李臣武

(貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550023)

0 引言

綜采工作面“三機(jī)”(刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架)配套是隨著煤礦綜采技術(shù)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，隨著綜采水平的發(fā)展而發(fā)展的[1]。綜采設(shè)備配套的目的是使工作面設(shè)備適合特定的煤層地質(zhì)條件，是實現(xiàn)綜采工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[2]?！叭龣C(jī)”配套是整套綜采設(shè)備的核心[3]，是單機(jī)設(shè)計、采區(qū)設(shè)計和采煤工藝設(shè)計的依據(jù)[4]，首先各單機(jī)能力要相互匹配，且空間幾何關(guān)系相互配套，其次成套設(shè)備性能與采煤工藝間相互適應(yīng)。采用先進(jìn)的機(jī)電設(shè)備不但能提升煤礦開采效率，而且增強(qiáng)了生產(chǎn)過程中的安全性[5]。本文針對宏達(dá)礦客觀地質(zhì)條件對綜采工作面三機(jī)設(shè)備進(jìn)行配套選型研究，以提高綜采面產(chǎn)量和開機(jī)率，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，同時為類似條件的煤礦進(jìn)行三機(jī)配套提供參考。

1 宏達(dá)礦工作面概況

宏達(dá)礦設(shè)計產(chǎn)能為45萬噸/年，有可采煤層6層，即6、7、16、27、30、32煤層；煤層屬中硬煤層，普式系數(shù)f在1.5～3.0范圍內(nèi)。根據(jù)煤層賦存，全礦劃分為三個分區(qū)，分煤組開拓各個分區(qū)，即下煤組(27、30煤層)劃分為一分區(qū)，中煤組(16煤層)劃分為二分區(qū)，上煤組(6、7煤層)劃分為三分區(qū)。礦井設(shè)計首采一分區(qū)27煤層的12701工作面，其位于龍?zhí)督M第三段中部，是一分區(qū)西翼的第一個工作面，工作面沿走向長為180 m，含一至兩層夾矸,夾矸厚為0.25 m～0.77 m，平均厚為0.45 m；煤層厚為0.82 m～2.38 m，平均厚為1.43 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬全區(qū)可采較穩(wěn)定煤層，煤層傾角為4°～15°；頂板為砂巖或粉砂巖，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值約為76%，底板為砂質(zhì)泥巖，RQD值約為60%，頂、底板巖石完整程度為較完整。12701工作面巷道布置見圖1，采煤方法為傾斜長壁，綜采工藝。

2 三機(jī)設(shè)備選型

2.1 采煤機(jī)選型

采煤設(shè)備選型的依據(jù)主要是工作面生產(chǎn)能力的大小及采用節(jié)能設(shè)備，要求其性能可靠、技術(shù)先進(jìn)，隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，采煤設(shè)備的總趨勢是采用電牽引雙滾筒采煤機(jī)。

圖1 12701工作面巷道布置

2.1.1 選型原則

(1) 工作面煤層及夾矸的普式系數(shù)f必須小于所選采煤機(jī)的允許硬度，以防長期在額定工況下運(yùn)行或者工作面過小斷層引起燒電機(jī)現(xiàn)象，工作面需要足夠大的電機(jī)功率。

(2) “三機(jī)”配套在空間方面應(yīng)有合理的關(guān)系。采煤機(jī)最大割煤高度應(yīng)比液壓支架支撐最大高度小200 mm～300 mm，即采煤機(jī)最小采高應(yīng)比液壓支架最小支撐高度大200 mm～300 mm。

(3) 為適應(yīng)礦井各煤層的不同厚度，一般選用可調(diào)高雙滾筒采煤機(jī)，并配備不同直徑的滾筒。

(4) 應(yīng)同時兼顧其他可采煤層的回采，同時保證礦井設(shè)計生產(chǎn)能力的實現(xiàn)。

2.1.2 選型計算

(1) 采煤機(jī)平均割煤速度Vc(m/min)計算公式為：

(1)

其中：Q為工作面平均日產(chǎn)量，根據(jù)礦井產(chǎn)能按日產(chǎn)量1 364 t考慮；L為工作面長度，L=180 m；I為采煤機(jī)開缺口行程，I=30 m；T為每班工作時間，取T=6 h；K為采煤機(jī)開機(jī)率，取K=0.6；H為平均割煤高度，H=1.43 m；B為采煤機(jī)截割深度，B=0.6 m；γ為實體煤容重，γ=1.54 t/m3；C為工作面采出率，取C=0.95。

將各數(shù)值代入式(1)計算得：Vc≥1.96 m/min。

(2) 采煤機(jī)平均落煤量Qc計算公式為：

Qc=60×B×H×Vc×γ×C.

