楊 都 姚精明

(1.重慶渝新能源公司打通一礦，重慶 401445； 2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

我國(guó)薄煤層資源豐富，分布廣泛，占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的20%以上[1]。但是薄煤層產(chǎn)量?jī)H占全國(guó)總產(chǎn)量的10.4%左右[2]。綜采是薄煤層安全高效開(kāi)采技術(shù)之一，河北邢臺(tái)顯德汪[3]、峰峰集團(tuán)有限公司小屯礦[4]、山東棗莊田陳礦[5]、黑龍江七臺(tái)河桃山煤礦[6]、安徽淮南謝一礦[7]、四川廣能李子埡礦[8]等礦井進(jìn)行了薄煤層綜采的研究，并取得了一定的成績(jī)，促進(jìn)了薄煤層綜采在我國(guó)的推廣。但是上述研究還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善，存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在：

1)采煤機(jī)單向割煤；2)采煤機(jī)過(guò)煤高度太低；3)“三機(jī)”功率太低，導(dǎo)致故障率高和回采效率低；4)采煤機(jī)機(jī)面高度太大而被頂板壓死；5)液壓支架頂梁太厚，導(dǎo)致采煤機(jī)過(guò)機(jī)高度太低；6)綜采設(shè)備主要在厚度1.2 m以上的煤層中應(yīng)用，1.0 m以下煤層適應(yīng)性較差，回采效率低。

本文采用理論分析、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了頂板破碎條件厚度1.0 m以下薄煤層綜采設(shè)備選型，以實(shí)現(xiàn)薄煤層安全高效生產(chǎn)，增加薄煤層開(kāi)采的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)相似條件下的薄煤層開(kāi)采提供實(shí)踐價(jià)值和理論意義。

1 工程概況

2 薄煤層安全高效綜采設(shè)備配套研究

2.1 采煤機(jī)選型

2.1.1采煤機(jī)的機(jī)身布置方式

薄煤層采煤機(jī)機(jī)身布置主要有爬底板、騎輸送機(jī)和懸臂三種方式，其中懸臂式具有機(jī)面高度低、過(guò)煤高度大、能消除爬底板采煤機(jī)對(duì)底板要求高的缺點(diǎn)，但較難保持機(jī)身穩(wěn)定和平衡?？紤]到21041工作面煤層薄、頂板破碎的實(shí)際情況，決定采用懸臂布置方式。

2.1.2采煤機(jī)割煤速度

采煤機(jī)理論生產(chǎn)率[9]：

Qt=60BHvmaxρ

(1)

其中，Qt為采煤機(jī)理論生產(chǎn)率，t/h；H為工作面平均采高，取0.85 m；B為采煤機(jī)有效截深，取0.6 m；vmax為采煤機(jī)割煤時(shí)可能的最大牽引速度，m/min；ρ為煤的密度，取1.45 t/m3。

采煤機(jī)實(shí)際年生產(chǎn)能力為：

Qy=330Qtk1k2T

(2)

其中，Qy為采煤機(jī)實(shí)際生產(chǎn)能力，t/年，某礦21041綜采工作面的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為20萬(wàn)t/年，故Qy=200 000 t/年；k1為采煤機(jī)技術(shù)上可能達(dá)到的連續(xù)工作系數(shù)，一般k1=0.5～0.7；k2為采煤機(jī)在實(shí)際工作中的連續(xù)工作系數(shù)，一般k2=0.6～0.65;T為采煤機(jī)每天工作時(shí)間，按“兩采一準(zhǔn)”作業(yè)方式考慮，T=16 h。

代入數(shù)據(jù)，由式(1)，式(2)可得：

vmax≥2.85 m/min

(3)

2.1.3采煤機(jī)裝機(jī)功率

采煤機(jī)截割功率為[10]:

P=60KbBHmaxvmaxHw

(4)

其中，P為采煤機(jī)截割功率，kW；Kb為備用系數(shù)，取1.2；Hmax為工作面最大采高，取1.10 m；Hw為采煤機(jī)割煤?jiǎn)挝荒芎?，由煤層的硬度、煤的粘性確定，kWh/m3，根據(jù)該礦在相似條件工作面的觀測(cè)，Hw近似為2.1 kWh/m3。

把數(shù)據(jù)代入式(4)得：P=285.0 kW。

由于是雙滾筒采煤機(jī)，故每個(gè)滾筒采煤機(jī)的切割功率為P/2=142.5 kW，考慮到薄煤層高產(chǎn)高效采煤機(jī)單個(gè)滾筒切割功率不小于150 kW，故采煤機(jī)切割功率為2×150=300 kW。

采煤機(jī)的牽引力應(yīng)能保證采煤機(jī)不打滑，顯然，當(dāng)采煤機(jī)上行割煤時(shí)，采煤機(jī)最易下滑。對(duì)采煤機(jī)上行割煤進(jìn)行力學(xué)分析，如圖1所示。

采煤機(jī)上行割煤的穩(wěn)定條件是：

N01+N02+f2≤F-G1sinθ

(5)

