薄煤層開(kāi)采設(shè)備選型

張驍亞

（西山煤電集團(tuán)官地礦， 山西 太原 030022）

引言

在我國(guó)，薄煤層資源儲(chǔ)量豐富，但其開(kāi)采工藝卻相對(duì)落后，煤炭產(chǎn)量低，經(jīng)濟(jì)效益差，給薄煤層開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來(lái)較大困難。對(duì)薄煤層開(kāi)采技術(shù)的研究，為我國(guó)減少薄煤層資源浪費(fèi)，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限有著十分重要的作用，其中，對(duì)工作面開(kāi)采設(shè)備的選型配套研究，是工作面安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1-2]。

1 工程背景

某礦3號(hào)煤層為其主采煤層，煤層埋深平均為220 m，厚度為 1.05～1.40 m，平均 1.20 m，煤層傾角為0～3°，平均僅1°，屬于近水平薄煤層，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸，屬于全區(qū)可采煤層。煤層普氏系數(shù)為1.5～2.5，平均為2，屬于中硬煤層，直接頂巖性以粉砂巖為主，巖層厚度平均2.2 m，基本頂巖性以細(xì)砂巖為主，巖層厚度平均7.0 m，底板巖性以中砂巖為主，巖層厚度平均2.7 m。煤層瓦斯含量較低，屬于低瓦斯礦井，有煤塵爆炸的危險(xiǎn)，自燃傾向?yàn)棰耦?lèi)，屬于易自燃煤層。根據(jù)該礦實(shí)際地質(zhì)條件，確定工作面液壓支架、采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)的基本參數(shù)，并進(jìn)行選型研究。

2 采煤機(jī)選型

對(duì)于采煤機(jī)的選型，不僅要考慮煤層的實(shí)際賦存條件還要滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)需求，并與其他開(kāi)采設(shè)備相互配套。

2.1 確定滾筒直徑

工作面采高與煤層厚度有著直接關(guān)系，根據(jù)地質(zhì)資料，煤層厚度為1.05～1.40 m，考慮工作面部分區(qū)段存在少量偽頂，設(shè)計(jì)工作面最小采高為1.1 m，最大采高為1.5 m。由此可確定采煤的滾筒直徑應(yīng)大于0.75 m。

2.2 確定采煤機(jī)型號(hào)

通過(guò)上述分析，考慮到薄煤層開(kāi)采過(guò)程中會(huì)不可避免的遇到破巖的情況，要求采煤機(jī)的功率要高、質(zhì)量要大，以提高采煤機(jī)的穩(wěn)定性，因此，推薦該礦使用MG350/811-WD型采煤機(jī)，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 采煤機(jī)基本參數(shù)

該型采煤機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）截割功率相對(duì)較高，有較強(qiáng)的破巖能力，重量大，穩(wěn)定性好，截割巖層時(shí)所受影響較小。

2）采煤高度為 1.0～1.98 m，滿(mǎn)足工作面 1.1～1.5 m的采高要求。

3）整體采用橋式布置，機(jī)身較高，過(guò)煤高度較大，有效解決了上行采煤時(shí)刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤困難的問(wèn)題。

4）變頻器、液壓系統(tǒng)采用進(jìn)口設(shè)備，性能優(yōu)異，可靠性好，故障率低，操作界面均為中文標(biāo)志，簡(jiǎn)單易懂。

因此，認(rèn)為采用該型采煤機(jī)完全滿(mǎn)足工作面需求。

3 刮板運(yùn)輸機(jī)選型

刮板運(yùn)輸機(jī)的選型要滿(mǎn)足采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，且其外形尺寸要與采煤機(jī)相匹配[3]。

3.1 確定刮板輸送機(jī)的輸送能力

刮板運(yùn)輸機(jī)的輸送能力一般為采煤機(jī)的1.2～1.4倍，在此取1.4倍，其表達(dá)式為

式中：Qy為刮板運(yùn)輸機(jī)輸送能力，t/h；Qc為采煤機(jī)最大割煤能力，t/h；Vmax為采煤機(jī)最大割煤速度，m/min；Mmax為工作面最大采高，m；B為采煤機(jī)截深，m；γm為煤層容重，t/m3。

