王海棟

（西山煤電集團(tuán)官地煤礦， 山西 太原 030023）

引言

目前煤炭資源雖然在我國(guó)能源消費(fèi)比例略有下降，但在未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仍占據(jù)著舉足輕重的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦工作面也朝著機(jī)械自動(dòng)化、大型化的方向發(fā)展。為保證礦井工作面的安全高效開(kāi)采，必須保證工作面機(jī)械設(shè)備的協(xié)調(diào)性和合理性[1-2]。因此，工作面開(kāi)采的首要條件就是選取合適的工作面機(jī)械設(shè)備。

許多研究學(xué)者針對(duì)各種不同地質(zhì)環(huán)境下的工作面設(shè)備選型進(jìn)行了研究。唐永志[3]采用數(shù)值模擬和力學(xué)分析的手段確定了工作面的液壓支架型號(hào)；白燕青[4]采用理論計(jì)算確定了工作面“三機(jī)一支”的具體型號(hào)；李超[5]針對(duì)寺河礦的大采高工作面進(jìn)行設(shè)備選型。本文針對(duì)官地礦13601工作面具體地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)備選型研究。

1 工程概況

官地煤礦1960年正式建礦，是經(jīng)過(guò)多次擴(kuò)建而成的大型國(guó)有礦井，核定生產(chǎn)能力為500萬(wàn)t/a。13601工作面所采煤層為3號(hào)煤層，位于南六采區(qū)南翼，東北側(cè)為13513工作面采空區(qū)，與本工作面最近距離為182 m，西南側(cè)為未采區(qū)。工作面上部為12601、12603工作面采空區(qū)。2號(hào)、3號(hào)煤層間距約12 m。地面位于要子莊東側(cè)山梁，其地表以要子莊村耕地為主，黃冶河從該工作面北側(cè)外穿過(guò)。蓋山厚度244～262 m，平均厚度 257 m。

13601工作面正巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為510 m，副巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為670 m，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為210 m，3號(hào)煤層厚度2.97～3.38 m，平均厚度為3.2 m，煤層傾角4°～12°。13601工作面正、副巷采用矩形斷面凈寬4.2m、凈高3 m；切眼采用矩形斷面凈寬6.5 m、凈高3 m。工作面頂?shù)装鍘r層如表1所示。

表1 工作面技術(shù)參數(shù)

根據(jù)官地礦13601工作面煤層厚度及頂?shù)装鍘r性條件，選用走向長(zhǎng)壁后退式綜采方法，全部垮落管理頂板。

2 工作面設(shè)備的選型

2.1 支架的選型

根據(jù)官地煤礦13601工作面具體地質(zhì)條件，選擇ZY8000/25/50掩護(hù)式液壓架來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1.1 支架支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算

支架支護(hù)面積S=4.2×1.75=7.35 m2，其中4.52 m為支架頂梁接觸面長(zhǎng)度；

額定工作阻力Q支=8 000 kN；

支架的支護(hù)強(qiáng)度P=8 000÷7.35=1 088 kPa≈1.09 MPa。

2.1.2 工作面支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

式中：R為頂板巖層的巖石容重，取2 600 kg/m3；H為最大采高，取3.38 m；g為重力常數(shù)為9.8 N/kg；P1為8倍最大采高計(jì)算得到的上覆巖層所需要的支護(hù)強(qiáng)度，MPa。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得P1=689×103Pa≈0.69 MPa。

ZY8000/25/50型支架的支護(hù)強(qiáng)度P=1.09 MPa，大于P1=0.69 MPa，因此可以滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求。

2.1.3 工作面液壓支架所需要的工作阻力的計(jì)算式中：F為支架所需要的工作阻力，N。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得F=521 591 N，所選ZY8000/25/50支架的額定工作阻力為8 000 000 N，大于F，因此ZY8000/25/50型支架能滿足工作面要求。

2.1.4 液壓支架初撐力的計(jì)算

由于15311工作面頂板巖層屬于中等穩(wěn)定巖層，因此支架初撐力F'取液壓支架工作面阻力的80%進(jìn)行計(jì)算，即F'＝80%F=521 591×80%=417 273 N。

所選支架的額定初撐力為639 kN，大于F'，可見(jiàn)支架初撐力能滿足要求。

2.1.5 支架高度的計(jì)算

式中：Mmax、Mmin分別為采煤工作面的最大采高、最小采高；Hmax、Hmin分別為液壓支架的最大、最小結(jié)構(gòu)高度。

根據(jù)ZY-9600/25.5/55型掩護(hù)式支架型號(hào)得知，該支架最大高度為5.0 m，最小高度為2.5 m，由以上公式計(jì)得可知，該支架滿足采高要求。

