基于煤厚统计分析的综采面三机设备选型优化

张俊峰

(山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司,山西 晋城 048006)

1　综采工作面三机设备存在的问题

晋城矿区某生产矿井为低瓦斯矿,井田面积为31.5 km2,设计生产能力为120万 t/a。矿井现采15号煤层,采用一次采全高长壁综采采煤法,全部垮落法管理顶板,后退式回采。综采工作面长度为200 m(两侧顺槽中对中距离),推进长度为1 300 m左右。综采工作面现布置有MG250/600-WD型采煤机1台,ZZ8800-16/30型液压支架135个,SGZ-764/400型可弯曲刮板输送机1部,SZZ764/132型转载机1部,PLM1000型破碎机1台,以及DSJ100/100/2×160型可伸缩带式输送机1部等配套综采装备。综采工作面顺槽巷道采用1进1回“U”型布置,胶带顺槽进风,轨道顺槽回风。顺槽净宽5.0 m,净高2.5 m,采用锚网索梁支护。

目前,矿井综采工作面三机设备存在以下问题:

1)井田东部15号煤层逐渐变厚,如仍然采用矿井现有综采装备(实际采高范围为1.8 m～2.8 m),则存在大部分区域留0.2 m～1.0 m底煤开采、资源采出率低、浪费严重问题。

2)15号煤属自燃煤层,如回采工作面底煤留到采空区后,容易引起采空区遗煤自燃发火。

因此,为解决上述问题,需要对井田东部15号煤层综采工作面三机设备重新选型优化。

2　煤层厚度分析及采高确定

综采工作面三机设备选型优化的关键是统计分析煤层厚度,找出分布规律,科学合理确定采高范围。

2.1　煤层厚度统计分析

根据矿井地质资料,井田15号煤层厚度0.34 m～4.29 m,平均2.62 m。其中:

1)井田中部、西部和南部面积约占井田2/3,该区15号煤层厚度为1.9 m～2.7 m,现有综采装备实际采高1.8 m～2.8 m,满足开采需要。

2)井田东部面积约占井田1/3,该区15号煤层厚度为2.07 m～4.29 m,平均厚度3.27 m,煤层厚度统计分析如表1所示,可见现有综采装备无法满足井田东部15号煤层开采需要。

表1　煤层厚度统计分析Table 1　Statistical analysis of coal seam thickness

2.2　采高确定

根据上述煤层厚度统计分析表,综合考虑井田东部15号煤层赋存与开采技术条件和综采设备制造技术可行性,确定综采工作面采高范围为2.2 m～3.8 m,具体开采技术方案为:

1)对于厚度2.0 m～2.2 m的煤层(占10%),采高定为2.2 m予以开采,割0 mm～200 mm底矸;

2)对于厚度2.2 m～3.8 m的煤层(占75%),予以正常开采;

3)对于厚度3.8 m～4.29 m的煤层(占15%),采高定为3.8 m予以开采,留0 mm～0.49 mm底煤后仍然可以采出95%以上的资源。

综上所述,井田东部15号煤层综采工作面采高确定为2.2 m～3.8 m,满足开采需要。

3　综采工作面三机设备选型优化

按“一井、一面”满足矿井120万 t/a生产能力的集中生产模式,对采煤机、刮板输送机、液压支架进行优化选型。

3.1　采煤机选型

3.1.1主要技术参数

1)采煤机的小时生产能力:

式中:Qc为采煤机的小时生产能力,t/h;Q1为工作面设计生产能力,1.20×106t/a;f为生产不均衡系数,取1.2;d为年工作日,300 d(考虑30 d工作面搬家时间);n为每日割煤班数,取2;t为每班工作时数,8 h;k为采煤机开机率,取0.5。

2)采煤机的平均牵引速度:

式中:vc为采煤机平均牵引速度,m/min;Q为采煤机的小时生产能力,600 t/h;S为采煤机截深,选用截深0.8 m的采煤机[1];M为工作面平均采高,3.27 m;γ为煤的容重, 1.51 t/m3;K为工作面采出率,95%。

3)采煤机的装机功率。理论截割功率可用下式估算：

P=Q×Hw=420 kW.

