大倾角煤层综采工作面设备选型及“三机”配套研究

[摘 要]合理配置综采工作面“三机”设备，可以有效地解决采煤机、支架、刮板输送机动态稳定性问题。本文结合枣泉煤矿120210工作面，对大倾角煤层综采工作面设备选型及“三机”配套进行了研究。通过现场应用，三机配套方案可行，适应了大倾角综采放顶煤条件，可供类似矿井借鉴。

[关键词]大倾角煤层 综采工作面 设备选型 “三机”配套

中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0007-02

1、前言

为实现高产、高效和本质安全的理念，枣泉煤矿120210工作面必须研制并合理配置“三机”（采煤机、支架、刮板输送机）设备，有效地解决“三机”动态稳定性问题，如工作面设备的防倒、防滑问题等，成功地实现120210工作面走向长壁综合机械化放顶煤开采技术突破。

2、工作面概况

枣泉煤矿120210工作面隶属于12采区，主采二煤。2#煤层总厚6.8～9.8m，平均8.15m，煤层结构单一，煤层倾角30°～39°，平均34.5°，煤层硬度f=1.6～2.0。工作面走向长2093～2135m（平均2114m），倾斜长178～188m（平均183.7m）。

预计工作面正常涌水量在80m3/h左右，最大涌水量120 m3/h左右。矿井瓦斯相对涌出量为0.219 m3/t、绝对涌出量为4.408m3/min，二氧化碳相对涌出量为0.713m3/t、绝对涌出量为14.331m3/min。枣泉煤矿为低瓦斯、低二氧化碳矿井。煤层最短自然发火期均为35天，煤尘均有爆炸性。

3、“三机”设备选型研究

3.1 采煤机的选型

3.1.1 采煤机生产能力计算

设计工作面年产量3.3Mt/a，采用单向割煤、端头斜切进刀的工作方式。工作面割煤高度为3.0m，放煤高度平均为5.15m，底煤回收率取95%，顶煤回收率取75%，则工作面平均回采率为82%。工作面采用“一采一放”的放煤方式，采煤机截深为0.8m，放煤步距均为0.8m。工作面推进方向长度3000m左右，其有效开采时间按300d计算。

采煤机应具有的最小生产能力由下式计算：Qh=Qy×f/[D×（N-M）×t×K]

式中：Qh—工作面设备所需最小生产能力，t/h；Qy—要求的工作面年产量，3.3×106t/a；D—年生产天数，300d；f—能力富裕系数，1.3；N—日作业班数，3班；M—每日检修班数，1班；t—每班工作时数，8h；K—开机率，0.7。

经计算，Qh =1277t/h。

3.1.2 采煤机牵引速度

采煤机平均截割牵引速度Vc：Vc= Qh /（60×B×H×γ×C）

式中：Vc—采煤机平均截割牵引速度，m/min；Qh—采煤机可实现的生产能力，1277t/h；H—平均采高，3m；B—截深，0.8m；γ—煤的容重，1.33t/m3；C—工作面回采率，0.93。经计算，Vc=5.4m/min

3.1.3 采煤机装机功率

装机功率包括截割电动机、牵引电动机、破碎电动机、液压泵电动机、机载增压喷雾泵电动机等电动机功率总和。装机功率由下式估算：P=Q×Hw=894kW

式中：P—装机功率，kW；Q—采煤机生产率，1277t/h；Hw—比能耗，一般0.6～0.7，取0.7。经计算，P=894kW。

据经验统计，采煤机牵引力一般为其装机功率数值的0.5～1倍。

3.1.4 采煤机机型确定和主要技术参数

根据以上分析结果，参照国内外高产高效矿井工作面装备情况，设计选用天地科技股份有限公司上海分公司制造的MG450/1020-QWD型电牵引采煤机，采煤机的主要参数如下：装机功率1500kW左右，截深不小于800mm，采高2.2～4.5m，生产能力不小于3.3Mt/a，牵引方式为链轨式或销排式无链电牵引，牵引力不小于750kN，额定电压3300V，频率50Hz。

