中厚偏薄煤層智能開采設備選型及管理實踐

張高杰 趙楷棣 時小勇

（平頂山天安煤業股份有限公司六礦，河南 平頂山 467091）

智能化開采體現了井工煤礦少人、無人安全理念，同時也為礦井高效提供了設備支撐，因此綜采智能化將成為未來煤炭開采的發展趨勢[1]。綜采工作面“三機”配套是綜采設備的核心，尤其是在復雜地質條件工作面選用智能化設備更為重要。

我國安全高效較薄煤層工作面按裝備區分主要有兩種類型：（1）全套國產新型設備；（2）國產液壓支架、重型刮板輸送機配以進口電牽引采煤機[2-3]。六礦戊8-32010工作面選用全套國產智能化綜采設備，實現了安全高效開采。

1 工作面概況

戊8-32010保護層工作面位于六礦三水平戊二上山采區東翼，設計可采走向2400 m，采長220 m，采高2.3 m，埋深780～840 m。工作面煤層較穩定，煤厚1.4～3.0 m，平均2.3 m，屬中厚偏薄煤層。煤層傾角9.7°～1.8°，平均5.7°。煤層偽頂為碳質泥巖，厚度0.2～0.4 m；直接頂為砂質泥巖，厚度10.0～15.15 m；老頂為細砂巖，厚3.0～5.75 m；直接底為砂質泥巖，厚7.0～11.8 m。該工作面呈緩傾斜單斜構造，對回采有影響的斷層有13條。

2 配套選型原則

（1）滿足礦井提升運輸能力及尺寸要求。

（2）適應戊8-22310工作面地質條件及設計參數。

（3）滿足工作面生產能力要求，使用國內成熟設備。

（4）智能化控制系統兼具狀態監測、設備控制、數據分析、智能控制和智能維護功能，滿足順槽控制和地面遠程控制。

3 主要設備選型

3.1 液壓支架

根據礦井煤層頂底板、煤層賦存條件，參照近年礦區開采經驗，確定選用兩柱掩護式液壓支架。

應用于戊8煤層時支架支護強度按經驗公式估算：

式中：K為作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般取6～8；H為最大采高，3 m；R為巖石容重，一般取25 kN/m3。經計算分析，確定戊8-32010采面支架支護強度大于0.6 MPa。

液壓支架工作阻力的確定：

（1）按現行較通用的巖石容重法公式

式中：qz為支架的動載支護強度，kN/m2；kd為動載系數，一般取1.5～2.0（Ⅱ級以上老頂條件），取2；M為一次采厚，取最大采厚3 m；Kp為冒落矸石碎脹系數，一般為1.25～1.35，取1.25；γ為頂板巖石平均容重，取25 kN/m3。

式中：P為支架工作阻力，kN；LK為端面距，取0.5 m；LD為頂梁長度，取4.0 m；B為支架寬度，取1.5 m。

（2）巖層結構法

式中：qz為支架的動載支護強度，MPa；k為動載備用系數，取2(Ⅱ級以上老頂一般取1.5～2.0)；γ為頂板巖石的容重，取25 kN/m3；H為對支架有直接影響的巖層厚度，H=Ltanθ=4.5×tan70°=12.36 m（L為有效控頂距，m；L=LK+LD，取L=4.5 m；LK為端面距，取0.5 m；LD為頂梁長度，取4.0 m；θ為頂板斷裂角，一般為60°～70°）。

式中：P為支架的工作阻力，kN；Lk為梁端距，0.5 m；LD為頂梁長度，取4.0 m；B為支架中心距，取1.5 m；ηs為支架的支護效率，取75%。

根據以上方法，確定工作阻力為6800 kN，根據支架設計架型選取ZY6800-15/32D型掩護式支架。

3.2 采煤機

滿足戊8-32010工作面地質條件及接替面使用，需要功率大、強度高、矮機身、破巖能力強的采煤機。（1）根據礦井工作面年產要求，按平均煤層厚度2.3 m，采煤機截深0.8 m，日平均循環個數8個，確定采煤機牽引速度：）

式中：Vavq為采煤機所需平均牽引速度，m/min；N為工作面平均日循環數8個；L為工作面設計長度220 m；L1為工作面生產時采用斜切進刀方式，開機窩長度取40 m；T為工作面開機時間，12 h；T1為開機窩時間，取20 min。

（2）工作面的最大牽引速度應為：

按照計算，采煤機的實際截煤速度應達到2～4 m/min。

（3）采煤機的截割功率為：

式中：W為需要的采煤機截割功率，kW；Vavq為采煤機平均牽引速度，2.57 m/min；B為工作面截深，取0.8 m；H為采高，取2.3 m；α為破巖能力系數，取1.4；Hγ為能耗系數，取3～3.5。

