合并煤層綜合機械化一次采全高工作面的設備配套研究系統(tǒng)分析

王益清

（山西離柳焦煤集團有限公司，山西 孝義 032300）

1 礦井概況

礦井位于河東煤田東段[1]，其33409工作面擬采3、4號合并煤層屬二疊系山西組下端，頂部煤層。33409工作面3、4號合并煤層頂?shù)装鍨榛液谏百|(zhì)泥巖、泥巖。

33409工作面主采（3+4）號，煤層均厚3.65m。通過一次采全高的礦壓和開采工藝分析，采用合并煤層綜合機械化一次采全高走向長壁后退式采煤法。它的“三機”配套需要結合工作面的生產(chǎn)要求與地質(zhì)條件，并滿足采煤設備的選型、工作面支護方式的確定、各設備之間生產(chǎn)能力、物理機械特性匹配、空間尺寸等要求。由于涉及因素眾多，一直是工作面設備研究的難點[2-3]。

2 開采工藝參數(shù)的確定

根據(jù)瓦斯狀況、地質(zhì)構造、已采鄰近工作面經(jīng)驗，33409工作面采用綜合機械化一次采全高走向長壁后退式采煤法時，可形成工作面走向長度1 730.5 m，傾斜長度196.8 m，由于（3+4）合并煤層均厚3.65 m，容重1.39 t/m3，知其工業(yè)儲量1 727 843 t。若回采率95%，可采儲量1641451t。

3 液壓支架的選型

3.1 液壓支架參數(shù)的選取

液壓支架的選擇要與工作阻力、移架速度與中心距、煤層傾角、支架高度、水文地質(zhì)條件、通風斷面大小等要求相匹配。

3.1.1 工作液壓支架的工作阻力

往往使用載荷估算P為：

式中：hi為第i層直接頂?shù)暮穸?；li為第i層直接頂?shù)膽翼斁啵沪胕為第i層直接頂?shù)娜葜?；Q2為老頂來壓時形成的附加載荷。

由于開采時隨著支架推移會發(fā)生直接頂冒落現(xiàn)象，因而直接頂?shù)膽翼斁嗟扔诳仨斁啵Ъ芎侠淼闹ёo強度應為：

式中，最難確定的是老頂?shù)妮d荷Q2，因而要將尚未來壓時的支架載荷作為直接頂?shù)妮d荷，與來壓時的動壓系數(shù)n相乘得出其工作壓，具體應為：

直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)介于1.25和1.5之間，該礦取值1.35。動壓系數(shù)一般不會超過2，則老頂載荷為：

式中：H為采高，m。顯然，倍數(shù)的選擇與頂板條件及周期來壓是否明顯有很大關系。結合33409工作面實際，老頂載荷與其初次來壓步距L0有明顯的線性關系，一般可用線性關系式表示：

因而可以結合煤層實際賦存情況，選取合理的采高巖重倍數(shù)，然后代入實測的工作面初次步距得出支架合理強度。

3.1.2 支架高度的確定

結合工作面采高參數(shù)，需要考慮頂板冒落預量、支架頂梁后部最大下沉量、支架前移立柱下降高度及支架與煤層頂板、底板間浮煤厚度等因素，其計式如下：

式中：Hzmax為支架最大高度；h為頂板冒落預量，一般取 200～250 mm；Hmax為工作面最大采高；Hzmin為支架最小高度；s為支架頂梁后部最大下沉量，一般取為150～200 mm；Hmin為工作面最小采高；a為支架前移時立柱需下降高度，取為50～150 mm；b為支架與煤層頂板、底板間浮煤厚度，取為100mm。

33409工作面（3+4）號煤的厚度3.65 m，全區(qū)穩(wěn)定，因而采高也選3.65 m，結合實際情況確定h、s、a、b等值，算得支架的最大最小高度。按照規(guī)定：其支護的最大高度必須小于支架設計最大高度的0.1 m，最低高度必須大于支架設計最小高度的0.2m[4]。當煤層厚度變化時必須嚴格沿煤層頂?shù)装甯蠲?。煤層變薄時，采高不低于支架最小支護高度；煤層變厚時，沿穩(wěn)定標志層割煤采高不超過支架最大支護高度。