(2)

將各數(shù)值代入式(2)計算得：Qc=155.4 t/h。

(3) 采煤機(jī)最大落煤量Qcmax(t/h)和最大割煤速度Vcmax(m/min)計算公式為：

Qcmax=Kc·Qc.

(3)

Vcmax=Kc·Vc.

(4)

其中：Kc為采煤機(jī)割煤不均衡系數(shù)，取Kc=1.2。

將各數(shù)值代入式(3)、式(4)計算得：Qcmax=186.5 t/h，Vcmax=2.4 m/min。

(4) 采煤機(jī)功率P1(kW)按式(5)經(jīng)驗公式計算：

P1=60B·H·Vcmax·Hw.

(5)

其中：Hw為采煤機(jī)能耗指數(shù)，取Hw=0.75 kW·h/m3。

將相關(guān)數(shù)值代入式(5)計算得：P1=92.6 kW。

采煤機(jī)功率配置與煤層厚度、煤巖的普式系數(shù)f、采煤機(jī)運(yùn)行速度有關(guān)，在一定條件下功率大小直接影響到工作面生產(chǎn)率，采煤機(jī)功率大則破巖能力強(qiáng)，功率是衡量工作面落煤能力的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)上述計算，一分區(qū)首采煤層27煤層選擇MG2×100/460-WD型電牽引采煤機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 MG2×100/460-WD型電牽引采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 液壓支架選型

2.2.1 選型原則

(1) 煤厚：支架功能特性、結(jié)構(gòu)特點應(yīng)與煤層相適應(yīng)，根據(jù)礦壓規(guī)律，一般采高大于2.5 m時頂板會產(chǎn)生水平推力或側(cè)向推力，不適合支撐式液壓支架，應(yīng)采用抗扭能力比較大的支架；采高大于2.5時，采用掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架，支架必須設(shè)計護(hù)幫裝置。

(2) 傾角：根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定煤層傾角大于12°，支架應(yīng)設(shè)計有相應(yīng)的防滑裝置；煤層傾角大于18°，支架應(yīng)同時安設(shè)有防倒、防滑裝置。

(3) 底板強(qiáng)度：要求支護(hù)阻力與采場礦壓相適應(yīng)，支架的對底板比壓不能超過煤層底板的允許比壓。

(4) 瓦斯：工作面應(yīng)保證過風(fēng)量能充分稀釋瓦斯，一般優(yōu)先選擇支撐掩護(hù)或支撐式支架，因支撐掩護(hù)或支撐式支架設(shè)計的過風(fēng)斷面較大。

(5) 采煤機(jī)、液壓支架、輸送機(jī)三者應(yīng)相互配套。

2.2.2 支護(hù)強(qiáng)度

工作面支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)與礦壓大小相適應(yīng)，支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計過大，支架外形設(shè)計偏大，支架就較為笨重，不但增加了支架的設(shè)備投資，而且給運(yùn)輸、安裝帶來困難；若支護(hù)強(qiáng)度過小，初撐力和工作阻力不能抵抗礦壓或承載工作面頂板巖石重量，就會導(dǎo)致頂板冒落或離層現(xiàn)象。合理的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)正好能滿足頂板的壓力和承載工作面載荷要求。因采場壓力較為復(fù)雜，工作面支架支護(hù)強(qiáng)度P(MPa)目前還不能精確地定量計算，因此采用經(jīng)驗公式計算：

P=b×M大×γ1.

(6)

其中：b為系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取b=7；M大為工作面最大采高，礦井首采的27煤層厚度為0.82 m～2.38 m，取M大=2.38 m；γ1為頂板巖石容重，地勘報告提供γ1=2.7 t/m3。

將相關(guān)數(shù)值代入式(6)計算得：P=0.45 MPa。

2.2.3 工作阻力及對底板比壓確定

由于礦井無礦壓觀測資料，對液壓支架工作阻力及對底板比壓的選擇較困難，因此選擇工作阻力適中、底板比壓較小的掩護(hù)式液壓支架。支架承受的荷載N(kN)為：

N=(6～8)×9.8×S×γ1×M大×cosα.

(7)

其中：(6～8)為系數(shù)，本文取6；S為支架支護(hù)的頂板面積，S=4.5 m2；α為煤層傾角，α=8°。

將相關(guān)數(shù)值代入式(7)計算得：N=1 683.8 kN。

2.2.4 確定支架高度

礦井各煤層厚度變化較大，27煤層厚度為0.82 m～2.38 m，工作面最大采高M(jìn)大和最小采高M(jìn)小分別為2.38 m和0.82 m，則支架最大、最小支撐高度H大、H小為：

H大=M大-S1+200.

(8)

H小=M小-S2-a-c.

