大傾角薄煤層綜采工作面配套優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 剛

（貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550000）

貴州省松河煤業(yè)位于貴州省六盤水市，地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°35′38″～104°45′5″，北緯26°2′30″～25°57′45″。該礦井為煤與瓦斯突出礦井，礦井通風(fēng)方式為分區(qū)式，通風(fēng)方法為抽出式，設(shè)計(jì)能力240萬t/a[1]。礦井自投產(chǎn)以來，一直采用綜合機(jī)械化采煤的回采工藝方式。基于礦井煤田的地質(zhì)條件及煤層賦存特征，煤層傾角約為30°，根據(jù)礦井巷道掘進(jìn)布置方式，采煤工作面選擇單一走向長壁后退式采煤方式，頂板管理采用部分人工冒落法。根據(jù)該礦區(qū)煤層賦存特征，參與三機(jī)配套及選型設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案如下。

1 采煤機(jī)設(shè)計(jì)選型

1.1 采煤機(jī)選型原則

（1）由于采煤機(jī)長期處于額定功率會(huì)引起電機(jī)燒損，該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜，存在較多的隱伏小斷層，因此應(yīng)有足夠大的電機(jī)功率，適用的煤質(zhì)硬度范圍為略大于煤及煤矸石的硬度系數(shù)f。

（2）在空間與機(jī)械關(guān)系上，采煤機(jī)應(yīng)與刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、液壓支架相配套。

（3）為了適應(yīng)回采面煤層厚度的變化，應(yīng)配備各種規(guī)格直徑的滾筒，并采用雙滾筒。

（4）該礦區(qū)根據(jù)設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力及井下工作面接替安排，采煤機(jī)的選型應(yīng)同時(shí)考慮其他主采煤層的開采，保證生產(chǎn)能力。

1.2 采煤機(jī)選型

根據(jù)采煤機(jī)選型的主要原則，為保證所選采煤機(jī)適應(yīng)主采煤層的開采，并保證主采煤層生產(chǎn)能力。(3號煤層工作面采煤機(jī)均按150萬t/a）

（1）生產(chǎn)能力選型

采煤機(jī)每小時(shí)生產(chǎn)能力為：

綜采工作面采煤機(jī)小時(shí)生產(chǎn)能力Qh（t/h）為648t/h。

（2）綜采工作面采煤機(jī)平均牽引速度V（m/min）

11采區(qū)3號煤綜采工作面采煤機(jī)平均牽引速度：V=3.9m/min，12采區(qū)3號煤綜采工作面采煤機(jī)平均牽引速度：V=5.07m/min。

（3）計(jì)算工作面采煤機(jī)所需裝機(jī)功率N（kW）

工作面采煤機(jī)所需裝機(jī)功率包括截割電動(dòng)機(jī)、牽引電動(dòng)機(jī)、破碎機(jī)電動(dòng)機(jī)、液壓泵電動(dòng)機(jī)、機(jī)載增壓噴霧泵電動(dòng)機(jī)等所有電動(dòng)機(jī)功率總和[2]。裝機(jī)功率與比能耗HW和采煤機(jī)小時(shí)生產(chǎn)率有關(guān)。

N=Qh×HW

式中：

N-采煤機(jī)所需裝機(jī)功率，kW；

Qh-采煤機(jī)小時(shí)生產(chǎn)率，t/h；

HW-截割比能耗，根據(jù)該礦區(qū)煤質(zhì)硬度系數(shù)及夾矸情況選取HW=0.5。

3#煤綜采工作面采煤機(jī)功率N=324kW。

（4）采煤機(jī)截割阻抗分析

采煤機(jī)截割阻抗，即抗切削強(qiáng)度α標(biāo)志著煤巖的力學(xué)特征，是選取采煤機(jī)裝機(jī)功率的基本依據(jù)，該礦區(qū)為肥煤、焦煤、瘦煤，屬中硬煤，f=1.5～3.0，α在1.8～3.6kN/cm之間。11、12采區(qū)3號煤層平均厚分別為2.55m、2.05m，經(jīng)計(jì)算采煤機(jī)生產(chǎn)能力最大為11.7t/min。根據(jù)以上分析和采煤機(jī)裝機(jī)功率推薦值要求，采煤機(jī)裝機(jī)功率必須大于450kW以上。

（5）采煤機(jī)所需牽引力的確定

影響采煤機(jī)牽引力的因素很多。煤質(zhì)越堅(jiān)硬，牽引速度越高，采煤機(jī)越重，工作面傾角越大則牽引力就越大。據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，采煤機(jī)的牽引力數(shù)值為裝機(jī)功率數(shù)值的0.5倍左右。

（6）確定滾筒直徑

滾筒直徑一般按最大采高的0.6倍來考慮，本礦井煤層厚度變化較大，11、12采區(qū)3號煤層平均厚分別為2.55、2.05m，最大采高考慮在3.3m之內(nèi)，則該礦區(qū)可選用1.6m標(biāo)準(zhǔn)滾筒直徑，采高范圍在1.6～3.2m，能滿足要求。

根據(jù)采煤機(jī)小時(shí)生產(chǎn)能力、功率、牽引速度的計(jì)算結(jié)果及采煤機(jī)所需牽引力、截割阻抗、滾筒直徑的計(jì)算分析，3號回采面采煤機(jī)選型最終定為電頻電牽引AWD-400/930型。