4.3 社會(huì)效益 “雙珍”樹(shù)種資源是重要的戰(zhàn)略資源，不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益，而且對(duì)于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、社會(huì)精神文明建設(shè)等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)“雙珍”模式，對(duì)調(diào)整林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升林業(yè)產(chǎn)業(yè)的效益和科技含量、提高林地高附加值、帶動(dòng)農(nóng)民脫貧致富等方面都具有重要意義，可解決農(nóng)村富余勞動(dòng)力就業(yè)，推動(dòng)種植業(yè)、加工業(yè)、貿(mào)易業(yè)、旅游業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)持續(xù)共同發(fā)展。

根據(jù)礦井地質(zhì)情況和表1所示參數(shù)，取Vmax為4.5 m/min，Mmax為 1.5 m，B 為 0.63 m，γm為 1.43t/m3。將數(shù)據(jù)代入式（1）可得，刮板運(yùn)輸機(jī)的輸送能力應(yīng)大于510.8 t/h.

3.2 確定刮板運(yùn)輸機(jī)的鋪設(shè)長(zhǎng)度

為采煤機(jī)端頭割三角煤時(shí)方便運(yùn)輸，刮板運(yùn)輸機(jī)的兩端通常布置在工作面回采巷道內(nèi)，則刮板運(yùn)輸機(jī)的鋪設(shè)長(zhǎng)度為：

式中：L為刮板運(yùn)輸機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度，m；L1為工作面長(zhǎng)度，取160 m；lt為機(jī)頭在回采巷道內(nèi)的長(zhǎng)度，取4 m；lw為機(jī)尾在回采巷道內(nèi)的長(zhǎng)度，取4 m。因此，可得刮板運(yùn)輸機(jī)的鋪設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)為168 m。

3.3 確定刮板運(yùn)輸機(jī)的功率

刮板運(yùn)輸機(jī)的功率可由下式計(jì)算得出：

式中：N為刮板運(yùn)輸機(jī)功率，kW；K為電動(dòng)機(jī)功率富裕系數(shù)，取1.3；K1為刮板兩側(cè)鏈輪附加阻力系數(shù)，取1.1；K2為運(yùn)輸機(jī)中部彎曲附加阻力系數(shù)，取1.1；q0為運(yùn)輸機(jī)空載時(shí)每米質(zhì)量，取18 kg/m；f1為刮板鏈運(yùn)行時(shí)的阻力系數(shù)，取0.35；β為煤層傾角，取1°；q為運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤時(shí)每米煤的質(zhì)量，取120 kg/m；f2為刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時(shí)煤在槽中的阻力系數(shù)，取0.7；v1為刮板鏈速，取1.28 m/s；η為運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)效率，取 0.9。

將數(shù)據(jù)代入式（3）可得，刮板運(yùn)輸機(jī)的功率最小應(yīng)為348 kW。

3.4 確定刮板運(yùn)輸機(jī)型號(hào)

通過(guò)上述分析，推薦該礦使用SGZ700/400型中雙鏈刮板運(yùn)輸機(jī)，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 刮板運(yùn)輸機(jī)主要參數(shù)

4 液壓支架選型

液壓支架的合理選型是保障工作面安全生產(chǎn)的重要因素，液壓支架的選型主要是確定合理的支架高度和工作阻力。

4.1 確定支架高度

支架的高度主要取決于工作面的采高，由前面分析可知工作面最小采高為1.1m，最大采高為1.5m，支架高度應(yīng)與采高之間留有一定余量，以適應(yīng)煤層的起伏，綜合考慮，確定支架最小高度不大于0.9 m，最大高度不小于1.7 m。