(9)

其中：S1為支架前柱上方頂板下沉量，S1=150 mm；S2為支架后柱上方頂板下沉量，S2=150 mm；a為支架前移時可縮余量，取a=50 mm；c為支架與頂板間浮煤碎矸厚度，取c=100 mm。

將相關(guān)數(shù)值代入式(8)、式(9)計算得：H大=2.43 m，H小=0.52 m。

2.2.5 支架型號確定

根據(jù)上述計算分析，結(jié)合礦井27煤層厚度及采煤機(jī)采高，選擇支撐強(qiáng)度較大、過風(fēng)斷面大的支撐掩護(hù)式支架，型號為ZY3200/11/26，其主要參數(shù)見表2。

2.3 刮板輸送機(jī)選型

2.3.1 選型原則

刮板輸送機(jī)選型為：①運(yùn)輸能力應(yīng)滿足采煤機(jī)的生產(chǎn)能力；②輸送機(jī)長度應(yīng)與工作面斜長相適應(yīng)；③溜槽強(qiáng)度應(yīng)能承受采煤機(jī)割煤引起的動壓力、靜壓力；④應(yīng)與液壓支架、采煤機(jī)配套合理。

表2 ZY3200/11/26液壓支架主要參數(shù)

2.3.2 運(yùn)輸能力

運(yùn)輸能力根據(jù)采煤機(jī)割煤能力來計算，小時運(yùn)輸能力Q1(t/h)計算公式為：

Q1=60×Vcmax×h×B×γ×K1×K2×K3.

(10)

其中：h為工作面采高，工作面正常生產(chǎn)狀態(tài)取h=1.43 m；K1為裝載不均勻系數(shù)，取K1=1.5；K2為修正系數(shù)，取K2=1.07；K3為運(yùn)輸傾角和運(yùn)輸方向的系數(shù)，取K3=0.9。

將相關(guān)數(shù)值代入式(10)計算得：Q1=275 t/h。

2.3.3 工作面刮板輸送機(jī)裝機(jī)功率確定

刮板輸送機(jī)的小時生產(chǎn)能力為275 t/h，刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)的小時生產(chǎn)能力比為275/186.5=1.5，因采煤機(jī)計算功率只需92.6 kW，則刮板輸送機(jī)裝機(jī)功率P2(按27煤層計算)為：

P2=92.6×1.5=138.9 kW.

根據(jù)工作面刮板輸送機(jī)選型的主要原則，27煤層綜采工作面選用與“MG2×100/460-WD”型采煤機(jī)配套的SGD630/220型可彎曲刮板輸送機(jī)，刮板輸送機(jī)的安裝長度為180 m，額定功率為2×110 kW，輸送能力為300 t/h，可以滿足工作面的生產(chǎn)要求。

3 三機(jī)配套運(yùn)行效果

宏達(dá)礦根據(jù)一分區(qū)首采面的煤層地質(zhì)條件進(jìn)行了

三機(jī)配套選型設(shè)計，實現(xiàn)了采煤機(jī)、刮板機(jī)、液壓支架性能和空間匹配，礦井按選型的設(shè)備進(jìn)行了設(shè)備購置和安裝試生產(chǎn)。試運(yùn)行期間煤礦進(jìn)行開機(jī)率統(tǒng)計和設(shè)備運(yùn)行狀況觀察，設(shè)備運(yùn)行狀況良好，開機(jī)率處于高水平狀態(tài)，三機(jī)配套效果良好，在礦井聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)期間煤層塊段屬于薄及中厚煤層，日單產(chǎn)達(dá)到1 900噸，月產(chǎn)量最高時達(dá)到5.2萬噸，工作面生產(chǎn)能力完全能達(dá)到45萬噸的礦井設(shè)計能力。另外，試運(yùn)行期間設(shè)備故障率較低，工作面檢修工作量相對較小，能為45萬噸產(chǎn)能的中型礦井高產(chǎn)高效提供了保障。

4 結(jié)語

綜采工作面“三機(jī)”配套是礦井設(shè)備選型的重中之重，“三機(jī)”配套選型設(shè)計時必須認(rèn)真分析煤層傾角、厚度、煤層硬度指標(biāo)以及地質(zhì)條件和資源賦存狀況，煤層硬度、厚度等參數(shù)對采煤機(jī)、刮板機(jī)選型起到?jīng)Q定性作用，液壓支架選型、支護(hù)強(qiáng)度確定、參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的選擇都受煤層厚度、煤層傾角、煤層硬度和圍巖性質(zhì)等的制約?！叭龣C(jī)”配套工作非常復(fù)雜，礦井三機(jī)配套時不但要結(jié)合首采工作面的地質(zhì)和環(huán)境進(jìn)行選型設(shè)計，而且要兼顧礦井開采的其他煤層條件，在滿足采面設(shè)計能力的情況下，應(yīng)使設(shè)備在工作面破、裝、運(yùn)、支等過程中實現(xiàn)最佳匹配效果，發(fā)揮設(shè)備的綜合運(yùn)行效能，從而實現(xiàn)采面高效、安全生產(chǎn)。