大采高工作面大功率采煤機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果研究

閆 鈺

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

我國很多煤礦的煤層都較厚，以往主要采用分層開采的方式進(jìn)行回采[1]。這種回采模式工作效率較低。隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，目前大采高采煤工藝在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用[2]。大采高采煤方式與分層開采方式相比較，具有設(shè)備搬動(dòng)次數(shù)少、煤炭回收率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，顯著提升了采煤效益和質(zhì)量[3-4]。對(duì)于厚煤層，大采高采煤工藝是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。采煤機(jī)是采煤裝備中的重要構(gòu)成部分，采煤機(jī)運(yùn)行過程的可靠性和效率直接決定了整個(gè)采煤工藝的效果。所以在選用采煤機(jī)時(shí)，必須基于煤礦實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇[5-6]。

1 某礦井大采高工作面概述

某礦井設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為500萬t，工作面的走向長度和傾斜長度分別約為1 650 m和260 m，煤層傾角在5°～12°范圍內(nèi)。工作面采高范圍在3.5～4 m范圍內(nèi)，平均采高為3.7 m，屬于大采高煤層。其中，工作面巷道頂板圍巖以砂巖為主，直接頂和基本頂分別為細(xì)砂巖和粉砂巖，平均厚度大小分別為3.6 m和2.7 m，底板圍巖同樣以砂巖為主，直接底和老底分別為粉砂巖和細(xì)砂巖，平均厚度大小分別為4.6 m和2.8 m。圍巖整體情況比較穩(wěn)定。

2 采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算及選型

2.1 主要參數(shù)的設(shè)計(jì)

采煤機(jī)滾筒直徑的確定。煤層采高范圍在3.5～4 m范圍內(nèi)。擬通過雙滾筒采煤機(jī)進(jìn)行采煤。采煤機(jī)滾筒直徑計(jì)算公式為D=（0.52～0.6）hmax，其中hmax表示最大采高。可以計(jì)算得到滾筒直徑在2.08～2.4 m范圍內(nèi)。

機(jī)面高度的確定。在確定機(jī)面高度時(shí)需要考慮的因素主要包括最小采高以及支架頂梁厚度，此外還應(yīng)該預(yù)留一定的空隙。煤層最小采高為3.5 m，使用的液壓支架頂梁厚度為0.5 m，預(yù)留間隙0.2 m，則機(jī)面高度不得超過2.8 m。

裝機(jī)功率的確定。裝機(jī)功率的大小直接決定了采煤機(jī)的采煤效率和綜合性能。對(duì)于硬質(zhì)煤層，需要使用裝機(jī)功率較大的采煤機(jī)才能夠更好地完成采煤工作。在估算采煤機(jī)裝機(jī)功率時(shí)主要有兩種方式，第一種方式是根據(jù)煤石的物質(zhì)屬性選擇。即硬度較大時(shí)選擇大功率采煤機(jī)，硬度小時(shí)則選擇功率相對(duì)較小的采煤機(jī)。第二種方式是根據(jù)煤層工作面的產(chǎn)能要求設(shè)計(jì)計(jì)算裝機(jī)功率。當(dāng)前階段，在衡量煤石破碎難易程度時(shí)主要以強(qiáng)度系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)。但是煤石的破碎難易程度并不能夠直接決定采煤機(jī)的裝機(jī)功率，因此根據(jù)第一種方式選擇裝機(jī)功率時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)采煤機(jī)與煤層實(shí)際情況不匹配的問題。所以采用第二種方式設(shè)計(jì)計(jì)算采煤機(jī)裝機(jī)功率大小。

工作面設(shè)計(jì)的采煤產(chǎn)量為每年500萬t，工作面采高在3.5～4 m范圍內(nèi)，平均采高為3.7 m，采煤機(jī)的滾筒截深設(shè)置為0.8 m。礦井總計(jì)有4班人員輪流作業(yè)，每班人員連續(xù)工作6 h，其中3班人員負(fù)責(zé)正常生產(chǎn)采煤，1班人員負(fù)責(zé)設(shè)備維護(hù)檢修。采煤機(jī)開機(jī)率以50%計(jì)算。每年按正常工作330 d計(jì)算。為了滿足礦井年生產(chǎn)總量的要求，采煤機(jī)每小時(shí)需要回采的煤量可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：Qh=fQ/(DNTK)，其中，Qh和Q分別表示采煤機(jī)每小時(shí)的采煤量和礦井每年的總產(chǎn)量；f表示考慮其他因素影響的保險(xiǎn)系數(shù)，取為1.3；K表示采煤機(jī)的開機(jī)率；D、N、T分別表示每年的工作天數(shù)、每天的班數(shù)、每班的工作時(shí)間。將這些參數(shù)代入到公式中進(jìn)行計(jì)算，可以得到采煤機(jī)每小時(shí)至少需要采煤2 189 t才能夠達(dá)到年產(chǎn)量要求。

為達(dá)到以上的采煤量，采煤機(jī)必須以一定的牽引速度割煤。其割煤速度可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：V=Qh/（60BHγC），其中，H和B分別表示平均采煤高度和滾筒截深；C和γ分別表示回采率和煤的密度，取為0.95和135 t/m3。將這些參數(shù)代入到公式中進(jìn)行計(jì)算，可以得到采煤機(jī)的牽引速度至少為9.6 m/min。

