磁窯溝煤礦13號(hào)煤層工作面綜放開采三機(jī)設(shè)備選型研究

杜偉劍，田海喜

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

1 概 況

隨著煤炭開采技術(shù)以及采煤設(shè)備的不斷發(fā)展，綜合機(jī)械化開采已在我國的煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)采煤方法比較，綜合機(jī)械化開采無論是在生產(chǎn)效率還是支護(hù)效果上都有很大優(yōu)勢。綜采工作面“三機(jī)”在開采中發(fā)揮著核心作用，對于不同地質(zhì)構(gòu)造條件以及煤層賦存情況的工作面，選擇合理可行的“三機(jī)”配套設(shè)備十分重要。本文針對磁窯溝煤礦13號(hào)煤層工作面地質(zhì)條件、煤層賦存條件，在分析總結(jié)“三機(jī)”配套原則的基礎(chǔ)上，通過理論計(jì)算，對磁窯溝煤礦13號(hào)煤層工作面“三機(jī)”配套選型進(jìn)行研究。

2 工程情況

磁窯溝煤業(yè)有限公司位于河曲縣城東南方向18 km，西距黃河6.5 km，行政區(qū)劃屬河曲縣鹿固鄉(xiāng)所轄。井田地理坐標(biāo)東經(jīng)111°18′03″～111°20′15″，北緯39°16′29″～39°18′31″。

2.1 工作面

井田內(nèi)13號(hào)煤層位于太原組下部，最低底板標(biāo)高為+792 m，煤層厚2.90～19.40 m，平均11.58 m，在井田北部、東部有分叉現(xiàn)象。分層區(qū)內(nèi)煤層的厚度2.90～19.40 m，平均10.25 m，上距13-1號(hào)煤層0.85～9.05 m，平均3.03 m；合并區(qū)內(nèi)煤層厚度9.12～19.40 m，平均12.25 m，上距11號(hào)煤層2.45～51.80 m，平均26.89 m。13號(hào)煤層為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單—極復(fù)雜，含夾矸0～9層。頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖；底板為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖。井田東部有少許剝蝕區(qū)，13號(hào)煤層曾經(jīng)開采過，采空區(qū)主要位于井田東部，煤層?xùn)|部存在采（古）空積水區(qū)1處，積水量138 011 m3

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

煤礦位于河?xùn)|煤田河保偏礦區(qū)內(nèi)中東部，地層傾角4°～9°。總體為一走向近南北向，傾向向西的單斜構(gòu)造，并伴有寬緩的褶曲和小規(guī)模斷層。煤礦斷層不發(fā)育；發(fā)育緩波狀褶皺，但對煤層厚度變化無大的影響；煤礦內(nèi)目前尚未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。

2.3 采煤方法

根據(jù)國內(nèi)外特厚煤層開采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合磁窯溝煤礦13號(hào)煤層厚度及煤層特點(diǎn)，對13號(hào)煤層采煤方法和工作面合理布置方式研究得出，13號(hào)煤層厚度變化大，分層布置工作面進(jìn)行回采，投入產(chǎn)出低，安全性差，工程量大，投資回收周期較長，在很大程度上限制了礦井發(fā)展。因此，13號(hào)煤適宜大采高綜放整層開采，采用走向長壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化采煤法。

2.4 采高確定

根據(jù)統(tǒng)計(jì)井田鉆孔數(shù)據(jù)得出，磁窯溝煤礦13號(hào)煤層總厚2.9～19.4 m，平均厚11.58 m。由于煤質(zhì)中硬，采高較大時(shí)容易造成片幫冒頂，威脅工作面作業(yè)安全。鑒于磁窯溝煤礦的實(shí)際開采經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采高增大到4 m以上時(shí)容易發(fā)生片幫冒頂，因此，最終確定合理的割煤高度為4 m。

3 綜采三機(jī)配套原則

采煤中的“三機(jī)”為采煤機(jī)、液壓支架以及刮板運(yùn)輸機(jī)，三者相互配合、適應(yīng)，共同構(gòu)成整個(gè)綜采工作面的采煤機(jī)械系統(tǒng)。因此，工作面的“三機(jī)”配套是采煤工藝的重要根據(jù)，也是其中單機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。合理“三機(jī)”配套不僅可以提高工作面的生產(chǎn)能力，還可以減小機(jī)械故障率。