3.2 液壓支架支護強度驗算

選定支架之后，為保證其安全性及經(jīng)濟合理性，需要進行支護強度、支護阻力、底板比壓驗算。

式中：P1為工作面頂板支護需要的支護強度，MPa；n為頂板跨落高度為采高的倍數(shù)，一般為4～8倍，這里取最大值8倍；M為工作面采高，3.65m；r為頂板巖石容重，巖石容重取最大值，根據(jù)實際情況，取值為2.28t/m3；g為重力加速度，9.8N/kg。經(jīng)計算，工作面頂板支護需要的支護強度為 0.64 MPa；而ZZ6000-20/42型支撐掩護式液壓支架支護強度為0.89MPa，大于0.64MPa，能夠滿足支護強度要求。

4 采煤機的選型

4.1 采煤機參數(shù)的選取

工作面的理論生產(chǎn)率應為：

式中：Qt為理論生產(chǎn)率，t/h；H為工作面平均采高，取值3.86m；B為滾筒有效截深，結合實際預先選值0.8 m；Vq為給定條件下可能的最大牽引速度，此處取值6m/min；ρ為煤的密度，取值為1.39t/m3。

經(jīng)計算，采煤機的理論生產(chǎn)率為1521.21t/h。理論生產(chǎn)率乘以采煤技術上的可靠性和完備性有關的系數(shù)（連續(xù)工作的系數(shù)），一般取0.5～0.7。同時考慮由于工作面配套設備的影響，例如刮板輸送機、液壓支架的故障等而停機延誤的時間（一般乘以系數(shù)0.6～0.65）。計算結果為593.3t/h，選用雞西煤礦有限公司的MG400/940-WD大功率電牽引采煤機，它是多電動機驅(qū)動、橫向布置，框架結構、總裝機功率940 kW，截割功率2×400 kW，牽引功率2×55 kW，牽引速度0～8.686 m/s，采用機載的交流變頻調(diào)速，齒軌輪-銷排式牽引，最大采高約為4.1 m，傾角≤12°，煤質(zhì)中硬或硬的綜采工作面。

4.2 采煤機的檢驗

根據(jù)工作面所需日產(chǎn)量，采煤機所需生產(chǎn)率349.7t/h。采煤機實際生產(chǎn)率593.3 t/h，滿足實際要求。根據(jù)要求采煤機的滾筒直徑D≥0.5Hmax，實際所選采煤機滾筒直徑為2 m，與實際需要恰好相等，符合要求。所選定MG400/940-WD采煤機的生產(chǎn)能力初定為593.3t/h，根據(jù)規(guī)定裝機容量要求為600～750 kW，故940kW滿足要求。

5 刮板輸送機的選型

5.1 刮板輸送機選型

要從設備配套性、安全性、對地質(zhì)條件的適應性、可靠性、經(jīng)濟性等綜合考慮。根據(jù)運輸能力和出廠長度，選用與采煤機相配套的刮板輸送機,型號為：SGZ800/800，出廠長度200m，溜槽寬800mm，采用中雙刮板鏈運煤，鏈速1.1m/s，鏈子抗拉強度1810kN。機頭機尾各布置一臺400kW電機提供驅(qū)動力。

5.2 刮板輸送機的驗算

刮板輸送機選型完畢后，要從運輸能力角度驗算，算式如下：

式中：F為煤在溜槽中的斷面積，經(jīng)過計算為0.24 m2；V為刮板鏈的運行速度，1.1 m/s；φ 為裝滿系數(shù)，取 0.8；ρ’煤的松散度，t/m3，一般取 0.85～1，式中取0.9；Q為輸送機的運輸能力，t/h。經(jīng)計算，刮板輸送機的運輸能力684.3 t/h，大于采煤機的生產(chǎn)能力593.3t/h，滿足要求。

6 結束語

1)結合33409工作面的實際情況及生產(chǎn)經(jīng)驗，確定其采煤方法及開采工藝參數(shù)；2)通過數(shù)學計算，選擇了液壓支架、采煤機、刮板輸送機，進行合并煤層一次采全高綜采工作面設備配套的系統(tǒng)分析；3)驗算了所選設備的技術可行性、安全可靠性、經(jīng)濟合理性。通過分析表明，所選設備滿足礦井安全高效生產(chǎn)的要求。

[1]湯達禎,楊起,潘治貴.河東煤田地史一熱史模擬與煤變質(zhì)演化[J].現(xiàn)代地質(zhì)，1992，(3):328-337.

[2]胡獻民.綜采工作面中部設備“三機”配套設計探討[J].煤炭工程,2006(8):13-15.

[3]張寧,富強,劉文崗，等.鄂爾多斯地區(qū)大采高綜采設備配套選型與實踐[J].中國礦業(yè),2008.17(9):57-60,85.

[4]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[5]徐亞民.厚煤層大采高綜采面配套設備的研制及應用[J].煤炭科學技術,2008,36(7):68-70.