其中，F(xiàn)為圓環(huán)鏈對(duì)采煤機(jī)作用的牽引力，kN；θ為工作面傾角，按采煤機(jī)最易下滑考慮，取30°；N01,N02分別為煤壁對(duì)前、后滾筒沿工作面方向的推進(jìn)阻力，kN，一般計(jì)算比較復(fù)雜，常采用下式近似估算[11]：

N01+N02=F(47～59)%/(1+K2)

(6)

f2為采煤機(jī)上行時(shí)輸送機(jī)對(duì)采煤機(jī)產(chǎn)生的沿工作面方向的摩擦力，其計(jì)算為：

f2=(G1cosθ+N21)μ

(7)

其中，K2為前后滾筒的截割阻力之比，一般為0.2～0.8，薄煤層取小值為0.2；μ為采煤機(jī)與輸送機(jī)間摩擦系數(shù)，取0.2。

由式(5)～式(7)可得:F≥273.0 kN。

考慮到采煤機(jī)過(guò)斷層時(shí)能夠提供較大的牽引力，根據(jù)采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)，可選用2×55 kW的牽引電機(jī)，該電機(jī)可以提供2×240 kN牽引力。

此外，還應(yīng)考慮采煤機(jī)調(diào)高電機(jī)功率，類(lèi)比該礦其他薄煤層采煤機(jī)情況，一般為2×5.5 kW，因此，采煤機(jī)裝機(jī)功率為：2×150+2×55+2×5.5=410 kW。

由于薄煤層空間狹小，為了減小采煤機(jī)機(jī)面高度，采煤機(jī)采用外牽引布置方式，牽引部布置在工作面輸送機(jī)的機(jī)頭、機(jī)尾處。

2.2 刮板輸送機(jī)選型

2.2.1刮板輸送機(jī)機(jī)構(gòu)

雙中心鏈刮板輸送機(jī)能夠較好地解決在彎曲段受力分配不均、整體強(qiáng)度不高的問(wèn)題，且運(yùn)行阻力較小，不容斷鏈，結(jié)合21041工作面開(kāi)采條件和工作面生產(chǎn)能力，選用雙中心鏈刮板輸送機(jī)。

2.2.2刮板輸送機(jī)功率[12]

刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力Qg應(yīng)滿足如下條件：

Qg≥1.1Qt=139 t/h

(8)

刮板輸送機(jī)單位長(zhǎng)度的裝煤量為：

q=Qg/3.6v

(9)

刮板鏈在重載和空載直線段的運(yùn)行總阻力分別為：

Wz=(qω+q1ωl)Lgcosβ-(q+q1)Lgsinβ

(10)

Wk=q1Lg(ωlcosβ+sinβ)

(11)

其中，q為輸送機(jī)單位長(zhǎng)度的裝煤量，kg/m；v為刮板鏈運(yùn)行速度，取1 m/s;Wz為重載直線段的總阻力，N；Wk為空載直線段的總阻力，N；q1為刮板鏈單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，采用φ26×92-C級(jí)圓環(huán)鏈時(shí)，約為36.3 kg/m；L為刮板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，按180 m考慮；ω為煤在槽內(nèi)運(yùn)行的阻力系數(shù)，取0.8；ωl為刮板鏈在槽內(nèi)運(yùn)行的阻力系數(shù)，取0.4；g為重力加速度，取9.8 m/s2；β為刮板輸送機(jī)的鋪設(shè)傾角，按開(kāi)采區(qū)域煤層傾角0°～30°考慮。

代入數(shù)據(jù)得：q=83.3 kg/m～138.9 kg/m；Wz=143 213.3 N～22 163.3 N；Wk=25 613.3 N。

電動(dòng)機(jī)最大功率和最小功率分別為：

Nmax=W0v/1 000η

(12)

Nmin=1.1q1Lωlgcosβv/1 000η

(13)

電動(dòng)機(jī)等效功率為：

(14)

刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)總功率為：

N0=kdNd′

(15)

其中，Nmax為刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大功率，kW；Nmin為刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)電動(dòng)機(jī)的最小功率，kW；η為傳動(dòng)裝置效率，取0.8；kd為備用系數(shù)，取1.2。

代入數(shù)據(jù)后得N0=214 kW～298 kW。因此，可采用兩臺(tái)160 kW的雙速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.3 液壓支架選型

2.3.1液壓支架結(jié)構(gòu)

2.3.2液壓支架移架速度

為了保證采煤機(jī)生產(chǎn)能力充分發(fā)揮，液壓支架移架速度應(yīng)大于采煤機(jī)牽引速度。即:

ve≥vp=2.85 m/min

(16)

2.3.3液壓支架初撐力和工作阻力

液壓支架的初撐力支護(hù)強(qiáng)度可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[13]：

qz=200K×Kc/1 000

(17)

其中，qz為初撐力支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K為富裕系數(shù)，K=1.2；Kc為懸頂系數(shù)，取1.0～1.5，考慮到21041工作面頂板為已經(jīng)垮落充分的破碎頂板，Kc取1.2。

