高度300 mm，截深630 mm。有鏈電牽引，牽引動力安裝在工作面運輸機的機頭機尾上，采煤機重量約14 t；刮板輸送機基本參數(shù)為：功率2×160 kW，設計長度180 m，φ26×92 C級圓環(huán)鏈，中雙鏈，中部槽規(guī)格為1 750 mm×690 mm×263 mm(長×內(nèi)寬×高)，運輸能力300 t/h。液壓支架參數(shù)為：高度0.65 m～1.4 m，中心距1.75 m，初撐力2 046 kN～2 750 kN，工作阻力2 414 kN～3 245 kN，支護強度0.455 9 MPa～0.733 6 MPa，電液閥操作控制，重量10.6 t。

21041工作面于8月份投產(chǎn)，截止到10月底工作面共采原煤41 700 t，安全推進436 m，最大月推進219.6 m，平均月推進度達145 m，實現(xiàn)了該工作面的安全高效生產(chǎn)。回采期間，沒有出現(xiàn)因過煤高度低煤塊被卡住的情況，未出現(xiàn)采煤機或者支架被壓死或者刮板輸送機斷鏈的設備事故，未發(fā)生人員傷亡事故，工人安全得到了保障，工人的勞動強度得到了降低。經(jīng)計算，21041采用上述設備后，前3個月可以實現(xiàn)年利潤560萬元。

4 結語

通過理論分析、數(shù)值模擬分析，初步確定了21041工作面三機配套，即采用MG2×150/421-PFD型外牽引雙滾筒采煤機、SGZ730/320-LT型工作面刮板輸送機、ZY3400/6.5/14型工作面液壓支架掩護式液壓支架及其相關配套設備。現(xiàn)場實踐證明，該配套設備能夠有效實現(xiàn)薄煤層綜采安全高效開采。