張 軍
(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)
302盤(pán)區(qū)位于杭來(lái)灣井田西北部,盤(pán)區(qū)東西長(zhǎng)約5.9 km,南北寬約3.7 km,面積約21.3 km2。302盤(pán)區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層厚度6.34~8.14 m,平均7.46 m。直接頂板巖性主要為粉砂巖、泥巖,直接底主要巖石為粉砂巖、泥巖。煤層頂板屬中等冒落頂板~難冒落頂板,礦井為低瓦斯礦井。
井田302盤(pán)區(qū)3號(hào)煤厚煤層可采用的采煤方法有以下三種:分層大采高綜合機(jī)械化開(kāi)采、放頂煤綜合機(jī)械化開(kāi)采和一次采全高超大采高綜合機(jī)械化開(kāi)采[1]。分層開(kāi)采在設(shè)備投資、煤炭回收率等方面有明顯優(yōu)勢(shì),但由于巷道掘進(jìn)率高、維護(hù)困難,容易造成工作面接續(xù)緊張、采掘失調(diào),且下分層開(kāi)采時(shí)在巷道布置、頂板維護(hù)、自然發(fā)火等方面有不可避免的困難和風(fēng)險(xiǎn)。放頂煤開(kāi)采對(duì)煤層厚度的適應(yīng)性好,巷道掘進(jìn)量少,頂板管理相對(duì)簡(jiǎn)單,自燃易防治,但煤炭回收率較低,瓦斯易積聚。通過(guò)對(duì)煤層強(qiáng)度、埋深、頂煤節(jié)理裂隙、頂板條件綜合分析,3號(hào)煤頂煤冒放性一般。一次采全高的優(yōu)點(diǎn)是工作面產(chǎn)量和效率大幅度提高,增產(chǎn)潛力大,巷道掘進(jìn)量少,設(shè)備工序簡(jiǎn)單,煤炭回收率高,原煤含矸率低,缺點(diǎn)是設(shè)備搬遷和安裝困難,投資高,煤壁易片幫。
綜合對(duì)比,根據(jù)目前國(guó)內(nèi)裝備水平應(yīng)用發(fā)展、周邊各礦的技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及總體經(jīng)濟(jì)效益綜合對(duì)比,采用了一次采全高超大采高綜合機(jī)械化采煤方法。
液壓支架的核心指標(biāo)有架型、中心距、支架高度和工作阻力等[2]。
兩柱掩護(hù)式支架相對(duì)四柱支撐式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、造價(jià)便宜、整體受力平衡、電液控自動(dòng)化容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),故架型確定為兩柱掩護(hù)式。
超大采高液壓支架目前主流采用的中心距規(guī)格有1.75 m、2.05 m、2.4 m三種。1.75 m的寬度相對(duì)7 m以上的超大采高支架來(lái)說(shuō),橫向失穩(wěn)角小,穩(wěn)定性較差。2.4 m中心距支架穩(wěn)定性最好,但目前支架運(yùn)輸配套不成熟,調(diào)研各安裝單位沒(méi)有相應(yīng)的運(yùn)輸設(shè)備,另外井下現(xiàn)有運(yùn)輸巷道尺寸也無(wú)法滿足要求。2.05 m中心距支架在穩(wěn)定性和運(yùn)輸安裝等方面平衡性最好。故支架中心距確定為2.05 m。
支架高度可以用以下公式計(jì)算:
式中:Hmax為支架的最大高度,m;Mmax為煤層的最大可采厚度,取7.3 m;S1為最大采高時(shí)支架高度的富余量,一般取0.1~0.3 m,設(shè)計(jì)取值0.2 m;Hmin為支架的最小高度,m;Mmin為煤層最小可采厚度,取5.5 m;S2為最小采高條件下頂板的下沉量,取值0.3 m;a為支架移架降架最小高度,取0.1 m;b為浮煤厚度,取0.1 m。計(jì)算得:支架高度Hmax=7.5 m,Hmin≤5 m。
工作阻力用以下公式計(jì)算:
式中:F為工作阻力,kN;η為支撐效率,取0.98;B為支架中心距,取2.05 m;Lk為控頂距,取6.4;P為支護(hù)強(qiáng)度,MPa;n為頂板巖石厚度系數(shù),取6~8;h為采高,取7.5 m;γ為頂板巖石容重,2.5 t/m3;g為重力加速度,9.8 m/s2。計(jì)算支架工作阻力F=8×7.5×2500×9.8×10-6×2.05×6.4×103/0.98=19 680 kN,圓整后支架工作阻力取21 000 kN。
選定液壓支架為ZY21000/36/75D型兩柱掩護(hù)式液壓支架,其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)
采煤機(jī)的核心指標(biāo)有割煤速度、生產(chǎn)能力、裝機(jī)功率[3]。
割煤最低速度的計(jì)算公式如下:
式中:V為采煤機(jī)割煤速度,m/min;Qd為工作面日產(chǎn)量,取30 300 t;L為工作面長(zhǎng)度,取300 m;h為采高,取7.5 m;Bg為截割深度,取0.865 m;r為煤層容重,取1.32 t/m3;T為每班工作時(shí)間,取8 h;I為采煤機(jī)開(kāi)缺口行程,取35 m;Kk為采煤機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)間占比,取75%;Kc為工作面回采率,取0.93。
