雷 洋，岳 鑫，吳鋒鋒

(1.涼山州益門(mén)煤業(yè)有限責(zé)任公司，四川 涼山州 615104；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

急傾斜煤層是指埋藏傾角在45°以上的煤層，在我國(guó)西部地區(qū)分布廣泛[1]，隨著煤炭開(kāi)采向西部轉(zhuǎn)移，急傾斜煤層的開(kāi)采比重也越來(lái)越大[2]，但由于急傾斜煤層特殊的賦存條件，使得其開(kāi)采方式與水平煤層差異較大，開(kāi)采難度也大大增加[3-5]。筆者團(tuán)隊(duì)[6]探究了急傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程覆巖運(yùn)移規(guī)律，得出了不同開(kāi)采時(shí)期的工作面支架載荷情況。工作面的液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)，是綜采綜放的主要設(shè)備，合理的工作面“三機(jī)”選型配套，對(duì)于急傾斜煤層安全高效開(kāi)采至關(guān)重要。

我國(guó)煤礦機(jī)械化開(kāi)采經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，針對(duì)水平煤層開(kāi)采的工作面“三機(jī)”選型配套已經(jīng)較為成熟[7]，同時(shí)學(xué)者們對(duì)于特殊開(kāi)采條件下“三機(jī)”選型配套的研究與實(shí)踐也在不斷豐富[8-15]，此外也有學(xué)者嘗試探究通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等新方法將“三機(jī)”參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化從而更大程度提高工作面采出效率[16]。對(duì)于大傾角[17，18]、急傾斜[19]煤層開(kāi)采，相關(guān)研究主要聚焦于長(zhǎng)臂開(kāi)支架倒滑、采煤機(jī)上行牽引阻力大和刮板輸送機(jī)下滑等問(wèn)題。但針對(duì)急傾斜不穩(wěn)定特厚煤層水平分段綜放工作面“三機(jī)”選型配套的研究與實(shí)踐還比較少。

本研究針對(duì)急傾斜煤層開(kāi)采三機(jī)設(shè)備選型問(wèn)題，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，以益門(mén)煤礦急傾斜不穩(wěn)定特厚煤層綜放工作面為工程背景，分析水平分段綜放工作面開(kāi)采特點(diǎn)與技術(shù)要求，對(duì)工作面進(jìn)行“三機(jī)”設(shè)備選型并進(jìn)行工程應(yīng)用，同時(shí)對(duì)工作面回采過(guò)程進(jìn)行跟班觀測(cè)，評(píng)價(jià)設(shè)備選型的合理性。

1 工程概況

1.1 工作面概況

益門(mén)煤礦位于涼山州會(huì)理縣益門(mén)鎮(zhèn)，地處高山地帶，主采煤層標(biāo)號(hào)為C1，C2，C3，煤層傾角30°～90°，平均為45°，平均煤厚為30 m，為急傾斜特厚煤層，采用水平分段放頂煤采煤法開(kāi)采，開(kāi)采標(biāo)高為+2020 m，各水平開(kāi)采順序?yàn)樽陨隙麻_(kāi)采，煤層由南至北逐漸變窄，走向長(zhǎng)度190 m，水平寬度平均40 m左右，工作面長(zhǎng)度為30 m左右，工作面頂?shù)装鍘r性分布如圖1所示。

圖1 工作面頂?shù)装鍘r性分布

煤礦目前采用水平分段懸移支架放頂煤采煤法，支護(hù)采用2L型底梁式懸移支架，落煤方式仍為手鎬(局部存在夾石放炮)工藝，輔助局部夾矸采用放炮崩落方式，開(kāi)采效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

1.2 開(kāi)采特點(diǎn)及技術(shù)要求

1)急傾斜煤層采用水平分段放頂煤開(kāi)采，覆巖活動(dòng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)將有別于緩傾斜煤層[20]，厚度不穩(wěn)定帶來(lái)工作面長(zhǎng)度變化，塊段不規(guī)整，存在支架增減，回采產(chǎn)生采空空間大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