2.1.6 支架綜合技術(shù)特征

本文所選ZY8000/25/50型掩護(hù)式支架完全可以符合13601工作面要求，如表2所示。

表2 ZY8000/25/50型掩護(hù)式液壓支架的技術(shù)特征表

2.2 采煤機(jī)的選型

采煤機(jī)是工作面開(kāi)采的主要機(jī)械設(shè)備，采煤機(jī)的選取主要由采高、截深、功率、牽引方式等主要參數(shù)來(lái)進(jìn)行選取，根據(jù)官地礦13601工作面的具體參數(shù)計(jì)算如下。

2.2.1 滾筒直徑的選擇

根據(jù)現(xiàn)有工作面經(jīng)驗(yàn)，選取雙滾筒采煤機(jī)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可以得到采煤機(jī)采高與煤層厚度之間的關(guān)系。

式中：H'min、H'max分別為采煤機(jī)最小、最大采高，m。

2.2.2 截深的選擇

根據(jù)工作面煤層具體參數(shù)及液壓支架的具體參數(shù)，選取采煤機(jī)截深為800 mm。

2.2.3 牽引速度的計(jì)算

式中：QH為工作面小時(shí)產(chǎn)量，工作面日產(chǎn)量取5 000 t，QH＝5 000/18=277.8 t/h；K為工作利用時(shí)間系數(shù)取0.3；γ為煤容重，1.42 t/m3；H為采高，取工作面平均采高3.26 m；B為截深，0.8 m，Vg為采煤機(jī)所需牽引速度，m/min。

將以上數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得Vg=4.24 m/min。

2.2.4 裝機(jī)容量的計(jì)算

式中：Kb為備用系數(shù)，取1.5；B為采煤機(jī)截深，0.8 m；H為工作面平均采高，3.2 m；Hw為采煤機(jī)單位能耗，0.65～0.85 kWh/m3，結(jié)合本礦煤層的具體情況，考慮取Hw=0.85 kWh/m3；Vave為采煤機(jī)平均割煤速度，取4.24 m/min；N為采煤機(jī)裝機(jī)功率，kW。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得N=830 kW。

2.2.5 采煤機(jī)綜合技術(shù)特征

根據(jù)上述計(jì)算，按照采煤機(jī)總裝機(jī)功率大于830 kW的原則、截深需0.8 m和滾牽引速度為4.24 m/min的參數(shù)要求，結(jié)合地質(zhì)條件和設(shè)備配套情況及礦井現(xiàn)有設(shè)備綜合考慮，確定選用煤機(jī)型號(hào)為MG500/1140-GWD型采煤機(jī)，具體各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 MG500/1140-GWD型采煤機(jī)主要技術(shù)特征

2.3 刮板輸送機(jī)的選型

輸送機(jī)運(yùn)輸能力的確定

式中：Ks為運(yùn)輸方向與煤層傾角之間不均勻系數(shù)，取0.9；Ky為輸送機(jī)裝貨的不均勻系數(shù)，取1.5；Kc為采煤機(jī)與輸送機(jī)的相對(duì)修正系數(shù)，Kc＝Vn/（Vn±V'g）＝1.13×60/（1.13×60±4.24）＝0.94～1.07；Vn、V'g為輸送機(jī)鏈速（1.13 m/s）和割煤速度（4.24 m/min），它們方向相同時(shí)取“-”，相反取“+”。

代入可得Qb＝（0.94～1.07）×1.5×0.9×277.8＝353～402 t/h，因此，所選刮板輸送機(jī)型號(hào)輸送能力需要大于402 t/h，才能滿足生產(chǎn)的要求。

設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度為210 m，因此所選刮板輸送機(jī)型號(hào)長(zhǎng)度應(yīng)≥210 m，保證滿足工作面的正常回采需求。

根據(jù)以上兩個(gè)控制指標(biāo)進(jìn)行選取，可以得到SGZ-764/630型雙鏈刮板輸送機(jī)可以滿足工作面需求，具體參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表4。

表4 SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)技術(shù)特征表

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)官地礦13601工作面設(shè)備選型問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)、三機(jī)配套原則，確定了工作面設(shè)備的各項(xiàng)控制參數(shù)，最終確定了液壓支架型號(hào)為ZY8000/25/50型掩護(hù)式液壓支架，采煤機(jī)型號(hào)為MG500/1140-GWD型采煤機(jī)，工作面刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)。