采煤機(jī)正常工作時(shí)多個(gè)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，裝機(jī)功率是指所有電機(jī)的總功率之和。可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)裝機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算：Nf=ηHQh，其中，H表示采煤機(jī)回采得到1 m3的煤需要消耗的能量，取0.55；η表示安全系數(shù)，取1.2。可以計(jì)算得到采煤機(jī)的裝機(jī)功率不得低于1 445 kW。

2.2 采煤機(jī)的選型

基于上述的計(jì)算結(jié)果并結(jié)合大采高工作面的實(shí)際情況，最終選擇的采煤機(jī)型號(hào)為KSW-1500EU。該型號(hào)采煤機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：采煤高度在1.4～4.2 m，割煤速度最大可以達(dá)到15 m/min，傾角最大值為13°，供電電壓和裝機(jī)功率分別為3 300 V和1 530 kW，滾筒截深為0.8 m。

3 KSW-1500EU型采煤機(jī)在大采高工作面中的應(yīng)用情況分析

以上只是結(jié)合相關(guān)理論對(duì)大采高工作面使用的采煤機(jī)型號(hào)進(jìn)行了選擇，但是該大功率采煤機(jī)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果如何還需要進(jìn)行檢驗(yàn)。確保其能夠安全生產(chǎn)，并且滿足煤礦年產(chǎn)量的實(shí)際使用需要。

3.1 牽引速度的測(cè)定

為了對(duì)采煤機(jī)的牽引速度進(jìn)行測(cè)定，沿著工作面方向每間隔一段距離設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。間隔的距離已知，可以檢測(cè)得到采煤機(jī)經(jīng)過兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差，進(jìn)而可以計(jì)算得到采煤機(jī)的牽引速度。具體計(jì)算公式為：V=L/t，其中V、L、t分別表示采煤機(jī)的牽引速度、相鄰檢測(cè)點(diǎn)之間的距離、采煤機(jī)連續(xù)經(jīng)過兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差值。如圖1所示為采煤機(jī)牽引速度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

圖1 采煤機(jī)牽引速度分布情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從圖中可以明顯看出，采煤機(jī)并不是以絕對(duì)均勻的速度前進(jìn)，其牽引速度存在較大差異，整體上服從正態(tài)分布。牽引速度為9～11 m/min時(shí)所占的比例最高，比例為23.59%，平均牽引速度為10 m/min左右。

3.2 應(yīng)用情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)

礦井在運(yùn)行過程中，采煤量受多方面因素的影響，但是采煤機(jī)對(duì)產(chǎn)量的影響效果最為顯著。所以通過對(duì)工作面的煤產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠從一定程度上反映采煤機(jī)的應(yīng)用效果。考慮到大采高工作面正式投入運(yùn)行時(shí)，由于多方面原因會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量不高。后續(xù)從第5個(gè)月開始產(chǎn)煤量逐漸趨于穩(wěn)定。所以統(tǒng)計(jì)了工作面投入運(yùn)行以后的第5—8月的煤產(chǎn)量，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出連續(xù)4個(gè)月每個(gè)月的煤產(chǎn)量分別為 58.35 萬 t、43.97 萬 t、55.64 萬 t、45.72萬t，平均每個(gè)月的煤產(chǎn)量為50.92萬t。基于該結(jié)果可以計(jì)算得到礦井每年的產(chǎn)量為611萬t，超過了煤礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。

圖2 采煤機(jī)運(yùn)行的第5—8月產(chǎn)煤量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在統(tǒng)計(jì)分析的4個(gè)月時(shí)間內(nèi)，總計(jì)有328班為出煤班。統(tǒng)計(jì)分析了生產(chǎn)過程中出煤班每班的進(jìn)刀數(shù)，結(jié)果如圖3所示。基于圖中數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到，在統(tǒng)計(jì)的4個(gè)月時(shí)間內(nèi)總共的進(jìn)刀數(shù)量為669刀。可以進(jìn)一步計(jì)算得到平均每班的進(jìn)刀數(shù)為2刀左右。

圖3 采煤機(jī)運(yùn)行的第5—8月出煤班進(jìn)刀數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3 開機(jī)率的調(diào)查

采煤機(jī)的開機(jī)率直接決定了采煤的產(chǎn)量，開機(jī)率越高則對(duì)應(yīng)的煤產(chǎn)量越大。對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的開機(jī)率進(jìn)行了調(diào)查研究，每個(gè)出煤班的正常工作時(shí)間為6 h。經(jīng)過4個(gè)月時(shí)間的跟班統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致采煤機(jī)停機(jī)的原因主要包括三個(gè)方面，分別為工人準(zhǔn)備、故障停機(jī)、清潔打掃，每班對(duì)應(yīng)的平均時(shí)間為30 min、35 min和10 min。可知每班采煤機(jī)正常工作時(shí)間為295 min，可以計(jì)算采煤機(jī)的開機(jī)率為81.94%。可以看出采煤機(jī)的開機(jī)率相對(duì)較高。導(dǎo)致采煤機(jī)停機(jī)的主要原因是工人準(zhǔn)備時(shí)間和設(shè)備故障停機(jī)，這些都是不可避免的。

4 結(jié)語

基于上述分析可以看出，所選用的KSW-1500EU大功率采煤機(jī)在大采高工作面中的應(yīng)用效果較好，不管是采煤機(jī)的牽引速度、采煤量，還是開機(jī)率都達(dá)到了理想的效果，完全能夠滿足實(shí)際使用需要。