金陽煤礦薄煤層工作面設(shè)備選型與配套技術(shù)

楊惠玲

(鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南鄭州450016)

我國1.3m以下薄煤層機(jī)械化開采的研究始于20世紀(jì)60年代。40多年來，經(jīng)歷了薄煤層采煤機(jī)、液壓支架和工作面輸送機(jī)等設(shè)備的引進(jìn)消化吸收和自主研發(fā)的過程，研制的技術(shù)參數(shù)基本可滿足生產(chǎn)需求，取得了較好的成效，但是在可靠性方面還存在不少技術(shù)問題。

近年來，為了充分開發(fā)煤炭資源，許多礦區(qū)采取資源平衡開采，努力實(shí)現(xiàn)薄煤層安全、高效開采。因此，對(duì)薄煤層開采裝備技術(shù)進(jìn)行研究是非常重要的。

1 薄煤層開采裝備選型技術(shù)要點(diǎn)

薄煤層開采技術(shù)要求高，不僅要求開采裝備應(yīng)提高單個(gè)設(shè)備的適應(yīng)能力和可靠性，而且配套后采煤機(jī)機(jī)面高度低，達(dá)到薄煤層開采過機(jī)空間要求，同時(shí)要求過煤空間足夠，裝煤效果好，人行通道符合要求，從而實(shí)現(xiàn)薄煤層安全、高效開采。有條件的煤礦采用智能化、自動(dòng)化開采技術(shù)，使礦井實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、現(xiàn)代化。

1.1 薄煤層采煤機(jī)技術(shù)要點(diǎn)

薄煤層采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是電牽引、大功率、多電機(jī)、機(jī)電一體化。

(1)裝機(jī)功率大 選型時(shí)提高采煤機(jī)的裝機(jī)功率，有利于提高采煤機(jī)的切割能力和爬坡能力，使采煤機(jī)遇到夾矸或煤層較薄時(shí)能順利通過，實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)開采。近年來，各主要采煤國紛紛研制大功率、高強(qiáng)度的薄煤層采煤機(jī)，總裝機(jī)功率達(dá)450～900kW以上。

(2)低機(jī)面高度 采用多電機(jī)橫向布置驅(qū)動(dòng)方式，有利于降低機(jī)面高度，從而對(duì)極薄煤層條件下確保最小200mm的過機(jī)空間，減少割矸量，提高煤質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(3)牽引力大 采用齒輪式無鏈交流電牽引，牽引力大，使采煤機(jī)適用于傾角較大的煤層，應(yīng)用范圍更廣。

(4)采用高壓供電 由于裝機(jī)功率大幅度提高，為管線結(jié)構(gòu)方便布置，保證供電質(zhì)量，新研制的大功率電牽引采煤機(jī)供電一般由原來普遍采用的1140V提高到3300V。

(5)配置監(jiān)測(cè)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng) 新型的電牽引采煤機(jī)可本機(jī)控制，也可無線遙控器跟機(jī)遙控，并留有監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的接口，可通過數(shù)據(jù)線與集控中心連接實(shí)現(xiàn)工況監(jiān)測(cè)及狀態(tài)顯示、故障診斷及預(yù)警、自動(dòng)控制等多種功能;采煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)記憶截割，滾筒自動(dòng)調(diào)節(jié)采高滿足斜切進(jìn)刀自動(dòng)化開采要求。

1.2 薄煤層刮板輸送機(jī)技術(shù)要點(diǎn)

(1)溜槽采用封底式結(jié)構(gòu)，提高了溜槽整體強(qiáng)度和可靠性，圓環(huán)鏈及刮板不與煤層底板接觸，減少了底鏈運(yùn)輸阻力;每隔8～10節(jié)槽留有觀察口，方便維護(hù)和維修。

(2)刮板鏈采用中雙鏈形式，鏈條采用大直徑高強(qiáng)度扁平鏈，實(shí)踐證明該結(jié)構(gòu)對(duì)于降低機(jī)面高度，提高運(yùn)輸能力是非常有效的。

(3)中部槽采用整體鑄件結(jié)構(gòu)，整體鍛造齒軌，啞鈴銷連接形式，提高了刮板輸送機(jī)的整體強(qiáng)度和可靠性。

(4)配置監(jiān)測(cè)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)接口。機(jī)頭機(jī)尾留有監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的接口，可通過數(shù)據(jù)線與集控中心連接實(shí)現(xiàn)工況監(jiān)測(cè)及狀態(tài)顯示、故障診斷及預(yù)警、自動(dòng)控制等多種功能，可滿足自動(dòng)化開采要求。