代入數(shù)據(jù)得qz=0.288 MPa，因此，初撐力支護(hù)強(qiáng)度可取0.3 MPa。

由礦山壓力理論可知，當(dāng)工作面老頂來(lái)壓時(shí)，工作面支架的工作阻力最大，因此，僅以工作面老頂初次來(lái)壓的支架工作阻力作為支架選型標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)我國(guó)薄煤層液壓支架的幾何參數(shù)和21041工作面采煤機(jī)布置特點(diǎn)，支架頂梁長(zhǎng)度為3.9 m，寬度為1.75 m。利用FLAC數(shù)值模擬軟件計(jì)算結(jié)果，頂梁前端、中部和末端的垂直應(yīng)力分別為0.20 MPa，0.45 MPa和0.55 MPa，于是支架的支護(hù)強(qiáng)度為(0.20+0.45+0.55)/3=0.40 MPa，考慮到老頂旋轉(zhuǎn)下沉的動(dòng)載荷效應(yīng)，上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)乘一個(gè)動(dòng)載荷系數(shù)，動(dòng)載荷系數(shù)一般為1.1～1.8，由于上分層開(kāi)采后動(dòng)載荷系數(shù)相對(duì)較小，取1.25，故支架支護(hù)強(qiáng)度為1.25×0.4=0.5 MPa。于是支架的工作阻力Pg為：Pg=0.5×3.9×1.75×1 000=3 400 kN。

2.3.4液壓支架的支撐高度

由數(shù)值模擬計(jì)算可知，21041工作面頂板最大下沉量Δh=0.15 m。工作面最大采高M(jìn)max=1.1 m，最小采高M(jìn)min=0.59 m，綜采卸載高度a一般為0.1 m，于是支架的最大支撐高度Hmax=Mmax+0.2=1.3 m，最小支撐高度為Hmin=Mmin-Δh-a=0.34 m。

因此，支架的支撐高度為0.34 m～1.3 m。顯然，支架最小支撐高度小于采煤機(jī)機(jī)身高度，因此最小采高應(yīng)為采煤機(jī)機(jī)面高度hj、頂板下沉量與卸載高度之和，即Hmin=hj+Δh+a=0.82 m，故支架的支撐高度為0.82 m～1.3 m。

考慮到21041工作面頂板壓力較小，為了增加支護(hù)空間高度，將液壓支架頂梁設(shè)計(jì)為板式結(jié)構(gòu)，以增加回采空間，增大過(guò)機(jī)高度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)上述研究結(jié)果，某礦21041工作面采用MG2×150/421-PFD型外牽引雙滾筒采煤機(jī)、SGZ730/320-LT型工作面刮板輸送機(jī)、ZY3400/6.5/14型工作面液壓支架掩護(hù)式液壓支架及其相關(guān)配套設(shè)備。

采煤機(jī)基本參數(shù)為：總功率421 kW。采高0.8 m～1.5 m，傾角不大于45°，機(jī)面高度570 mm，過(guò)煤高度300 mm，截深630 mm。有鏈電牽引，牽引動(dòng)力安裝在工作面運(yùn)輸機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾上，采煤機(jī)重量約14 t；刮板輸送機(jī)基本參數(shù)為：功率2×160 kW，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度180 m，φ26×92 C級(jí)圓環(huán)鏈，中雙鏈，中部槽規(guī)格為1 750 mm×690 mm×263 mm(長(zhǎng)×內(nèi)寬×高)，運(yùn)輸能力300 t/h。液壓支架參數(shù)為：高度0.65 m～1.4 m，中心距1.75 m，初撐力2 046 kN～2 750 kN，工作阻力2 414 kN～3 245 kN，支護(hù)強(qiáng)度0.455 9 MPa～0.733 6 MPa，電液閥操作控制，重量10.6 t。

21041工作面于8月份投產(chǎn)，截止到10月底工作面共采原煤41 700 t，安全推進(jìn)436 m，最大月推進(jìn)219.6 m，平均月推進(jìn)度達(dá)145 m，實(shí)現(xiàn)了該工作面的安全高效生產(chǎn)?；夭善陂g，沒(méi)有出現(xiàn)因過(guò)煤高度低煤塊被卡住的情況，未出現(xiàn)采煤機(jī)或者支架被壓死或者刮板輸送機(jī)斷鏈的設(shè)備事故，未發(fā)生人員傷亡事故，工人安全得到了保障，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到了降低。經(jīng)計(jì)算，21041采用上述設(shè)備后，前3個(gè)月可以實(shí)現(xiàn)年利潤(rùn)560萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬分析，初步確定了21041工作面三機(jī)配套，即采用MG2×150/421-PFD型外牽引雙滾筒采煤機(jī)、SGZ730/320-LT型工作面刮板輸送機(jī)、ZY3400/6.5/14型工作面液壓支架掩護(hù)式液壓支架及其相關(guān)配套設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該配套設(shè)備能夠有效實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采安全高效開(kāi)采。