根據最大、最小煤層厚度，確定采煤機最大 采 高[4]為3 m、最 小 采 高 為1.40 m，選 用MG500/1180-AWD型交流電牽引采煤機，配套強力破巖滾筒，截深定為800 mm。

3.3 刮板輸送機、轉載機、破碎機

3.3.1 刮板輸送機選型

選用SGZ800/1050型刮板運輸機，主要技術參數：電機功率2×525 kW，電壓3300 V，輸送能力1500 t/h，緊鏈方式為液壓馬達緊鏈，鏈型為中雙鏈。根據該面運輸巖石量較大情況，選擇整體鑄造運輸機。

3.3.2 轉載機、破碎機選型

轉載機應具有高強度，能夠與皮帶機尾整體自移，選擇參數以工作面運輸機額定運量乘1.1環節系數確定，選擇SZZ800/315轉載機，主要技術參數：電機功率315 kW，電壓3300 V，輸送能力1800 t/h，鏈型為中雙鏈，結構與運輸機相同為整體鑄造。

破碎機應確保工作面刮板機、轉載機煤流及時通過，選擇PLM2200破碎機，主要技術參數：電機功率200 kW，電壓3300 V，破碎能力2200 t/h。

3.4 乳化液泵站

支架供液系統應具有的流量QL由下式估算[5-6]：

式中：QL為支架供液系統應具有的流量，L/min；Vy為移架速度，取 4.0 m/min；Kf為同時用液工況富裕系數，取2.5；N1為推移千斤頂個數，1個；S1為支架移動步距，取0.8 m；F1為推溜千斤頂活塞作用面積，0.031 4 m2；N2為立柱個數，2根；S2為升柱降柱行程，0.95 m；F2為降柱時活塞作用面積，取0.001 2 m2；F3為升柱時活塞作用面積，取0.013 8 m2；J為支架中心距，取1.5 m。經計算，QL=357.5 L/min。

支架供液系統最低流量應不低于357.5 L/min，乳化液泵站選用WRB400/37.5型，配套兩泵一箱，液箱RX400/50 (容積≥5000 L)型。乳化液泵站主要參數：功率315 kW，電壓1140 V，額定流量400 L/min，額定壓力≥37.5 MPa。

3.5 智能化系統組成

綜采工作面自動化系統按照工控結構分為設備控制層、數據傳輸層和智能化控制層。智能化控制系統包含順槽控制室和地面控制室。設備控制層包含采煤機子系統、液壓支架子系統、三機通訊控制子系統、智能刮板監測系統、泵站系統、負荷中心供電系統、順槽皮帶控制系統、視頻系統、環境監測系統和工作面內人員定位系統。數據傳輸系統包含工作面以太網系統、工作面數據節點接入系統。

4 “二三二”設備管理模式

（1）雙重包機，明確設備管理責任

將采面智能化設備包機：檢修班包機檢修，生產班包機操作檢查。檢修包機人每天必須對設備全面檢查維護，生產班包機人負責接班設備檢查、班中設備操作和班末設備交接。

（2）三級巡查，及時發現設備隱患

生產班接班必須給包機人充足設備巡查時間，及時發現、處理隱患；檢修班班長每天詳細巡查設備，及時協調處理隱患并對生產班設備使用和排查監督；跟班干部每旬至少對設備全面巡查一次并記錄，檢查督促生產班和檢修班工作。

（3）兩級責任追究，強化設備意識

對生產過程中損壞設備落實兩級責任追究。一是責任班組自行追查分析事故原因和主要責任，并對責任人提出處理意見；二是隊主要領導根據班組處理意見，判斷班組的責任大小，參照隊里的相關制度對班組最終處理。

5 創新與改進

（1） 在工作面走向長度超過2000 m、信號傳輸難度大的情況下，采取增加中繼器提升信號強度，實現了井下集控中心及地面數據傳輸、一鍵啟停功能正常使用。

（2）反沖洗過濾廢液實現復用。支架反沖過濾廢液直接排放造成乳化油和凈化水浪費，設計布置架間廢液回收管路，將廢液直接排入風巷打鉆專用泵箱，實現了廢液再利用。

6 效果分析

通過科學設備選型和管理，工作面實現了減人提效，見表1。八點班、零點班兩班生產，四點班打鉆對煤層卸壓注水，最高月產20.35萬t。

表1 智能化與常規綜采工作面比對

7 結論

（1）智能化工作面開采，減輕了職工勞動強度，單班人員由25人縮減至9人，減少事故根源，保證了安全生產。

（2）設備升級，必須配套管理升級，才能實現人機安全。