計(jì)算得出割煤最低速度V=5.9 m/min,取整數(shù)6 m/min。
式中:Q為采煤機(jī)平均生產(chǎn)能力,t/h;Q=60×7.5×0.865×6×1.32=3083 t/h。
Qm=1.35Q,Qm為采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力,t/h。Qm=1.35×3083=4162 t/h。
采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力不低于4162 t/h。根據(jù)上述計(jì)算采煤機(jī)選擇SL1000型,主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
刮板機(jī)輸送機(jī)選型須保證其運(yùn)輸能力≥采煤機(jī)最大割煤能力[4]。
式中:Qq為輸送機(jī)運(yùn)輸能力,t/h;Q為采煤機(jī)最大割煤能力,t/h;Ka為割煤不均衡系數(shù)、Kb為割煤高度不均衡系數(shù)、Kv為修正系數(shù)、Ky為運(yùn)輸傾角系數(shù),分別取值1.1、1.1、1.05、1.0。算得Qq=1.1×1.1×1.05×1×4162=5 287.8 t/h。經(jīng)校驗(yàn),Qq=5 287.8 t/h≥Qm=4162 t/h。
根據(jù)上述計(jì)算選擇SGZ1400/3×1500型刮板機(jī),主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 刮板機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)輸能力需滿足:Qz≥Ke×Qq。Qz為轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力,t/h;運(yùn)輸機(jī)不均勻系數(shù)取1.1。轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力不低于Qz=1.1×5 287.8=5816 t/h。轉(zhuǎn)載機(jī)選SZZ1600/1000型,其運(yùn)輸能力為6500 t/h,總裝機(jī)功率1000 kW,啟動(dòng)方式為智能變頻軟啟動(dòng),鏈速0~2 m/s,刮板間距608 mm,適應(yīng)的工作面傾角0°~10°。
破碎機(jī)破碎能力應(yīng)不低于轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)輸能力:Qp≥Kf×Qz。其中:Qp為破碎機(jī)的破碎能力,t/h;轉(zhuǎn)載機(jī)不均勻系數(shù)取1.1。破碎機(jī)運(yùn)輸能力不低于Qp=1.1×5816=6398 t/h。根據(jù)上述計(jì)算選定破碎機(jī)PCM700型,其運(yùn)輸能力為7000 t/h。
乳化泵主要參數(shù)包括額定工作壓力和額定流量[5]。
(1)乳化泵的額定工作壓力應(yīng)滿足下列公式:
式中:Pr為乳化泵工作壓力,MPa;F為工作阻力,取21 000 kN;μ為初撐力比例系數(shù),取0.75;d為支架立柱外缸內(nèi)直徑,取0.53 m。
Pr≥0.75×21000/[3.14(0.53/2)×(0.53/2)×2]=35.7 MPa;
乳化泵的額定工作壓力不小于35.7 MPa。
(2)乳化泵的流量應(yīng)該滿足支架移架速度的要求,選擇型號(hào)為S500(BRW633/37.5)型五柱塞乳化液泵4臺(tái),根據(jù)支架的數(shù)據(jù):降架流量Q1=6.40 L/s×2×60=768 L/min;移架流量Q2=8.87 L/s×60=532.2 L/min;升架流量Q3=15.78 L/s×2×60=1 893.6 L/min。取最大流量值1 893.6 L/min,考慮富余系數(shù),乳化流量配置應(yīng)滿足2000 L/min。
通過(guò)計(jì)算,選定工作面設(shè)備如下:ZY21000/36/75D型兩柱掩護(hù)式液壓支架+SL1000型 采 煤 機(jī)+SGZ1400/3×1500型 刮 板 機(jī)+SZZ1600/1000型轉(zhuǎn)載機(jī)+PCM700型破碎機(jī)+S500(BRW633/37.5)型五柱塞乳化液泵4臺(tái)。
通過(guò)設(shè)備的配置選型的計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了杭來(lái)灣煤礦302盤(pán)區(qū)綜采工作面設(shè)備的合理配合、有效適應(yīng),提高了工作面各配套設(shè)備的集約化、自動(dòng)化、智能化程度,實(shí)現(xiàn)該工作面月產(chǎn)量達(dá)到90萬(wàn)t。