3.1 配套總原則

綜采面“三機(jī)”配套應(yīng)遵循的原則有：①與工作面地質(zhì)條件適應(yīng)；②“三機(jī)”之間的尺寸、強(qiáng)度以及連接方式相互適應(yīng)；③單機(jī)工作能力符合生產(chǎn)要求；④“三機(jī)”壽命應(yīng)一致。

3.2 生產(chǎn)能力配套

（1）保證采煤機(jī)生產(chǎn)能力大于工作面產(chǎn)能規(guī)劃產(chǎn)量。

（2）刮板機(jī)運(yùn)輸能力要大于采煤機(jī)生產(chǎn)能力，防止落煤不能及時(shí)運(yùn)出。

（3）液壓支架的移動(dòng)速度應(yīng)與采煤機(jī)的牽引速度相適應(yīng)。

3.3 性能配套

綜采面的“三機(jī)”性能配套的目的是降低采掘成本、減小開采中的安全風(fēng)險(xiǎn)以及提高開采效率。

（1）采煤機(jī)與運(yùn)輸機(jī)的配套。采煤機(jī)的機(jī)構(gòu)與運(yùn)輸機(jī)的機(jī)構(gòu)應(yīng)相互適應(yīng)，如工作面中端頭三角煤是采煤機(jī)架在運(yùn)輸機(jī)上割采。

（2）運(yùn)輸機(jī)與液壓支架的配套。液壓支架和運(yùn)輸機(jī)穩(wěn)定性能與煤層傾角相匹配，液壓支架與運(yùn)輸機(jī)中部槽連接穩(wěn)定。

（3）采煤機(jī)與液壓支架的配套。采煤機(jī)高度與液壓支架支護(hù)高度匹配，采煤機(jī)開采深度與支架移動(dòng)步距匹配。

“三機(jī)”配套平面圖如圖1所示。

圖1 “三機(jī)”配套平面圖Fig.1′Three machines′matching

圖1中，A為采煤機(jī)切割深度，B為鏟間距，C為采煤機(jī)滾筒最大臥底值，D為過煤高度，S為運(yùn)輸機(jī)中部槽內(nèi)部寬度，a為運(yùn)輸機(jī)鏟煤板寬，b為電纜線槽寬，F(xiàn)為留設(shè)空頂寬度，G為支護(hù)高度，H為電纜線槽至支架立柱距離。

3.4 壽命配套

工作面的綜采工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，“三機(jī)”的統(tǒng)一正常運(yùn)行是保證采煤工作的關(guān)鍵。壽命配套指的是液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)以及采煤機(jī)等主要設(shè)備的大修周期的匹配。假若工作面主要設(shè)備發(fā)生交替損壞或帶故障運(yùn)行，必定會(huì)影響采煤工作效率。

4 液壓支架

磁窯溝煤礦13號(hào)煤層硬度中硬，兩柱與四柱適應(yīng)性差別較小，由于兩柱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化難度低，因此，13號(hào)煤層首采綜放工作面選用兩柱掩護(hù)式放頂煤支架。

4.1 液壓支架參數(shù)

（1）支架高度。

磁窯溝煤礦13號(hào)煤層支架最大及最小高度：

式中：Hmax為最大支護(hù)高度，mm；Hmin為最小支護(hù)高度，mm；Mmax為最大采高，mm；Mmin為最小采高，mm；S1為最大偽頂垮落厚度，mm；S2為頂?shù)装逑鲁亮颗c沉矸厚度之和，mm；K為液壓支架伸縮比。

（2）支護(hù)強(qiáng)度。

支護(hù)強(qiáng)度為支架受到的工作阻力與支護(hù)面積的比值，支護(hù)強(qiáng)度越大，頂梁長度越小，且支架穩(wěn)定性越強(qiáng)，重量越輕。頂板支護(hù)強(qiáng)度由頂板等級(jí)與煤層厚度確定：

式中：q為支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K為頂板巖石厚度系數(shù)；ρ為平均巖石密度，kg/m3。

