綜采工作面加長后三機性能研究及效益分析

王彥兵

（山西冀中能源集團礦業有限責任公司，山西 太原030000）

0 引 言

煤礦可采煤層賦存的地質條件及綜采設備配套情況決定了綜采工作面設計的走向長度和傾斜長度，在地質條件適宜情況下，增加綜采工作面長度，可以減少工作面搬家倒面次數、減少巷道掘進量，提高區域內煤的利用率、增加企業效益。但是增加工作面長度導致巷道支護跨度加大，刮板輸送機部鏈加長，也就對液壓支架支護強度和刮板輸送機輸送能力、輸送功率、鏈條強度提出了新的要求。現在就以凱川礦5號煤綜采工作面為例探討工作面加長后，液壓支架支護強度和刮板輸送機輸送能力、輸送功率、鏈條強度能否滿足安全生產要求，以及設備投入和經濟效益分析。

凱川礦位于呂梁方山縣縣城西南直距22 km的大武鎮下莊村。井田內共有可采煤層5層，為山西組2、3、5號煤層和太原組9、10號煤層。其中5號煤位于山西組下部，上距3號煤層平均23.86 m，距下部K3砂巖頂約5 m。井田東部被剝蝕，賦存區穩定可采。頂板為砂質泥巖，局部中粗粒砂巖及泥巖，厚度1.00～8.00 m，平均3.35 m。底板為砂質泥巖，局部為中砂巖及細砂巖，厚度0.80～2.50 m，平均1.78 m，頂板砂質泥巖單向抗壓強度為38.20 MPa，抗拉強度為2.80 MPa，為較堅硬巖；砂巖單向抗壓強度為58.20 MPa，抗拉強度為1.20 MPa，為較堅硬巖。底板砂質泥巖單向抗壓強度為45.20 MPa，抗拉強度為3.20 MPa，屬較堅硬巖；底板砂巖單向抗壓強度為64.10 MPa，抗拉強度為1.50 MPa，為堅硬巖。

5號煤層現已開采了3個面，最長為177 m，現在考慮從5207工作面開始將工作面提高至220 m，通過減少工作面搬家倒面次數、減少巷道掘進量，提高區域內煤的回采率、增加企業效益。

1 工作面基本情況

1.1 5207工作面地質情況

5207綜采工作面原設計傾斜長度為177 m，煤層厚度2.16～3.85 m，平均為2.94 m，含有2～3層夾矸，夾矸厚為0.07～0.52 m。煤層傾角＜10°，煤層穩定全區可采。該煤層頂板為灰巖，底板為細砂巖，局部為砂質泥巖。

1.2 原設計中5207工作面三機配套

采煤機選用MG300/730-WD雙滾筒電牽引采煤機（截深0.8 m，牽引速度0～7.1 m/min，取平均速度3.5 m/min）；工作面刮板輸送機型號SGZ-764/500（輸送量1 000 t/h，功率2×250 kW）；液壓支架型號ZY5600/17/38（114個架子）。

2 工作面傾斜長度加長至220 m后對原配套設備性能進行分析

2.1 采煤機生產能力

式中：Qc為采煤機生產能力；H為工作面采高，取平均采高2.94 m；B為采煤機截深，0.8 m；V為采煤機平均牽引速度，3.5 m/min；r為煤層容重，1.44 t/m3；C為回采率，中厚煤層取0.95。

2.2 刮板機輸輸送能力、輸送功率及鏈條強度驗算

一般刮板輸送機輸送能力按采煤機生產能力的1.2倍計算。

QS為刮板輸送機輸送能力，現刮板輸送機輸送能1 000 t/h，滿足要求。

工作面刮板運輸機功率確定。

式中：電動機功率備用系數取K=1.2；刮板鏈繞過兩端鏈輪時的附加阻力系數取K1=1.1；輸送機水平彎曲時附加阻力系數取K2=1.1；刮板上每米煤堆放重力如下。

SGZ-764/500刮板輸送機，鏈條直徑為30 mm，由刮板鏈條每米長度質量表查得此刮板鏈條q0=72 kg/m，故刮板鏈每米重力(N)q1=720 N/m。

原煤在溜槽中運行阻力系數取w=0.6；刮板鏈在溜槽中運行阻力系數取w1=0.4；溜槽鋪設長度L=220 m；刮板鏈鏈速V=1.28 m/s；動力傳遞效率n=0.9。