1.3 薄煤層液壓支架技術(shù)要點(diǎn)

(1)架型一般為兩柱掩護(hù)式，適應(yīng)性好，可滿足煤層厚度變化大的要求。

(2)保證有足夠的過機(jī)空間、人行通道和通風(fēng)斷面。通常采用整頂梁結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)件選用高強(qiáng)度鋼板，在滿足強(qiáng)度要求的條件下，結(jié)構(gòu)件截面尺寸盡可能薄，人行通道不得有掛鉤等凸出物件。

(3)重量盡可能輕。由于薄煤層開采高度低，給支架的安裝、拆卸、移架、搬運(yùn)都帶來了很大困難。設(shè)計(jì)時(shí)盡量簡化結(jié)構(gòu)，在保證支架強(qiáng)度的情況下，減輕支架重量。

(4)具有高可靠性。薄煤層液壓支架作業(yè)空間小，要求結(jié)構(gòu)簡單可靠，液壓管路盡量布置在梁體內(nèi)防止擠壓，液控閥和管路附件盡量采用不銹鋼優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，密封件采用聚氨酯優(yōu)質(zhì)組合密封，提高產(chǎn)品安全可靠性，減少設(shè)備故障。

(5)自動(dòng)化程度要求高。采用電液控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鄰架控制和成組控制，液壓支架自動(dòng)實(shí)現(xiàn)降、移、升和推溜工作循環(huán)，與采煤機(jī)配套完成自動(dòng)跟機(jī)作業(yè)。

2 金陽煤礦設(shè)備選型

2.1 煤層賦存條件

金陽煤礦5－1上煤層位于延安組下部一巖段上部。礦區(qū)內(nèi)大部分可采，煤層厚度0.83～2.03m，平均1.31m，含夾矸1～2層，夾矸總厚度0.24m，夾矸巖性為砂質(zhì)泥巖及泥巖，頂板巖性為粉砂巖、泥巖，底板為粉砂巖。

5－1煤層位于延安組下部一巖段上部，除礦區(qū)東北部變薄不可采外，其余大部可采，為礦區(qū)主要可采煤層，煤層厚度0.3～6.49m，平均2.22m，含夾矸1～3層，夾矸總厚0.54m，巖性為泥巖，煤層穩(wěn)定程度屬較穩(wěn)定煤層。頂板為粉砂巖，局部為中砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。

2.2 工作面主要技術(shù)參數(shù)確定

2.2.1 機(jī)采高度確定

為確定工作面采高，對(duì)資源儲(chǔ)量圖進(jìn)行了分析，各分塊資源煤層厚度統(tǒng)計(jì)見圖1所示。

根據(jù)上述分析，并考慮一定的夾矸層厚度，最終確定工作面采高為1.25～1.6m，支架高度范圍為0.9～1.8m。

2.2.2 工作面傾斜長度確定

影響工作面傾斜長度的主要因素:

圖1 各分塊煤層厚度分布

(1)煤層賦存條件 煤層條件是影響工作面布置的重要因素，有較大地質(zhì)變化 (如斷層、褶曲等)時(shí)，應(yīng)為界限劃分工作面。

(2)設(shè)備技術(shù)性能 工作面越長所需液壓支架支護(hù)強(qiáng)度越高，所需要刮板輸送機(jī)有更大的功率和鏈條強(qiáng)度等。根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)使用情況，一般薄煤層工作面刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)長度不大于250m，液壓支架支護(hù)強(qiáng)度可滿足工作面傾斜長450m的要求。

(3)合理經(jīng)濟(jì)分析 合理經(jīng)濟(jì)分析認(rèn)為:工作面設(shè)計(jì)長度與工作面安全管理、產(chǎn)量、效率、設(shè)備投入成本、維護(hù)維修成本等有關(guān)。工作面傾斜長度的增大雖可提高設(shè)備開機(jī)率，但一次性投入增加，設(shè)備故障多，同時(shí)對(duì)頂板管理提出更高要求。

根據(jù)我國同類條件下其他礦區(qū)的開采經(jīng)驗(yàn)，傾斜長度150～240m為宜，金陽煤礦首采工作面傾斜長200m。

2.2.3 支護(hù)強(qiáng)度確定

支護(hù)強(qiáng)度確定的基本原則是:使工作面巖層控制在達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的前提下，保證液壓支架工作的高可靠性和較高的適應(yīng)性。對(duì)于新礦區(qū)在沒有礦壓觀測(cè)資料的情況下，支護(hù)強(qiáng)度的確定通常采用理論公式計(jì)算法、數(shù)字模擬法、類比法等多種方法進(jìn)行綜合論證。

