大采高工作面采煤機(jī)型號(hào)的選擇及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

劉學(xué)亮

（同煤集團(tuán)麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036005）

引言

近年來，煤炭開采技術(shù)水平有了大幅度提升，越來越多的煤礦采用綜合機(jī)械化的形式進(jìn)行開采[1]。對(duì)于厚煤層，通過大采高采煤工藝有很多優(yōu)勢(shì)，比如煤炭回采率和生產(chǎn)效率都更高等[2]。大采高采煤工藝雖然有一些優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)踐中也表現(xiàn)出了一些缺陷[3]。這就要求對(duì)大采高工作面的采煤設(shè)備進(jìn)行合理選擇，只有保證采煤機(jī)設(shè)備與煤礦工作面相匹配，才能夠保障整個(gè)生產(chǎn)過程的順利推進(jìn)，且保障生產(chǎn)過程的安全[4-5]。本文對(duì)大采高工作面的采煤機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型，選擇的采煤機(jī)型號(hào)在實(shí)踐應(yīng)用中取得了較好的效果，故障率較低，且能夠保證礦井的產(chǎn)能。

1 煤礦工作面概況

某煤層礦井的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為每年1 000 萬t，結(jié)合煤層具體情況設(shè)計(jì)的采高在5.5～6.2 m 范圍內(nèi)。工作面的走向長度和傾向長度分別為2 000 m 和300 m左右，煤層傾角大小在15°～20°范圍內(nèi)，傾角的平均大小為18°。經(jīng)過前期的地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)煤石的硬度系數(shù)大小為1.43，從整體上來看煤層相對(duì)穩(wěn)定。煤層的直接頂和基本頂分別以細(xì)砂巖和粉砂巖為主，平均厚度分別為2.6 m 和4 m。直接底和老底分別以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，平均厚度分別為3.5 m和4.2 m。為確保采煤效率，擬通過綜合機(jī)械化采煤方法對(duì)煤層實(shí)施回采，需要對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行合理選型。如圖1 所示為礦井工作面的總體布置情況。

2 采煤機(jī)選型基本原則

采煤機(jī)是所有采煤設(shè)備中最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，采煤機(jī)型號(hào)的合理選擇直接決定了采煤效率。在選擇采煤機(jī)型號(hào)時(shí)必須要綜合考慮煤層的屬性以及地質(zhì)條件等因素，還要考慮使用過程中的維護(hù)和保養(yǎng)問題。需要基于下述的幾點(diǎn)原則來選用采煤機(jī)：

圖1 礦井工作面的總體布置情況

1）煤層傾角。牽引力會(huì)受到煤層傾角的直接影響，如果煤層傾角相對(duì)較大就需要采取措施避免其發(fā)生滑動(dòng)，大傾角煤層管理和開采難度相對(duì)較高。

2）煤質(zhì)硬度。煤質(zhì)硬度越高，開采過程需要做的功就越多。為了完成整個(gè)采煤工作就需要功率更大的采煤機(jī)。可以看出，煤質(zhì)硬度會(huì)對(duì)采煤機(jī)的功率產(chǎn)生影響。

3）采高和煤層厚度。此項(xiàng)因素是選擇采煤機(jī)型號(hào)時(shí)的重要依據(jù)，所選擇的采煤機(jī)滾筒直徑必須要與煤厚相匹配。

4）采煤工藝。不同的采煤工藝，需要與之配套的采煤機(jī)。所以需要首先確定采煤工藝，再根據(jù)采煤工藝來選擇對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)類型。

5）生產(chǎn)能力。通常情況下礦井的生產(chǎn)能力在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)確定，選用的采煤機(jī)必須能夠滿足礦井的年產(chǎn)量基本要求。

3 綜采工作面采煤機(jī)型號(hào)的選擇

3.1 滾筒直徑以及轉(zhuǎn)速的計(jì)算

為了達(dá)到采煤工作要求，采煤機(jī)的滾筒直徑D通常需要比最大采煤高度hmax的一半要大，在實(shí)踐過程中可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：D=（0.5-0.6）hmax。將數(shù)據(jù)代入上式可以計(jì)算得到采煤機(jī)滾筒直徑應(yīng)該在3.1～3.72 m 范圍內(nèi)。

滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度不僅會(huì)對(duì)采煤效果產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)影響礦井工作環(huán)境。根據(jù)有關(guān)理論計(jì)算和實(shí)踐結(jié)果表明，當(dāng)采煤機(jī)的割煤速度固定不變時(shí)，如果滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，那么采煤機(jī)消耗的能量越大，產(chǎn)生的粉塵也越多。另外，采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)速度越大，那么導(dǎo)致循環(huán)周期越短，會(huì)在一定程度上影響采煤機(jī)的裝煤效果。實(shí)踐中采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速通常在30～40 r/min 范圍內(nèi)。

3.2 滾筒截深的確定

截深的概念就是采煤機(jī)在正常采煤時(shí)，滾筒結(jié)構(gòu)截入煤壁的深度大小。截深大小直接影響著采煤效率，截深越大采煤效率自然也越高。在實(shí)踐中確定截深時(shí)需要綜合考慮多方面因素進(jìn)行選擇。需要重點(diǎn)考慮的因素包括煤層厚度、煤層傾角、煤層支護(hù)效果等。對(duì)于本文所述的大采高煤層，通常設(shè)置的截深相對(duì)較大。在充分考慮礦井實(shí)際情況并借鑒實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將滾筒截深設(shè)置為0.865 m。