當工作面為水平時NO=600.8 kW，綜合考慮留有一定的寬裕度取刮板輸送機功率NO=800 kW。

式中：K取值范圍為0.002 5～0.003；QS為刮板輸送量，為了留有寬裕度，選擇1 000 t/h；C為輸送長度（溜槽長度220 m）。

根據經驗刮板輸送機功率選擇需大于660 kW，故增加工作面后原刮板電機功率不能滿足生產需要，需更換400 kW電機2臺。

刮板輸送機牽引鏈強度驗算。

式中：kmin為刮板輸送機鏈條最小安全系數，kmin≥2時滿足要求；Ta為刮板輸送機鏈條最小破斷載荷,kN；Tm為刮板輸送機滿載啟動時鏈條最大拉力,kN。

式中:Tb為刮板輸送機單股鏈條最小破斷力,kN；資料查得30×108-C單股鏈條最小破斷力為1 130 kN；nc為刮板輸送機鏈條根數，為2；ka為刮板輸送機鏈條受力不均勻系數，中雙鏈ka=0.85。

式中:nb為刮板輸送機電機啟動力矩系數；取2.4；P為刮板輸送機電機總功率取800 kW；η'為刮板輸送機啟動時總傳動效率；取=2.13≥2滿足安全生產要求。

3 增加綜采工作面長度后的支架支護強度校驗

按照普氏理論，頂板冒落高度h與工作面跨度B和巖石的普氏系數f有關。

式中：B為220 m；f為頂板巖石普氏系數的平均值，5207工作面頂板為灰巖取普氏系數f最小值5；冒落帶高度為22 m。

如果根據頂板冒落高度的巖石質量（靜壓）來計算220 m長度工作面支架的工作阻力P。

則P=h·g·y1·l2·B2=2 970 kN

式中：y1為頂板巖石密度，取2.5×103kg/m3；L2為支架頂梁長度，取4 m；B2為支架頂梁寬度，取1.5 m；P1為動壓，取載荷系數1.5倍。

通過計算，在工作面長度220 m時，支架阻力只要＞4 455 kN即可，凱川煤礦的ZY5600/17/38型液壓支架工作阻力為5 600 kN，理論上現有支架可以滿足工作面加長至220 m后支護要求，工作面長度增加后無需更換新型支架，只需中間架增加29架。

4 5207工作面加長至220 m后三機配套情況

（1）采煤機可以滿足工作面加長至220 m后的采煤要求。故采用原采煤機MG300/730-WD。

（2）工作面刮板輸送機的輸送能力和鏈條強度能滿足工作面加長至220 m后生產要求，只是功率不能滿足，故采用原刮板輸送機SGZ-764/500（配套2臺400 kW電機），增加43 m溜槽（包括溜槽箱體、鏈條、刮板）及更換220 m電纜（如果采用硫化熱補只需增加43 m電纜）。

（3）液壓支架支護強度滿足生產要求，工作面增加ZY5600/17/38型液壓支架加29架即可。

5 投入與經濟效益分析

5.1 設備投入

工作面加長至220 m后，需增加了29臺液壓支架、36塊刮板槽（包括溜槽箱體、鏈條、刮板）、更換220 m采煤機電纜及運輸機電纜，更換兩臺400 kW電機，設備總計投入約900萬元。

5.2 經濟效益分析

5.2.1 提高資源利用率

5號煤采區工作面布置從5207面開始，工作面加長至220 m后，采區工作面布置將減少1個永久煤柱。減少煤柱損失約4萬t，按每噸600元計算，可減少2 400萬元經濟損失。

5.2.2 減少掘進量

工作面加長至220 m后，和原來設計相比能減少了一個工作面，減少了2條順槽巷道的掘進，減少巷道掘進量約2 000 m，按巷道掘進成本每米2 000元計算，可減少掘進費用約400萬元，同時可緩解接續緊張的狀況。

5.2.3 減少了搬家倒面次數

增加工作面長度后，整個采區可減少一個工作面后，減少搬家倒面次1次?？晒澕s搬家倒面費用約300萬元。

6 結 語

通過對5207綜采工作面從177 m增加至220 m綜采三機性能研究計設備投入與經濟效益分析，當工作面長度增加到220 m后，配套設備只需更換刮板輸運機電機，補長刮板、刮板鏈條，及相應增加液壓支架臺數即可滿足220 m綜采工作面設備配套要求，投入少量的設備即可帶來可觀的收入。