2)工作面采用水平分段放頂煤開(kāi)采，同時(shí)具有分段頂煤厚、煤質(zhì)軟以及長(zhǎng)度變化的特點(diǎn)，應(yīng)選擇放煤能力相對(duì)較大的支架，還要具備防止架間漏煤和維護(hù)端面穩(wěn)定的能力，同時(shí)為應(yīng)對(duì)工作面推進(jìn)方向上長(zhǎng)度變化頻繁的問(wèn)題，支架還應(yīng)具備體積小、重量輕、移動(dòng)靈活、運(yùn)輸方便、具有良好封頂性。

3)由于急傾斜特厚煤層水平分段工作面長(zhǎng)度小，必須使用短機(jī)身采煤機(jī)。益門(mén)煤礦煤層軟，工作面水平布置，因此對(duì)采煤機(jī)的截割能力和牽引能力沒(méi)有特殊要求。

4)輸送機(jī)輸送量應(yīng)與采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力以及放煤口放煤能力相適應(yīng)，且具有備用能力。

2 急傾斜綜放面“三機(jī)”能力

2.1 液壓支架支護(hù)能力

急傾斜不穩(wěn)定特厚煤層綜放工作面在開(kāi)采過(guò)程中，覆巖活動(dòng)可以分為開(kāi)采初期和開(kāi)采后期兩個(gè)階段，工作面的支架所受載荷除了在不同開(kāi)采時(shí)期頂板活動(dòng)影響下不同，還在頂?shù)装鍍蓚?cè)具有差異，各時(shí)期頂?shù)装鍌?cè)支架工作阻力計(jì)算方法[6]如下。

1)開(kāi)采初期階段圍巖結(jié)構(gòu)如圖2所示，此時(shí)工作面頂板側(cè)支架工作阻力為：

圖2 開(kāi)采初期結(jié)構(gòu)模型

式中，L為頂梁長(zhǎng)度，m；γ為煤矸石容重，kN/m3；ks為支撐效率；k1為安全系數(shù)，取1.0～1.5；k2為頂板動(dòng)載系數(shù)，取1.0～1.5；k3為衰減系數(shù)，開(kāi)采初期和后期分別取0.6和0.8；k4為巖石的碎脹系數(shù)，通常取值1.1～1.3；q為頂板懸臂梁自重應(yīng)力；l為長(zhǎng)度，m；α為煤層傾角，(°)；h1為頂煤厚度，m；h2為垮落煤矸石堆積厚度，m；b為支架中心距，m。

工作面底板側(cè)支架工作阻力F1-2為：

2)開(kāi)采后期階段圍巖結(jié)構(gòu)如圖3所示，工作面頂板側(cè)液壓支架工作阻力為：

圖3 開(kāi)采后期結(jié)構(gòu)模型

式中，Q為上覆巖層的壓力，kN。

底板側(cè)液壓支架工作阻力為：

3)計(jì)算得出開(kāi)采前期支架工作阻力為頂板側(cè)1620 kN、底板側(cè)1400 kN，開(kāi)采后期為頂板側(cè)1920 kN、底板側(cè)1720 kN。考慮實(shí)際應(yīng)用減少設(shè)備更換，所選支架應(yīng)滿足控制所有時(shí)期采場(chǎng)上覆巖層的需要，取不同工況理論計(jì)算最大值，得出工作阻力不低于1920 kN，對(duì)應(yīng)支護(hù)強(qiáng)度不低于0.48 MPa。

2.2 采煤機(jī)落煤能力

依照采煤機(jī)選型原則，選擇的采煤機(jī)應(yīng)滿足以下基本參數(shù)：采高2.4 m，截深0.6 m。

1)采煤機(jī)牽引速度。按每割1刀煤，所需其它輔助時(shí)間(啟動(dòng)、非割煤時(shí)間)為T(mén)非，取T非=65 min(采煤機(jī)割煤與其它工序盡量做到平行作業(yè))每割1刀煤所需時(shí)間T刀：

T刀=6×60÷(n×2)-T非=25(min)

工作面長(zhǎng)度取L=35 m。

則：采煤機(jī)割煤所需最小牽引速度V牽min：

V牽min=L/T刀=35/25≈1.4(m/min)