4.2 確定支架工作阻力

1）由礦井地質(zhì)報(bào)告可知，工作面基本頂為7.0 m厚的細(xì)砂巖，其自身載荷為：

式中：q1，1為基本頂巖層的自身載荷，kPa；γ1為基本頂巖層容重，取26 kN/m3；h1為基本頂巖層厚度，取7 m。代入得基本頂自身載荷為182 kPa。

2）基本頂上為8 m后的粉砂巖，其對(duì)基本頂?shù)妮d荷為：

式中：q1，2為粉砂巖對(duì)基本頂所產(chǎn)生的載荷，kPa；E1為基本頂彈性模量，取24 GPa；E2為粉砂巖彈性模量，取 21 GPa；γ2為粉砂巖容重，取 25 kN/m3；h2為粉砂巖巖層厚度，取8 m。代入數(shù)據(jù)得基本頂上粉砂巖對(duì)基本頂?shù)淖饔幂d荷為165.6 kPa。

可見(jiàn) q1，2＜q1，1，說(shuō)明細(xì)砂巖層不受粉砂巖層的作用，即基本頂所受載荷只有其自身載荷182 kPa。

3）根據(jù)固支梁理論，基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為：

式中：Lc為基本頂初次來(lái)壓步距，m；R為基本頂單軸抗拉強(qiáng)度，取2.08 MPa；q1為基本頂所受載荷，取0.182 MPa；h1為基本頂巖層厚度，取7 m。代入數(shù)據(jù)得基本頂初次來(lái)壓步距為33.5 m。

4）基本頂周期來(lái)壓步距為：

式中，Lz為基本頂周期來(lái)壓步距，m；R為基本頂單軸抗拉強(qiáng)度，取2.08 MPa；q1為基本頂所受載荷，取0.182 MPa；h1為基本頂巖層厚度，取7 m。代入得基本頂周期來(lái)壓步距為13.6 m。則基本頂平均來(lái)壓當(dāng)量為：

式中：Pe為基本頂平均來(lái)壓當(dāng)量，kPa；N為直接頂充滿(mǎn)系數(shù)，N=hz/M；hz為直接頂厚度，取2.2 m；M為煤層采高，取1.2 m。代入數(shù)據(jù)得Pe=664.56 kPa。

5）按照基本頂分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，3號(hào)煤層屬于Ⅰ級(jí)來(lái)壓不明顯頂板。依據(jù)國(guó)家對(duì)采場(chǎng)頂板分類(lèi)建議的支護(hù)強(qiáng)度下限[4]，采高1.2 m時(shí)Ⅰ級(jí)頂板支護(hù)強(qiáng)度最小為P=410 kPa。

6）支架的工作阻力為：

式中：F為支架工作阻力，kN；Lk為支架控頂距，取4.5 m；b為支架寬度，取1.5 m；Kz為安全系數(shù)，取1.3。代入數(shù)據(jù)得支架阻力為3 597 kN。

4.3 確定支架型號(hào)

通過(guò)上述分析，推薦該礦使用ZY7000/09/18D型掩護(hù)式支架，其基本參數(shù)如表3所示。

表3 支架基本參數(shù)

4.4 端頭支架選型

端頭支架除要滿(mǎn)足中部支架相關(guān)要求外，還需適當(dāng)增加支架高度，滿(mǎn)足巷道高度，結(jié)構(gòu)配件與操作系統(tǒng)等與中部支架盡量一致，側(cè)護(hù)板適當(dāng)加長(zhǎng)，保證端頭有效支護(hù)。因此推薦ZYG7000/13/26D型液壓支架作為工作面端頭支架。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)某礦3號(hào)薄煤層實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)工作面開(kāi)采設(shè)備進(jìn)行合理選型，最終選擇MG350/811-WD型采煤機(jī)、SGZ700/400型刮板運(yùn)輸機(jī)、ZY7000/09/18D型液壓支架和ZYG7000/13/26D型端頭支架。實(shí)際生產(chǎn)中，采用該型號(hào)開(kāi)采設(shè)備有效保障了工作面生產(chǎn)需求，維護(hù)簡(jiǎn)單，故障率低，為礦井安全高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。