（3）工作阻力。

工作阻力是在液壓支架支撐時(shí)頂板對其的壓力形成的：

式中：R為支架工作阻力，N；F為支護(hù)面積，m2；L為支架的頂梁長度，m；C為頂梁端距離，m；B為頂梁寬，m；K為支架間距離，m。

（4）支架中心距與寬度。

液壓支架的中心距離為工作面一節(jié)溜槽的長度，支架中心距與采高有關(guān)，根據(jù)磁窯溝煤礦13號(hào)煤層13101工作面平均采高，其中心距離為1.75 m。

根據(jù)液壓支架的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，支架寬度即為頂梁的寬度。一般情況下，中心距為1.5 m的支架寬度為1 680～1 880 mm。

（5）初撐力。

初撐力是液壓支架支護(hù)性能的重要指標(biāo)，初撐力越大，支架的支護(hù)性能越好，達(dá)到工作阻力所需的時(shí)間越短，頂板支撐效果越好，支架成本越高。初撐力計(jì)算：

式中：Pc為支架初撐力，kN；D為支架立柱的油缸直徑，m；Pb為泵站工作壓力，MPa；n為單個(gè)支架立柱個(gè)數(shù)；α立柱與頂板垂線夾角。

（6）支架選型。

根據(jù)磁窯溝煤礦13號(hào)煤層實(shí)際情況，通過以上公式對液壓支架參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 液壓支架參數(shù)計(jì)算Table 1 Calculation of hydraulic support parameters

基于以上液壓支架參數(shù)計(jì)算結(jié)果，初選ZFY 15000/24/43D放頂煤液壓支架。

（7）頂板控制。

①支架布置。根據(jù)以上要求，選擇ZFY15000/24/43D型放頂煤液壓支架、ZFG15000/27/42D型過渡液壓支架、ZTZ20000/24/45型端頭支架。

②控頂距。

控頂距由液壓支架頂梁長度（L1）、端面距（L2）、及采煤機(jī)截深S決定。

最大控頂距：

最小控頂距：

計(jì)算可得，工作面最大控頂距為5 430 mm，最小控頂距為4 630 mm。

4.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

綜采工作面頂板傳遞壓力：

計(jì)算可得，頂板壓力為1.03 MPa，所選液壓支架強(qiáng)度為1.63 MPa，滿足支護(hù)要求。

5 采煤機(jī)

在采煤機(jī)的選型中，采煤機(jī)的電機(jī)功率、截采高度、深度等相關(guān)參數(shù)應(yīng)根據(jù)工作面規(guī)劃生產(chǎn)能力而確定。采煤機(jī)的生產(chǎn)能力可由采高、截深、工作時(shí)間利用率等因素決定。

5.1 采煤機(jī)參數(shù)

（1）截割高度。

截割高度是指采煤機(jī)作業(yè)底板以上空間的高度。采煤機(jī)的截割高度應(yīng)隨著煤層厚度的變化而變化。受浮煤和頂板下沉的影響下，生產(chǎn)時(shí)實(shí)際截高通常比煤層厚度小0.1～0.3 m。因此，截割范圍為Hmax=4.5 m，Hmin=2.5 m。

（2）滾筒直徑。

雙滾筒采煤機(jī)一次采全高，因此，滾筒直徑應(yīng)大于最大煤層厚度一半，滾筒直徑初步選擇2.24 m。

（3）截深。采煤機(jī)滾筒截入煤壁的深度即為截深，采煤機(jī)截深初步確定為865 mm。

（4）滾筒轉(zhuǎn)速。

工作面生產(chǎn)率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而增加，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，工作面粉塵產(chǎn)出量、機(jī)械消耗量也會(huì)隨之增加。磁窯溝煤礦13號(hào)煤層13101采煤工作面選擇的采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速為29.29 r/min。

（5）采煤機(jī)最小設(shè)計(jì)生產(chǎn)率。

磁窯溝13號(hào)煤層綜放開采要實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)400萬t的要求，每年按330個(gè)工作日計(jì)算，工作面長度按240 m計(jì)算，當(dāng)工作面采用端部斜切進(jìn)刀雙向割煤方式時(shí)，采煤機(jī)平均落煤能力：