采煤機(jī)割煤所需最高開(kāi)機(jī)率μmax：

μmax=nT刀/(6×60)≈27.7%

根據(jù)以上計(jì)算，采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率在27.7%，采煤機(jī)牽引速度為1.4 m/min時(shí)，能夠滿足生產(chǎn)要求。

2)采煤機(jī)小時(shí)生產(chǎn)能力、裝機(jī)功率。工作面小時(shí)割煤量：按“四、六”制工作方式，每班工作6小時(shí)，三班產(chǎn)煤一班檢修計(jì)算。

Qh=f×Q割/T刀

(5)

式中，Qh為采煤機(jī)小時(shí)最小生產(chǎn)能力，t/h；f為能力富裕系數(shù)，取1.2；Q割為每刀產(chǎn)量，取41.9 t；T刀=25 min。

Qh=1.2×41.9/(25÷60)=120.7(t/h)

裝機(jī)功率包括截割電機(jī)，牽引電機(jī)，破碎電機(jī)等電機(jī)功率總和，裝機(jī)功率由式(6)計(jì)算：

P=Qh×Hw

(6)

式中，P為裝機(jī)功率，kW；Qh為采煤理論生產(chǎn)能力，取120.7t/h；Hw為比能耗，一般0.6～0.7，取0.6；P=120.7×0.6=72.4 kW

通常采煤機(jī)的實(shí)際裝機(jī)功率比正常割煤時(shí)所需功率要多出30%～50%，以增強(qiáng)采煤機(jī)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造時(shí)的破巖能力，實(shí)際裝機(jī)功率為1.3～1.5P。因此采煤機(jī)的實(shí)際功率94～109 kW。

2.3 刮板輸送機(jī)運(yùn)煤能力

1)前刮板輸送機(jī)運(yùn)煤能力。采煤機(jī)最大落煤能力由式(7)計(jì)算：

Qgmax=60B(H/2)Vr

(7)

式中，Qgmax為采煤機(jī)最大落煤能力；B為采煤機(jī)截深，取0.6 m；H為采高，取2.4 m；V為采煤機(jī)平均割煤速度，取3 m/min；r為煤容量，取1.5 t/m3。

選擇輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)滿足采煤機(jī)最大落煤能力要求：

Qgmax=60×0.6×1.2×3×1.5=194.4(t/h)

輸送機(jī)最大運(yùn)輸能力應(yīng)滿足：

Qyl=KyiQgmax

(8)

式中，Qyl為輸送機(jī)的最大運(yùn)輸能力；Kyi為輸送機(jī)裝載不均勻系數(shù)，取1.4。

Qyl=1.4×194.4=272.2 h

因此所選前部刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不小于300 t/h。

2)后刮板輸送機(jī)運(yùn)煤能力。按“兩刀一放”的放煤工藝，放煤回收率按75%計(jì)算，則一個(gè)循環(huán)的放煤量為：

Q放=L×Bf×Hf×γ×Kf=529.2(t)

式中，Q放為放一次頂煤產(chǎn)量，t；Bf為循環(huán)步距，取1.2 m；Hf為放煤高度，取11.2 m；Kf為回收率，取0.75；

放煤能力由放煤口大小和多少來(lái)決定，一般可通過(guò)調(diào)節(jié)放煤口的多少來(lái)調(diào)節(jié)，放煤速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)放煤口大小及擺尾梁調(diào)節(jié)。由以上計(jì)算每割一刀需25 min，割兩刀需50 min。工作面放煤時(shí)間T放取為50 min，平均放煤能力：

Q平=Q放/T放=529.2×60/50=635(t/h)

最大放煤能力：

Qfmax=Kf×Q平

(9)

式中，Qfmax為最大放煤能力；Kf為放煤不均勻系數(shù)，取1.5。

Qfmax=1.5×635=866(t/h)