3.2 液压支架的选型

液压支架是综采工作面主要设备之一，也是工作面装备中投资最多的设备，应把液压支架的可靠性放在首位。液压支架的选型既要考虑设备先进性，又要考虑性能稳定可靠、经久耐用。

3.2.1 工作面顶底板分类

（1）直接顶分类

①直接顶强度指标：

其中—岩石得单向抗压强度，；—节理裂隙影响系数，实测二煤直接顶裂隙间距0.6m，可得：；—分层厚度影响系数，实测二煤直接顶分层厚度平均为0.8m，可得：；

②直接顶初次垮落步距

查直接顶顶板分类指标（《中国采场围岩控制》），直接顶板初次垮落步距为19～25m，根据相似材料模拟实验、数值模拟研究报告并参照枣泉煤矿120210工作面现场矿压实测数据，二号煤直接顶初次垮落步距为24m。

参照原煤炭部颁布的《缓倾斜煤层工作面顶板分类方案》，二煤层工作面直接顶属于Ⅲ类，即稳定直接顶，在局部有向不稳定顶板变化趋势。

（2）基本顶分级

① 直接顶与采高比

其中—直接顶厚度，根据地质资料，；—煤层平均采高，取煤层的实际厚度，取8.15m。

② 基本顶初次来压步距

根据矿压实测数据，二煤基本顶初次来压步距为54～67m。根据上述的分类指标，查老顶来压强度分级表（《中国采场围岩控制》），老顶来压步距大于50m，二煤层工作面基本顶属于Ⅲ级，即来压强烈顶板。

上述分析表明，二煤层工作面顶板为Ⅲ级3类顶板，即直接顶稳定，基本顶来压剧烈顶板。在局部区域内，直接顶有向Ⅰ类变化的趋向。

（3）底板分类

①底板容许比压：（MPa）

其中：—安全系数，取0.75；—极限比压，根据类似埋藏（岩性）条件矿井经验，=4.608（MPa）。

②底板容许刚度：（MPa/mm）

其中—底板平均刚度，根据类似埋藏条件矿井经验，（MPa/mm）。

由以上数据分析，二煤层工作面底板为Ⅱ类，即松软底板（由于二煤层底板单轴抗压强度为9.14～12.67MPa，则在局部可能为Ⅰ类底板）。

3.2.2 支架类型确定

（1）工作面一直沿顶开采，煤的硬度系数1.6～2.0。根据老顶分类方法以及现场来压数据分析可知：120210工作面老顶为Ⅲ类来压强烈的顶板。为了避免大面积垮落引起的动载，支架应取较高的初撑力，约为工作阻力的80%，较大的初撑力和较好的初撑质量可以较快达到工作阻力。根据工作面条件，液压支架应选用支撑掩护式架型。

（2）掩护型支架可分单铰式和四连杆式（或称双铰式），双铰式由单铰发展面来，其维护梁端顶板、挡矸，抵抗水平推力效果均较好，还可提高支架的稳定性。本工作面支架选用四连杆式。

（4）120210工作面采高大而且片帮严重，支架应带强力护帮装置。护帮装置还应兼有超前支护顶板的功能。

（5）在松软底板上使用的支架，应配备减少比压的结构。

综合上述，为提高液压支架的稳定性和抗扭性，选用底座与掩护梁相联接的四连杆机构架型，考虑到放煤效果，选用低位放顶煤液压支架。工作面选用四柱支撑掩护式大插板低位放顶煤液压支架。

3.2.3 支架阻力确定

液压支架的阻力是支架设计中最基本的参数，支架所有结构的强度都是由此决定，它在一定程度上显示支架工作的能力和特征，主要包括支架的初撑力和工作阻力。液压支架采用四柱低位放顶煤液压支架，最低高度1.6m，最高高度3.2m，支架中心距1.5m。综合经典理论、大倾角煤层长壁开采动力学理论、实测法、物理相似材料模拟实验与数值模拟分析结果，结合工作面顶底板特征，最终确定支架工作阻力6500～7000kN，顶梁侧向调整工作阻力800～1000kN，底座侧向调整工作阻力900～1000kN。