式中：Qm為采煤機(jī)平均落煤能力，t/h；Qr為采煤工作面平均日產(chǎn)量，按12 121 t/d計(jì)算；L為工作面長度，取240 m；Ls輸送機(jī)彎曲段長度，取35 m；Lf為工作面放煤長度，取215 m；Lm為采煤機(jī)兩滾筒中心距，取14 m；γ為煤容重，取1.45 t/m3；C為工作面采煤機(jī)割煤回采率，取95%；Cf為頂煤回采率，取75%；Td為采煤機(jī)返向時(shí)間，取1 min；B為采煤機(jī)截深，取0.8 m；Hf為平均頂煤厚度，取7.58 m；T1為工作面采煤時(shí)間，取1 080 min（按18 h計(jì)算）；K為采煤機(jī)平均日開機(jī)率，取0.8；i為采煤機(jī)割煤速度Vc與空刀牽引速度Vk之比，取0.5。

（6）采煤機(jī)牽引速度。

采煤機(jī)沿著工作面移動(dòng)的速度即為采煤機(jī)的牽引速度，其與采煤機(jī)生產(chǎn)率、牽引機(jī)電機(jī)功率、截割機(jī)功率成正比。采煤機(jī)牽引速度為：

（7）截割功率。

總裝機(jī)功率包含有牽引機(jī)、液壓泵電機(jī)、截割電機(jī)、噴霧電機(jī)、破碎機(jī)電機(jī)所有電機(jī)功率之和。運(yùn)用比能耗法估算法預(yù)估電機(jī)功率：

式中：N為采煤機(jī)截割功率，kW；Kb為備用系數(shù)，為1.5；Hw為采煤機(jī)割煤單位能耗，13號(hào)煤層為中硬煤，取0.75 kWh/m3。

（8）牽引力。

牽引力為驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)行走的動(dòng)力，牽引力通常為采煤機(jī)電機(jī)功率的一半，因此牽引力為2×400 kN。

通過計(jì)算得出，小時(shí)產(chǎn)量、割煤速度和功率分別為525 t/h、1.9 m/min和410 kW。因此，綜放開采實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)400萬t，采煤機(jī)割煤功率應(yīng)不小于410 kW。

5.2 采煤機(jī)選型

通過計(jì)算，可得采煤參數(shù)見表2。

表2 采煤機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of shearer

根據(jù)采煤機(jī)采煤機(jī)參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，選用雙滾筒采煤機(jī)，型號(hào)為MGTY650/1620-WD。

6 刮板運(yùn)輸機(jī)

6.1 刮板運(yùn)輸機(jī)參數(shù)

根據(jù)不同采煤工作面傾角、長度的不同，需對刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力、電機(jī)功率以及連接強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

（1）運(yùn)輸能力。

為實(shí)現(xiàn)綜放工作面安全高效，工作面采煤機(jī)割煤和放頂煤工序應(yīng)最大限度地平行作業(yè)，在選擇綜放工作面參數(shù)和設(shè)備能力時(shí)，應(yīng)使采煤機(jī)平均循環(huán)割煤時(shí)間Tc與放頂煤平行循環(huán)時(shí)間Tf匹配，以減少2個(gè)工序的相互影響時(shí)間，提高工作面單產(chǎn)。

當(dāng)綜放工作面長240 m，采煤機(jī)平均循環(huán)割煤時(shí)間：

式中：Tc采煤機(jī)平均循環(huán)割煤時(shí)間，min。

式中：Tf為工作面平均放頂煤循環(huán)時(shí)間，min；Vf為沿工作面平均放煤速度，m/min；Lf為工作面放頂煤的長度，m。

因此與采煤機(jī)落煤能力相配套的工作面平均放煤能力為：

式中：Qf為工作面平均放頂煤能力，t/h；m為放煤步距與采煤機(jī)截深之比，一采一放時(shí)m=1；Cg為放出頂煤的含矸率，%；Hf為頂煤平均厚度，m。

滿足工作面最大放煤流量的要求的后部刮板輸送機(jī)能力：

式中：Kf為放煤流量不均勻系數(shù)，考慮到頂煤硬，出現(xiàn)大塊的可能性大，瞬間煤流量大，取1.3；Ky為考慮運(yùn)輸方向及傾角系數(shù)，取1.0。

