張長(zhǎng)友

（河南煤業(yè)化工集團(tuán)永煤公司 陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

通過(guò)統(tǒng)計(jì)各工作面相鄰鉆孔及相鄰巷道揭露煤厚情況發(fā)現(xiàn),陳四樓煤礦煤層較薄，內(nèi)部斷層發(fā)育較多，如果依據(jù)目前綜采設(shè)備配套方案，在回采過(guò)程中將產(chǎn)生大量矸石，對(duì)煤質(zhì)的管理帶來(lái)很大難度，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。 因此，根據(jù)采煤工作面的實(shí)際情況，優(yōu)化出一套中厚偏薄煤層綜采設(shè)備配套方案是非常有必要的。

1 陳四樓煤礦回采工作面條件

對(duì)陳四樓煤礦2011 年-2013 年回采的工作面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),許多綜采工作面煤層較薄，如：21202 外段工作面有一部分塊段煤厚較薄， 煤厚最小1.3m；21205 工作面及21207 工作面受煤層變薄區(qū)影響， 工作面內(nèi)有較大面積的煤厚小于2.2m 的區(qū)域， 其中21205 工作面煤厚小于2.2m 的面積占工作面回采面積的10.7%，21207 工作面煤厚小于2.2m 的面積占工作面回采面積的45.2%；21002 切眼和21004 切眼靠近煤層變薄區(qū)，受此影響，切眼附近煤層厚度較??；21112 工作面受煤層變薄區(qū)影響較大， 工作面煤層厚度小于2.2m 的塊段面積占工作面回采面積的46.5%。 如21205、21202、21002、21004 等工作面面內(nèi)斷層較發(fā)育，過(guò)斷層時(shí)破巖量較多對(duì)煤質(zhì)將有較大影響。 對(duì)我礦地質(zhì)構(gòu)造特征及煤層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，工作面內(nèi)斷層發(fā)育較多，將各工作面煤厚小于2.2m 的情況詳細(xì)統(tǒng)計(jì)表1。 工作面推進(jìn)至斷層處將不可避免的增加破巖量，各工作面受斷層影響情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 各工作面受煤厚變薄影響情況

表2 各工作面斷層影響情況統(tǒng)計(jì)

2 綜采設(shè)備配套選型的思路和原則：

（1）根據(jù)采高合理優(yōu)化設(shè)備配套方案，在過(guò)薄煤帶及斷層時(shí)，最大限度的減少回采時(shí)的破巖量，降低對(duì)煤質(zhì)的影響，達(dá)到效益最大化。

（2）陳四樓煤礦副井罐籠允許最大裝車尺寸：4.8m×1.6m×2.1m（長(zhǎng)×寬×高），設(shè)備的選型要滿足最大裝車尺寸。

3 液壓支架選型

3.1 陳四樓礦液壓支架架型的確定

3.1.1 液壓支架工作阻力的確定

(1)應(yīng)用“傳遞巖梁”理論計(jì)算陳四樓煤礦支架工作阻力

1）煤層開采地段煤厚：最大采高3m；2）直接頂厚度泥巖巖厚度：7.35m；3）基本頂中粒砂巖ME：5.52m；4）支架對(duì)直接頂阻抗的預(yù)測(cè)核算：

其中：fZ: 支架合力作用點(diǎn)位置和采空區(qū)懸頂?shù)牧叵禂?shù)；MZ：直接頂厚度，取7.35m；γZ：直接頂泥巖容重，取2.5t/m3。

l： 支架合力作用點(diǎn)距煤壁的距離， 支架方案計(jì)算取值2.9m；LK：支架控頂距離，支架方案設(shè)計(jì)取支架頂梁長(zhǎng)度和梁端距之和。 此處取4.1m；LS：直接頂懸頂距，直接泥巖，屬于易冒落頂板，取1m。

