大采高工作面采煤機型號的選擇及應用效果評價

劉學亮

（同煤集團麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036005）

引言

近年來，煤炭開采技術水平有了大幅度提升，越來越多的煤礦采用綜合機械化的形式進行開采[1]。對于厚煤層，通過大采高采煤工藝有很多優(yōu)勢，比如煤炭回采率和生產效率都更高等[2]。大采高采煤工藝雖然有一些優(yōu)勢，但在實踐中也表現(xiàn)出了一些缺陷[3]。這就要求對大采高工作面的采煤設備進行合理選擇，只有保證采煤機設備與煤礦工作面相匹配，才能夠保障整個生產過程的順利推進，且保障生產過程的安全[4-5]。本文對大采高工作面的采煤機進行了設計選型，選擇的采煤機型號在實踐應用中取得了較好的效果，故障率較低，且能夠保證礦井的產能。

1 煤礦工作面概況

某煤層礦井的設計產能為每年1 000 萬t，結合煤層具體情況設計的采高在5.5～6.2 m 范圍內。工作面的走向長度和傾向長度分別為2 000 m 和300 m左右，煤層傾角大小在15°～20°范圍內，傾角的平均大小為18°。經過前期的地質勘察發(fā)現(xiàn)煤石的硬度系數大小為1.43，從整體上來看煤層相對穩(wěn)定。煤層的直接頂和基本頂分別以細砂巖和粉砂巖為主，平均厚度分別為2.6 m 和4 m。直接底和老底分別以粉砂巖和細砂巖為主，平均厚度分別為3.5 m和4.2 m。為確保采煤效率，擬通過綜合機械化采煤方法對煤層實施回采，需要對采煤機進行合理選型。如圖1 所示為礦井工作面的總體布置情況。

2 采煤機選型基本原則

采煤機是所有采煤設備中最為關鍵的設備之一，采煤機型號的合理選擇直接決定了采煤效率。在選擇采煤機型號時必須要綜合考慮煤層的屬性以及地質條件等因素，還要考慮使用過程中的維護和保養(yǎng)問題。需要基于下述的幾點原則來選用采煤機：

圖1 礦井工作面的總體布置情況

1）煤層傾角。牽引力會受到煤層傾角的直接影響，如果煤層傾角相對較大就需要采取措施避免其發(fā)生滑動，大傾角煤層管理和開采難度相對較高。

2）煤質硬度。煤質硬度越高，開采過程需要做的功就越多。為了完成整個采煤工作就需要功率更大的采煤機。可以看出，煤質硬度會對采煤機的功率產生影響。

3）采高和煤層厚度。此項因素是選擇采煤機型號時的重要依據，所選擇的采煤機滾筒直徑必須要與煤厚相匹配。

4）采煤工藝。不同的采煤工藝，需要與之配套的采煤機。所以需要首先確定采煤工藝，再根據采煤工藝來選擇對應的采煤機類型。

5）生產能力。通常情況下礦井的生產能力在設計階段就已經確定，選用的采煤機必須能夠滿足礦井的年產量基本要求。

3 綜采工作面采煤機型號的選擇

3.1 滾筒直徑以及轉速的計算

為了達到采煤工作要求，采煤機的滾筒直徑D通常需要比最大采煤高度hmax的一半要大，在實踐過程中可以根據下式進行計算：D=（0.5-0.6）hmax。將數據代入上式可以計算得到采煤機滾筒直徑應該在3.1～3.72 m 范圍內。

滾筒轉動速度不僅會對采煤效果產生影響，同時也會影響礦井工作環(huán)境。根據有關理論計算和實踐結果表明，當采煤機的割煤速度固定不變時，如果滾筒轉動速度越快，那么采煤機消耗的能量越大，產生的粉塵也越多。另外，采煤機滾筒旋轉速度越大，那么導致循環(huán)周期越短，會在一定程度上影響采煤機的裝煤效果。實踐中采煤機的滾筒轉速通常在30～40 r/min 范圍內。

3.2 滾筒截深的確定

截深的概念就是采煤機在正常采煤時，滾筒結構截入煤壁的深度大小。截深大小直接影響著采煤效率，截深越大采煤效率自然也越高。在實踐中確定截深時需要綜合考慮多方面因素進行選擇。需要重點考慮的因素包括煤層厚度、煤層傾角、煤層支護效果等。對于本文所述的大采高煤層，通常設置的截深相對較大。在充分考慮礦井實際情況并借鑒實踐經驗的基礎上，將滾筒截深設置為0.865 m。