3.2.4 液压支架型号确定

根据枣泉煤矿二煤层特殊的地质条件，以及先期使用的液压支架的支护强度，考虑到大倾角工作面液压支架的支护效率和支架的可靠性、稳定性，120210综放工作面液压支架最终确定为109架四柱支撑掩护式大插板低位放顶煤液压支架（含98架ZF8600/18/35型基本架，7架ZFP8800/20/36D型排头支架，2台ZFG9800/20/36型过渡支架，2台ZFG8600/18/35型过渡支架）， ZT20000/21/38型中置式放顶煤端头支架。

3.3 刮板输送机的选型

3.3.1 刮板输送机型式的确定

工作面要求配备前后两部输送机，能适用于煤层倾角大、煤层厚的条件。要求输送机具有运量大，并且能有效防止煤矸向下滚滑。前部刮板机的防滑主要通过调整伪斜角的大小来实现，前、后运输机除斜拉千斤顶防滑外，中部槽底部加设防滑块在支架尾部专门设计了特殊的燕尾型防滑装置与后部运输机联结，防止后溜下滑。根据上述要求，前、后输送机均选用SGZ960型中双链刮板输送机。

3.3.2 工作面前部刮板输送机选型

工作面前部刮板输送机的生产能力应保证采煤机采出煤全部运出，并留有一定备用能力。工作面前部刮板输送机运煤量取决于采煤机的实际生产能力，通常采煤机的实际生产能力比理论生产能力要低，特别是受设备开机率和和液压支架移架速度、刮板机生产能力等影响和矿井瓦斯涌出量及通风条件制约，牵引速度必然受限制，实际能力应为：Q =1.2Qh=1.2×60×H×B×Vc×γ

式中： Q —刮板输送机的运输能力，t/h；Vc—采煤机平均截割牵引速度，6m/min；Qh—采煤机可实现的生产能力，t/h；H—平均采高，3m；B—截深，0.8m；γ—煤的容重，1.33t/m3。

经计算，Q =1378.9 t/h。考虑到矿实际情况，前部选用SGZ960/2×700中双链刮板输送机。

3.3.3 工作面后部刮板输送机选型

为实现综放工作面高产高效，应在采煤机完成割煤深度0.8m后，实现拉后部刮板输送机，形成放煤步距0.8m后，便可开始放煤，以实现采放平行作业，减少采、放综合循环时间，实现高产高效。因此与采煤机落煤能力相匹配的工作面平均放煤能力为：Qf =60×Hf×B×m×r×Cf×（1+Cg）×Vf

式中：Qf—工作面平均放煤能力，t/h；Hf—顶煤平均厚度，为5.15m；B—架间距，为1.5m；m—放煤步距，为0.8m；r—煤体容量，为1.33t/m3；Cf —顶煤回收率，为70%；Cg—放出顶煤含矸率（非煤层内夹矸）10%；Vf—放煤速度，取0.98 m/min。经计算Qf =371.99 t/h。

为满足工作面放煤要求，后部输送机能力应为：Qk =kf ×Qf=557.98t/h，式中：Qk —后部输送机生产能力，t/h；kf —放煤量不均衡系数，kf 取1.5。

考虑到前后部输送机部分零件、配件的互换性，以便于管理和设备维护，选用SGZ960/2×700中双链刮板输送机。

4、“三机”设备现场应用效果

枣泉煤矿在临界大倾角变角度综采条件下，利用结构优化、集成创新和基于PDCA 循环的“设计-实验-试用-反馈-优化设计”适时修正技术，研制了适应大倾角走向长壁综放工作面“三机”设备，并对其配套技术和参数进行了优化设计，解决了大倾角综放开采过程中“三机”防滑和支架防倒、防滑等关键性技术问题。“通过现场应用，三机配套方案可行适应了大倾角综采放顶煤条件，其设备运行正常。

作者简介

马斌瑞，（1983—），本科，宁夏灵武人，现就职于神华宁夏煤业集团枣泉煤矿机电动力科科长，主要从事煤矿机电运输管理工作。