5）支架對(duì)基本頂抗阻的預(yù)測(cè)計(jì)算：

支架在對(duì)頂板給定變形條件下，對(duì)基本頂?shù)淖杩沽Γ?/p>

其中：ME：巖梁厚度，取5.52m；CE：周期來(lái)壓巖梁斷裂步距，取值20m；KT：巖梁重量比例系數(shù)，一般頂板條件下取2。

ΔhT：要求采場(chǎng)控制的下沉量，給變形條件下ΔhA=ΔhT。

ΔhA：采場(chǎng)支架在給定變形條件下的采場(chǎng)頂板下沉量。

SA：巖梁斷裂觸矸處的沉降值

SA=h-MZ（KA-1）

h：采煤的高度，取3m；KA：巖梁觸矸處冒落巖層碎裂系數(shù)，取1.3。

SA=3-7.35×（1.3-1）=0.795m。

ΔhA=LK×SA/CE=4.1×0.795/20=0.16m。

PB=ME×γE×CE/KT×LK=5.52×2.5×20/(2×4.1)≈33.65 （t/m2）=0.3365MPa。

6）支架抗阻的確定：

頂板所需最小抗阻力（支護(hù)強(qiáng)度）為：

PT=PA+PE=PA+PB（ΔhA/ΔhT） =0.20 +0.3365MPa =0.5365 MPa。

qZ=PT/η=0.5365/（0.85～0.95）=0.56～0.63。

η-支護(hù)效率 0.9（η 一般取0.85～0.95 之間）。

7）支架工作阻力的確定：

P=qZ（LK+LD）B

式中：P-支架工作阻力（kN）；LK-梁端距0.41m；LD-頂梁長(zhǎng)度3.69m；B-支架寬度1.5m；P=（0.56～0.63）×103×（0.41+3.69）×1.5≈3444～3875kN

(2)巖重法計(jì)算支架工作阻力

巖重法是以支架承受的頂板載荷與開采厚度近似成直線關(guān)系增長(zhǎng)的觀點(diǎn)來(lái)確定支架的載荷，單位面積上支架承受載荷相當(dāng)于6～8 倍采高巖石重量。

P=KD9.8Nhγ

P—支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；N—支架載荷相當(dāng)采高巖重的倍數(shù)，取N=7.4；h—煤層的采高， 取3.0m；γ—頂板巖石的密度，2.5×103kg/m3；KD—?jiǎng)虞d系數(shù)，取1.3。

則P=1.3×9.8Nhγ=1.3×9.8×7.4×3×2.5×103/106=0.707MPa。

根據(jù)配套設(shè)備計(jì)算支架工作阻力：PN=PS=0.707×106×1.5×4.1/103=4348kN。

(3)冒落充填法計(jì)算支架工作阻力

支護(hù)強(qiáng)度：

PS=n·M/（KP-1）·γ

式中：PS—支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；M—采煤高度，3.0m；KP—碎漲系數(shù)，取1.3；n—支架受力不均勻系數(shù)，根據(jù)煤層取2.5；γ—頂板巖石容重，2.5t/m3。

代入上式

支護(hù)強(qiáng)度P·S=2.5×3/(1.3-1)×2.5×9.8=612.5kN/m2。

液壓支架工作阻力QS=Ps·(Bc·Sc)。

式中：QS—支架工 作阻力，kN；PS—支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；BC—支架控頂距離，取4.1m；SC—支架中心距，1.5m。

液壓支架工作阻力QS=612.5×（4.1×1.5）=3767kN。

陳四樓煤礦已使用過(guò)的液壓支架型號(hào)有ZY3800、ZY4000、ZY3200、ZY3500 型，其中ZY3500 液壓支架在2006 年4 月份21104 工作面使用中，15 架液壓支架大立柱穿頂或穿底，2 架支架四連桿斷裂，5 架掩護(hù)梁、四連桿、頂梁的大銷軸孔變形嚴(yán)重。

ZY3500 液壓支架使用損壞情況統(tǒng)計(jì)表

結(jié)論：以上三種計(jì)算方法進(jìn)行比較，結(jié)合陳四樓煤礦之前支架的使用情況，考慮到一些不確定因素，支架工作阻力應(yīng)當(dāng)適當(dāng)富裕提高，液壓支架的工作阻力選取3800kN 是合適的，支護(hù)強(qiáng)度0.56～0.63（f=0.2）。

3.2 支架高度的確定

目前陳四樓煤礦配套設(shè)備合理最低采高為2.2m， 若工作面最小采高由目前的2.2m 降為1.9m，2011-2013 年共可減少出矸量14 萬(wàn)t。為減少出矸量，支架最低支撐高度確定為1.4m；同時(shí)根據(jù)煤層賦存厚度情況， 支架最高支撐高度確定為3.0m。建議液壓支架采高范圍設(shè)計(jì)為1.4～3.0 米。