(1)巖石密度法 按照巖石密度估算法確定支護(hù)強(qiáng)度qd的公式為

式中，K1為作用于支架上的頂板巖石厚度系數(shù)。一般取6～8，沖擊載荷較大取8;H為工作面采高1.8m;γ為巖石密度，取2.5 t/m3。

(2)數(shù)值模擬分析法 對(duì)金陽煤礦5－1上煤層進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，工作面支架支護(hù)強(qiáng)度與工作面后部2.5m處的頂板下沉量關(guān)系曲線見圖2所示。通過數(shù)值模擬分析可知:支架支護(hù)強(qiáng)度為0.8MPa時(shí)，其頂板下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度的增加而減少的程度明顯降低，因此，支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.8MPa比較合理。

圖2 支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量曲線

根據(jù)以上計(jì)算分析，結(jié)合類似礦井薄煤層開采實(shí)際情況類比，最終確定金陽煤礦薄煤層開采支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.8MPa。

液壓支架額定工作阻力F的計(jì)算公式為

式中，P為綜采工作面額定支護(hù)強(qiáng)度，0.8MPa;L為支架中心距，取1.5m;Bc為控頂距，取5m;η為支撐效率，取0.95。

將上述各參數(shù)代入計(jì)算，得:

考慮支架缸徑系列，最終確定支架的額定工作阻力為6400kN。

3 配套設(shè)備型號(hào)與參數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算分析，金陽煤礦首采工作面傾斜長度200m;工作面采高為1.25～1.6m，支架高度范圍為0.9～1.8m;支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.8MPa;液壓支架額定工作阻力為6400kN。通過對(duì)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)能力校核，確定采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架型號(hào)及參數(shù)如下。

(1)采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 型號(hào):MG320/710－WD1型電牽引采煤機(jī)。采高范圍1.25～2.0m;適應(yīng)傾角≤35°;煤堅(jiān)固性系數(shù)f≤4;裝機(jī)功率160×2×2+30×2+10(kW);電壓等級(jí)3300V;機(jī)面高度865mm;滾筒直徑1.15m;截深800mm。

(2)刮板輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 型號(hào):SGZ764/500型中雙鏈刮板輸送機(jī)。輸送量1000t/h;刮板鏈速1m/s;電機(jī)功率2×250kW;電壓等級(jí)3300V;中部槽型式;整體鑄焊式封底溜槽，圓環(huán)鏈規(guī)格30×108－C，規(guī)格 (長×內(nèi)寬×高)為1500mm×724mm×290mm。

(3)液壓支架主要技術(shù)參數(shù) 型號(hào) ZY6400/09/18D型兩柱掩護(hù)式電液控支架。結(jié)構(gòu)高度900～1800 mm;中心距1500mm;工作阻力 (P=39.8MPa)6400kN;支護(hù)強(qiáng)度 (f=0.2)為0.83～0.92MPa;泵站壓力31.5MPa;操縱方式為電液控制;重量約14.5t。

4 結(jié)束語

我國薄煤層儲(chǔ)量豐富，開采裝備智能化、自動(dòng)化是發(fā)展方向，且越來越受到煤礦管理者的青睞。由于煤礦工作面開采條件不斷變化，因此開采裝備對(duì)煤層地質(zhì)條件的適應(yīng)性及可靠性是決定成敗的關(guān)鍵。國外薄煤層采煤機(jī)滾筒截割采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)面高度在1m以上，最小機(jī)采高度為1.5m難以滿足1.3m以下采高要求;國產(chǎn)薄煤層采煤機(jī)采用多電機(jī)橫向布置機(jī)身較低，但可靠性與進(jìn)口設(shè)備差距較大，有待進(jìn)一步提高;薄煤層刮板輸送機(jī)要求槽幫盡量低，運(yùn)用高強(qiáng)度扁平圓環(huán)鏈，滿足工作面傾斜長度240～300m的可靠性要求;液壓支架架型結(jié)構(gòu)對(duì)煤層地質(zhì)條件的適應(yīng)性是設(shè)備選型的難點(diǎn)。因此，對(duì)薄煤層工作面設(shè)備進(jìn)行選型配套技術(shù)研究是非常重要的，在保證開采裝備適應(yīng)性和可靠性的前提下，才能實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化安全高效開采。

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