因此，后部輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不小于952 t/h。

3 急傾斜綜放面三機(jī)設(shè)備選型配套

根據(jù)煤層的賦存情況和采煤高度的要求以及前文能力分析結(jié)果，液壓支架中部選擇支架型號(hào)為ZF2600/16/26，過(guò)渡支架型號(hào)為ZFG2800/17/28，采煤機(jī)采用MG250/300-NAWD型電牽引短壁采煤機(jī)。支架主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，采煤機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 液壓支架主要參數(shù)

表2 采煤機(jī)主要參數(shù)

前部刮板輸送機(jī)采用SGZ730/90中雙鏈輸送機(jī)，運(yùn)輸能力為700 t/h，總裝機(jī)功率為90 kW，采用端卸的卸載方式，鏈速約1 m/s，使用長(zhǎng)度32.5 m。后部刮板輸送機(jī)采用SGB620/40邊雙鏈輸送機(jī)，運(yùn)輸能力為150 t/h，總裝機(jī)功率為55 kW，同樣采用端卸，鏈速約0.86 m/s，使用長(zhǎng)度33 m。同時(shí)選用SZZ630/90中雙鏈刮板轉(zhuǎn)載機(jī)。

4 工程應(yīng)用效果

4.1 設(shè)備運(yùn)行情況

將工作面“三機(jī)”選型結(jié)果應(yīng)用至益門(mén)煤礦1212工作面，為第7分段，對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行跟班觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)記錄采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率、支架壓力以及輸送機(jī)工作等情況。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：1212工作面生產(chǎn)班平均采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率達(dá)60%；實(shí)測(cè)支架平均支護(hù)強(qiáng)度為：p0=0.16 MPa，pm=0.28 MPa，pt=0.22 MPa，支架最大支護(hù)強(qiáng)度為：p0max=0.32 MPa，pmmax=0.45 MPa，ptmax=0.31 MPa，所選液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.49 MPa，工作面周期來(lái)壓步距平均為8 m，來(lái)壓期間末阻力平均動(dòng)載系數(shù)為1.24；觀測(cè)期間前、后刮板輸送機(jī)均未出現(xiàn)故障，運(yùn)輸能力符合要求，采煤機(jī)割煤和放頂煤工序?qū)崿F(xiàn)平行作業(yè)。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

從煤炭資源采出率角度評(píng)價(jià)機(jī)械化開(kāi)采在益門(mén)煤礦的應(yīng)用效果，實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)采用機(jī)械化開(kāi)采前后的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比見(jiàn)表3，從表中可知，采用機(jī)械化開(kāi)采后工作面單產(chǎn)提高約300%，生產(chǎn)班作業(yè)人數(shù)由27人減少至14人，工作面回采率由75%提升至93%，同時(shí)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，片幫冒頂?shù)鹊V壓顯現(xiàn)明顯減少，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

5 結(jié) 論

1)分析了益門(mén)煤礦采煤工作面采用水平分段放頂煤開(kāi)采特點(diǎn)及設(shè)備要求，工作面長(zhǎng)度較小且變化，分段頂煤較厚、松軟不穩(wěn)定，采空空間大礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。支架應(yīng)具備輕便、放煤能力大、封頂性良好的特點(diǎn)，需選用短機(jī)身電牽引采煤機(jī)。

2)計(jì)算得出支架工作阻力不低于1920 kN，選擇支架型號(hào)為ZF2600/16/26。采煤機(jī)的實(shí)際功率應(yīng)在94～109 kW，選用MG250/300-NAWD型電牽引短壁采煤機(jī)。前部刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不小于300 t/h，后部輸送機(jī)不小于952 t/h，采用SGZ730/90 中雙鏈前部刮板輸送機(jī)、SGB620/40邊雙鏈后部刮板輸送機(jī)、SZZ630/90中雙鏈刮板轉(zhuǎn)載機(jī)。

3)將工作面“三機(jī)”選型結(jié)果應(yīng)用于益門(mén)煤礦1212工作面并跟班觀測(cè)，觀測(cè)期間采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率達(dá)60%，支架工作阻力滿足頂板控制要求，采煤機(jī)割煤和放頂煤工序平行作業(yè)，工作面生產(chǎn)班作業(yè)人數(shù)由27人減少至14人，回采率由75%提升至93%，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效。