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算與分析， 最終確定液壓支架的架型為：ZY3800/14/30 型掩護(hù)式液壓支架。

4 采煤機(jī)選型

采煤機(jī)的選型是能否實(shí)現(xiàn)效益最大化是關(guān)鍵。 采煤機(jī)的選擇重點(diǎn)是以下幾點(diǎn)。

4.1 功率的選擇

采煤機(jī)功率的確定一般主要看所切割的煤及巖石的硬度與韌性，我礦的斷層構(gòu)造多且發(fā)育，工作面過(guò)斷層時(shí)是機(jī)電設(shè)備最容易出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，易發(fā)生片幫冒頂，減緩?fù)七M(jìn)，壓力超前，造成惡性循環(huán)。 為保證過(guò)斷層構(gòu)造時(shí)具有切割巖石的能力，加快過(guò)斷層的速度，最大限度的減少破巖量，故該礦應(yīng)選擇大截割功率采煤機(jī)。

4.2 機(jī)面高度的選擇

根據(jù)陳四樓煤礦煤層厚度進(jìn)行選擇， 可采厚度0.8～3.85m，平均厚度2.45m，為最大限度的減少對(duì)煤質(zhì)的影響，減少正?；夭蓵r(shí)的破巖量,認(rèn)為采煤高度應(yīng)控制在1.8～2.8m，采煤機(jī)的機(jī)面高度對(duì)最低采高過(guò)機(jī)空間無(wú)影響的同時(shí)，不僅要求采煤機(jī)功率、切割能力應(yīng)盡量大，也要求機(jī)面高度盡可能低一些，以保證最低采高時(shí)采煤機(jī)的穩(wěn)定性， 采煤機(jī)機(jī)身高度選擇應(yīng)在1.1～1.3m 之間。

4.3 技術(shù)先進(jìn)性的選擇

目前，國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)的發(fā)展主流為交流電牽引采煤機(jī)，采煤機(jī)先進(jìn)性體現(xiàn)在其性能穩(wěn)定， 自動(dòng)化程度 高，便于人工操作，故障率低等方面。

4.4 采煤機(jī)選型確定

根據(jù)上述分析， 陳四樓煤礦中厚偏薄煤層采煤工作面最終選用天地科技股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MG300/720-WD的采煤機(jī)。 MG300/720-WD 型采煤機(jī)采高范圍為1.5～3.4m，機(jī)面高度1.22m，適合在中厚偏薄煤層采煤工作面使用。

5 綜采工作面刮板運(yùn)輸機(jī)的選型

根據(jù)工作面生產(chǎn)能力的要求及采煤機(jī)、 運(yùn)輸機(jī)的配套關(guān)系，結(jié)合近幾年綜采工作面“三機(jī)”配套的成熟經(jīng)驗(yàn)，工作面運(yùn)輸機(jī)的可靠性和壽命至關(guān)重要。 所以運(yùn)輸機(jī)選型要重型化、高可靠性、高壽命，本套設(shè)備配套時(shí)選型為SGZ-730/400 型。 考慮到陳四樓煤礦三年規(guī)劃中個(gè)別工作面達(dá)到220m, 為了提高效率， 將功率增加到2×315kW， 刮板運(yùn)輸機(jī)選型為SGZ-900/2×315。

6 結(jié)束語(yǔ)

MG300/720-WD 型采煤機(jī)、ZY3800/14/30 型掩護(hù)式液壓支架、SGZ-730/400 型刮板運(yùn)輸機(jī)在中厚偏薄煤層綜采設(shè)備配套方案的配套使用，可以減少設(shè)備故障的發(fā)生，提高設(shè)備使用壽命，同時(shí)又可提高生產(chǎn)效率，滿足現(xiàn)代礦井安全高效的生產(chǎn)。

[1]李星宇.煤礦綜采新工藝新技術(shù)與機(jī)械設(shè)備選型實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2005

[2]翟剛，劉瑾等.綜采技術(shù)手冊(cè)（上、下冊(cè)）[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001