根據(jù)上述公式計(jì)算，當(dāng)割煤高度為4.0 m時(shí)，后部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力應(yīng)不小于1 276 t/h。

（2）運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行阻力。

刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行工作受力有刮板鏈條、煤在溜槽中移動(dòng)時(shí)的摩擦力以及煤與刮板鏈條重力在移動(dòng)方向上的分力，如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸機(jī)受力示意Fig.2 Force diagram of transporter

運(yùn)輸機(jī)單位長度重量為：

式中：q為運(yùn)輸機(jī)單位長度重量，kg/m；v為刮板鏈速，1.3 m/s。

刮板運(yùn)輸機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)所受阻力：

刮板運(yùn)輸機(jī)空載運(yùn)行時(shí)所受阻力：

式中：Wzh為滿載運(yùn)行時(shí)總阻力，kN；Wk為運(yùn)輸機(jī)空載運(yùn)行時(shí)總阻力，kN；ω為運(yùn)輸機(jī)在溜槽內(nèi)煤的阻力系數(shù)；ω1為鏈條運(yùn)行時(shí)阻力系數(shù)；g為重力加速度，10 m/s2；β為刮板運(yùn)輸機(jī)傾角。

代入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算可得，q=185.4 kg/m，Wzh=493.7 kW，Wk=88.9 kW。

（3）刮板鏈條張力。

雙鏈刮板運(yùn)輸機(jī)鏈條最小張力一般為3 000 N，且最小張力點(diǎn)位于主動(dòng)輪分離點(diǎn)1，如圖3所示，其余各點(diǎn)張力應(yīng)用逐點(diǎn)張力計(jì)算：

圖3 逐點(diǎn)張力法計(jì)算示意Fig.3 The schematic diagram of point by point tension method

刮板運(yùn)輸機(jī)的牽引力不僅需要考慮運(yùn)輸中阻力作用，還要考慮刮板機(jī)械自身運(yùn)行中的摩擦阻力以及彎曲段的附加阻力，則總牽引力為：

式中：Wf為計(jì)算阻力系數(shù)，取1.1。代入計(jì)算得，總牽引力為704.9 kN。

（4）電機(jī)功率。

根據(jù)刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行阻力以及牽引力，可計(jì)算電機(jī)功率：

式中：η為傳動(dòng)機(jī)效率，取0.8。

實(shí)際中，刮板運(yùn)輸機(jī)工作運(yùn)行時(shí)，載貨長度會(huì)隨著采煤機(jī)的割采移動(dòng)而改變，因此電機(jī)功率計(jì)算為：

式中：Nmax為運(yùn)輸機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)功率，kW；Nmin為運(yùn)輸機(jī)空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)功率，kW。

刮板運(yùn)輸機(jī)的電動(dòng)容量：

將相關(guān)參數(shù)代入可得，Nd=1 374.5 kW。

（5）鏈條強(qiáng)度。

運(yùn)用最大張力驗(yàn)算刮板機(jī)鏈條強(qiáng)度，鏈條抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)K：

式中：Sp為鏈條破斷拉力，N；λ為雙鏈負(fù)荷不均勻系數(shù)，取0.85。

代入求得，K=6.6＞3.5。6.2 刮板運(yùn)輸機(jī)選型

根據(jù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，選擇SGZ1000/1400型刮板運(yùn)輸機(jī)，其技術(shù)特征見表3。

7 結(jié) 語

磁窯溝煤礦13號(hào)煤層為厚度達(dá)到10 m以上的特厚煤層，采用綜放式開采?！叭龣C(jī)”配套選型中，在總體原則的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了“三機(jī)”在生產(chǎn)能力、性能以及壽命方面的配套原則。根據(jù)磁窯溝煤礦13號(hào)煤層概況、地質(zhì)構(gòu)造條件及相關(guān)計(jì)算參數(shù)對“三機(jī)”配套參數(shù)進(jìn)行理論理論計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用ZFY15000/24/43D放頂煤支撐掩護(hù)式液壓支架、MGTY650/1620-WD型雙滾筒采煤機(jī)以及SGZ1000/1400型刮板運(yùn)輸機(jī)。

表3 刮板運(yùn)輸機(jī)技術(shù)特征Table 3 Technical characteristics of scraper conveyor