3.3 采煤機(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算

在綜合考慮煤層實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，將工作面采高設(shè)計(jì)在5.5～6.2 m 范圍內(nèi)，截深設(shè)計(jì)為0.865 m。在對(duì)采煤機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇時(shí)，不僅要考慮煤層的賦存情況，同時(shí)還要考慮與其他采煤設(shè)備之間的匹配問題。因此，在選擇采煤機(jī)型號(hào)時(shí)要求最大采高超過6.2 m。采煤機(jī)的割煤速度可以根據(jù)礦井的年產(chǎn)能進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)礦井每年正常工作時(shí)間330 d，平均每天能夠正常工作的時(shí)間為20 h。根據(jù)年產(chǎn)能1 000萬t 計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算后最終將采煤機(jī)割煤速度設(shè)定在10 m/min。大采高煤層對(duì)液壓支架穩(wěn)定性提出了較高要求，以這樣的速度采煤能夠保證液壓支架工作穩(wěn)定性。

采煤機(jī)的生產(chǎn)能力Qc可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：Qc=60HbvρC。其中：H 和b 分別表示采煤機(jī)的采高以及截深；v 表示采煤機(jī)的割煤速度，10 m/min；C 表示礦井工作面的回采率，本研究中取95%；ρ 表示煤的密度，經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)得到煤的密度大小為1.4 t/m3。將以上數(shù)據(jù)代入到公式中可以計(jì)算得到采煤機(jī)的生產(chǎn)能力為3 796～4 279 t/h。

3.4 采煤機(jī)裝機(jī)功率計(jì)算

可以通過比能法來計(jì)算采煤機(jī)的裝機(jī)功率大小，具體的計(jì)算公式為：P=QcHw.其中：P 表示采煤機(jī)的裝機(jī)功率；Hw表示噸煤功率消耗，即采煤機(jī)每回采得到1 t 煤需要消耗的能量。為了對(duì)噸煤功率消耗值進(jìn)行估算，以6LS05 型采煤機(jī)作為例子進(jìn)行計(jì)算。該型號(hào)采煤機(jī)的功率為1 530 kW，割煤速度和采高分別為10 m/min 和4.5 m。同樣可以利用公式計(jì)算得到6LS05 型采煤機(jī)的生產(chǎn)能力為3 025 t/h。于是可以計(jì)算得到噸煤功率消耗Hw=1 530÷3 052≈0.5 kWh。

假設(shè)一般采煤機(jī)的噸煤功率消耗相同，本研究在計(jì)算時(shí)將噸煤功率消耗Hw視為0.5 kWh。由此可以計(jì)算當(dāng)煤層采高分別為5.5 m 和6.2 m 時(shí)，需要的采煤機(jī)功率分別為1 865 kW 和2 102 kW。經(jīng)過上述的初步計(jì)算分析，結(jié)果認(rèn)為采煤機(jī)的裝機(jī)功率應(yīng)該在2 100 kW 以上即可。

3.5 采煤機(jī)型號(hào)確定

基于以上分析計(jì)算結(jié)果并結(jié)合大采高工作面實(shí)際情況， 最終選用的采煤機(jī)型號(hào)為MG900/2245-GWD。該型號(hào)采煤機(jī)的采高在2.7～6.3 m范圍內(nèi)，滾筒直徑和轉(zhuǎn)動(dòng)速度分別為3 200 mm 和35 r/min，額定電壓和額定功率分別為3 300 V 和2 245 kW，最大割煤速度和生產(chǎn)能力分別為24.4 m/min 和4 500 t/h，截深為0.865 m。以上技術(shù)參數(shù)完全能夠滿足煤礦實(shí)際使用需要。 另外，MG900/2245-GWD 型號(hào)采煤機(jī)其他技術(shù)參數(shù)還包括：最大傾角和最大牽引力分別為25°和1 105 kN，冷卻方式、冷卻水量和冷卻水壓分別為內(nèi)外噴霧400 L/min 和10 MPa。另外，與采煤機(jī)配套的液壓支架和刮板輸送機(jī)型號(hào)分別為ZY10000/28/62D 和SGZ1250/2565。

4 采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

本文所述的大采高綜采工作面，選用的采煤設(shè)備全部為我國自行研究設(shè)計(jì)生產(chǎn)的設(shè)備。選用的采煤機(jī)型號(hào)為MG900/2245-GWD，額定功率達(dá)到2 245 kW，最大割煤速度為24.4 m/min。與國內(nèi)其他大采高綜采工作面使用的采煤裝備相比較處于先進(jìn)水平。采煤機(jī)正常作業(yè)過程中，設(shè)備需要承受非常大的載荷，總體而言作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜。采煤過程中必然會(huì)對(duì)采煤機(jī)械設(shè)備造成一定損傷，采煤機(jī)出現(xiàn)各種故障問題是非常常見的現(xiàn)象。由于選用的采煤機(jī)為國產(chǎn)設(shè)備，所以對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時(shí)非常方便。一旦采煤機(jī)出現(xiàn)大的故障問題，廠家會(huì)立即派工程師趕往現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行處理，能在最大限度上縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，降低煤礦損失。

MG900/2215-GWD 型采煤機(jī)在實(shí)踐應(yīng)用過程中取得了非常好的應(yīng)用效果。由于該型號(hào)采煤機(jī)功率很大，所以很多承力結(jié)構(gòu)件都進(jìn)行了強(qiáng)化處理。機(jī)器在運(yùn)行過程中整體的穩(wěn)定性較好，在長達(dá)1 年時(shí)間的使用過程中，并沒有出現(xiàn)非常大的故障問題，只是偶爾出現(xiàn)一些局部零部件損壞現(xiàn)象，未對(duì)采煤過程造成嚴(yán)重的不良影響。 實(shí)踐證明，MG900/2215-GWD 型采煤機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需要，保障了產(chǎn)煤效率，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。