3.3 采煤機生產能力計算

在綜合考慮煤層實際情況的基礎上，將工作面采高設計在5.5～6.2 m 范圍內，截深設計為0.865 m。在對采煤機型號進行選擇時，不僅要考慮煤層的賦存情況，同時還要考慮與其他采煤設備之間的匹配問題。因此，在選擇采煤機型號時要求最大采高超過6.2 m。采煤機的割煤速度可以根據礦井的年產能進行計算。假設礦井每年正常工作時間330 d，平均每天能夠正常工作的時間為20 h。根據年產能1 000萬t 計算，經過計算后最終將采煤機割煤速度設定在10 m/min。大采高煤層對液壓支架穩(wěn)定性提出了較高要求，以這樣的速度采煤能夠保證液壓支架工作穩(wěn)定性。

采煤機的生產能力Qc可以通過下式進行計算：Qc=60HbvρC。其中：H 和b 分別表示采煤機的采高以及截深；v 表示采煤機的割煤速度，10 m/min；C 表示礦井工作面的回采率，本研究中取95%；ρ 表示煤的密度，經過前期實驗得到煤的密度大小為1.4 t/m3。將以上數據代入到公式中可以計算得到采煤機的生產能力為3 796～4 279 t/h。

3.4 采煤機裝機功率計算

可以通過比能法來計算采煤機的裝機功率大小，具體的計算公式為：P=QcHw.其中：P 表示采煤機的裝機功率；Hw表示噸煤功率消耗，即采煤機每回采得到1 t 煤需要消耗的能量。為了對噸煤功率消耗值進行估算，以6LS05 型采煤機作為例子進行計算。該型號采煤機的功率為1 530 kW，割煤速度和采高分別為10 m/min 和4.5 m。同樣可以利用公式計算得到6LS05 型采煤機的生產能力為3 025 t/h。于是可以計算得到噸煤功率消耗Hw=1 530÷3 052≈0.5 kWh。

假設一般采煤機的噸煤功率消耗相同，本研究在計算時將噸煤功率消耗Hw視為0.5 kWh。由此可以計算當煤層采高分別為5.5 m 和6.2 m 時，需要的采煤機功率分別為1 865 kW 和2 102 kW。經過上述的初步計算分析，結果認為采煤機的裝機功率應該在2 100 kW 以上即可。

3.5 采煤機型號確定

基于以上分析計算結果并結合大采高工作面實際情況， 最終選用的采煤機型號為MG900/2245-GWD。該型號采煤機的采高在2.7～6.3 m范圍內，滾筒直徑和轉動速度分別為3 200 mm 和35 r/min，額定電壓和額定功率分別為3 300 V 和2 245 kW，最大割煤速度和生產能力分別為24.4 m/min 和4 500 t/h，截深為0.865 m。以上技術參數完全能夠滿足煤礦實際使用需要。 另外，MG900/2245-GWD 型號采煤機其他技術參數還包括：最大傾角和最大牽引力分別為25°和1 105 kN，冷卻方式、冷卻水量和冷卻水壓分別為內外噴霧400 L/min 和10 MPa。另外，與采煤機配套的液壓支架和刮板輸送機型號分別為ZY10000/28/62D 和SGZ1250/2565。

4 采煤機現(xiàn)場應用效果分析

本文所述的大采高綜采工作面，選用的采煤設備全部為我國自行研究設計生產的設備。選用的采煤機型號為MG900/2245-GWD，額定功率達到2 245 kW，最大割煤速度為24.4 m/min。與國內其他大采高綜采工作面使用的采煤裝備相比較處于先進水平。采煤機正常作業(yè)過程中，設備需要承受非常大的載荷，總體而言作業(yè)環(huán)境非常復雜。采煤過程中必然會對采煤機械設備造成一定損傷，采煤機出現(xiàn)各種故障問題是非常常見的現(xiàn)象。由于選用的采煤機為國產設備，所以對設備進行維護保養(yǎng)時非常方便。一旦采煤機出現(xiàn)大的故障問題，廠家會立即派工程師趕往現(xiàn)場對其進行處理，能在最大限度上縮短設備停機時間，降低煤礦損失。

MG900/2215-GWD 型采煤機在實踐應用過程中取得了非常好的應用效果。由于該型號采煤機功率很大，所以很多承力結構件都進行了強化處理。機器在運行過程中整體的穩(wěn)定性較好，在長達1 年時間的使用過程中，并沒有出現(xiàn)非常大的故障問題，只是偶爾出現(xiàn)一些局部零部件損壞現(xiàn)象，未對采煤過程造成嚴重的不良影響。 實踐證明，MG900/2215-GWD 型采煤機各項技術指標能夠滿足現(xiàn)場實際使用需要，保障了產煤效率，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經濟效益。