2 刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)選型

2.1 刮板輸送機(jī)選型原則

（1）設(shè)計(jì)輸送能力應(yīng)大于同采面采煤機(jī)的預(yù)期生產(chǎn)能力；

（2）與工作面長度相適應(yīng)的運(yùn)輸機(jī)實(shí)際鋪設(shè)長度，并能夠保證實(shí)時(shí)調(diào)整輸送能力；

（3）尺寸應(yīng)與其他機(jī)械配套設(shè)備要求相適宜，溜槽強(qiáng)度能夠承受采煤機(jī)工作所產(chǎn)生的動(dòng)壓力和靜壓力。

2.2 刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力計(jì)算

刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力按下式計(jì)算：

Q=60×V×h×b×γ×K1×K2×K3

11采區(qū)3號煤綜采面刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力Q=784t/h，12采區(qū)3號煤綜采面刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力Q=771t/h。

據(jù)以上計(jì)算，刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)的小時(shí)生產(chǎn)能力比：

784/648～771 /648=1.21～1.19

因采煤機(jī)計(jì)算功率只需3號煤324kW，則刮板輸送機(jī)裝機(jī)功率P=392kW。

2.3 確定刮板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)長度

3#煤層綜采工作面長度為180m，故刮板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)長度為180m。根據(jù)以上分析，3號煤層綜采工作面均選用SGZ800/400型可彎曲刮板輸送機(jī)，輸送量為1000t/h，滿足采煤機(jī)生產(chǎn)能力與設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求。

3 液壓支架設(shè)計(jì)選型

3.1 液壓支架選型原則

（1）頂板級別：直接頂和基本頂?shù)姆诸悺⒓墑e和性質(zhì)一定程度上決定了架型及液壓支架的工作方式、支護(hù)強(qiáng)度[3]。掩護(hù)式或帶有護(hù)幫裝置的支架應(yīng)用較為廣泛；

（2）底板強(qiáng)度或軟硬程度決定了支架承載底座的結(jié)構(gòu)和面積，分為整體剛性結(jié)構(gòu)、分式剛性結(jié)構(gòu)、左右分體結(jié)構(gòu)。同時(shí)支架底板支護(hù)阻力、底板的允許比壓以及礦壓相適宜；

（3）煤層傾角：主要決定了液壓支架選型的穩(wěn)定性。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：傾角大于12°，支架應(yīng)采取防滑裝置；傾角大于18°時(shí)，應(yīng)同時(shí)裝有防滑、防倒裝置；

（4）煤層厚度：直接決定了支架的伸縮范圍，是支架選型的重要指標(biāo)。采高小于1.3m時(shí)，選擇掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式，主要考慮其通風(fēng)斷面及作業(yè)空間；

（5）瓦斯：西南地區(qū)喀斯特地貌條件下，井田多屬于煤與瓦斯突出礦井，支架選型多采用通風(fēng)斷面大的結(jié)構(gòu)形式，如支撐式和支撐掩護(hù)式支架。

3.2 煤層頂、底板分類

參照直接頂分類指標(biāo)及參考要素，暫將3號煤頂板劃分為Ⅱ類Ⅱa型頂板，即煤層頂板中等穩(wěn)定[4]。該礦區(qū)3號煤底板多為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)，參照回采工作面底板分類指標(biāo)，暫將3號煤底板劃分為Ⅳ類，即底板中硬。

3.3 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度

選擇合理的液壓支架，能夠避免因支護(hù)強(qiáng)度過大而增加支架重量和設(shè)備資金投入，同時(shí)能夠減少搬運(yùn)、安裝時(shí)不必要的困難。而選型強(qiáng)度過小則會(huì)造成其維護(hù)困難，導(dǎo)致頂板過早破碎、離層、冒落，給煤礦生產(chǎn)安全帶來隱患。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法確定3號煤層支架的支護(hù)強(qiáng)度：

P=a×M×γ＝0.55～0.73MPa

式中：

P-液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，t/m2或MPa；

a-頂板中等穩(wěn)定，范圍6～8，取8計(jì)算；

M-最大采高，m；

γ-頂板巖石容重，2.64t/m3。

3.4 支架結(jié)構(gòu)高度的選擇

該礦區(qū)各煤層厚度變化較大，適于綜采工作面最大采高3.4m。最小采高1.4m，液壓支架最大及最小工作高度按下式確定：

H大=M大-S1+200=3.5mH小=M小-S2-a-c=1.1m

3.5 液壓支架選型分析

該礦區(qū)首采面3#煤平均厚度在2m以上，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，應(yīng)采用型號為ZZ4000/16/34型的支撐掩護(hù)式支架[6]，特點(diǎn)是支撐強(qiáng)度較大，通風(fēng)斷面大。

4 結(jié)語

大傾角薄煤層綜采工作面的三機(jī)配套及選型表明：

（1）煤層傾角較大的采面選用的液壓支架是近水平液壓支架工作阻力的1.1～1.3倍，適當(dāng)?shù)奶岣咭簤褐Ъ艿墓ぷ髯枇Γ梢员ＷC液壓支架和采面刮板輸送機(jī)不會(huì)下滑。

（2）采面刮板輸送要選用底板帶防滑條的封閉式刮板輸送機(jī)，刮板輸送機(jī)的功率根據(jù)煤層的厚度和采面的傾角，要選擇動(dòng)力部功率比近水平工作面功率小0.1～0.3倍。

（3）采煤機(jī)的選型不僅要結(jié)合煤層的厚度，還要關(guān)注煤層的構(gòu)造及質(zhì)量，確保采煤機(jī)能夠適應(yīng)本煤層的回采速率和采面的工程質(zhì)量。