式中:P为采煤机截割功率,kW;Q为采煤机生产能力,600 t/h;Hw为比能耗,取0.7。

考虑到晋城矿区15号煤层煤质较硬、夹矸较厚等因素,采煤机实际截割功率应比理论截割功率高出20%,即实际截割功率Ps=1.2×P=1.2×420=504 kW。

3.1.2选型方案

综上计算,参考采煤机厂家样本参数,提出如下2个选型方案。

方案一。MG300/700-WD至MG300/730-WD系列采煤机。该系列采煤机采高有2.0 m～3.8 m、2.0 m～4.2 m等多种情况,截割功率为2×300 kW,总装机功率不同是因为牵引功率和泵站功率有不同配置。该系列采煤机满足2.2 m～3.8 m采高需要,功率及能力也满足要求。

方案二。MG450/1020-WD至MG500/1200-WD系列采煤机。该系列采煤机采高有2.0 m～4.1 m、2.0 m～4.2 m、2.0 m～4.5 m等多种情况,截割功率为2×450 kW～2×500 kW。从采高和功率来看,该系列采煤机满足15号煤层2.2 m～3.8 m采高需要。与方案一相比,生产能力较大,要求配套的刮板机变宽,投资较大。

通过现场调研,综合考虑技术和经济两方面因素,确定选用MG300/730-WD型采煤机。

3.2　刮板输送机选型

3.2.1主要技术参数

根据三机配套原则,刮板输送机输送能力为:

Qs=1.2×Qc=720 t/h.

式中:Qs为刮板输送机的输送能力,t/h;Qc为采煤机的实际生产能力,t/h。

3.2.2选型方案

综上计算,参考刮板输送机厂家样本参数,提出如下2个选型方案。

1)方案一。SGZ-764/630型刮板输送机。SGZ-764/630型刮板输送机与MG300/730-WD型采煤机配套使用,运输能力及功率满足200 m长综采工作面的需要,能达到120万 t/a矿井生产能力。

2)方案二。SGZ-880/800型刮板输送机。SGZ-880/800型刮板输送机与MG450/1020-WD型采煤机配套使用,运输能力及功率较大,满足300 m长综采工作面的需要,能达到200万 t/a及以上矿井生产能力。

通过现场调研,综合考虑技术和经济两方面因素,确定选用SGZ-764/630型刮板输送机。

3.3　液压支架选型

3.3.1主要技术参数

1)架型选择。矿井15号煤层顶板为K2石灰岩,厚6.4 m～17.8 m,平均12.5 m,属坚硬岩石。底板为泥岩、铝质泥岩,厚3.4 m～23.5 m,平均厚度11.5 m,属较软弱的岩石。根据煤层赋存条件和顶底板岩性,并结合晋城矿区其他矿井15号煤层支架选型实际经验,选用四柱支撑掩护式液压支架。

2)支架高度。根据井下实际使用经验及《煤矿综采采区设计规范》[2],支架支护高度一般预留200 mm安全余量。

支架最大高度:

Hmax=Mmax+0.2 =4.0 m .

支架最小高度:

Hmin=Mmin-0.2 =2.0 m .

式中:Hmax为支架最大支护高度,m;Hmin为支架最小支护高度,m;Mmax为工作面设计最大采高,3.8 m;Mmin为工作面设计最小采高,2.2 m。

3)工作阻力。

支架支护强度采用经验估算法计算:

式中:P为支架支护强度,MPa;M为回采工作面采高,取最大高度3.8 m;γ为顶板岩石的容重,取2.7 t/m3;α为煤层倾角,取最小值0°。代入上式,则P=0.60 MPa～0.80 MPa。

支架支护阻力计算:

P1=P×S×103

式中:P1为支架支护阻力,kN;P为支架支护强度,取最大值0.80 MPa;S为支架的顶板支护面积,当支架中心距为1.5 m时,最大控顶距支护面积为5.8 m×1.5 m=8.7 m2，当支架中心距为1.75 m时,最大控顶距支护面积为5.8 m×1.75 m=10.15 m2。则:

1.5 m时P1=0.80×8.7×103=6 960 kN ；

1.75 m时P1=0.80×10.15×103=8 120 kN .

3.3.2选型方案

综上计算,参考支架厂家样本参数,提出如下2个选型方案。

方案一。支架中心距按1.5 m设计,选用ZZ8800/20/40型液压支架。特点如下:

1)重量较轻,有利于提高工作面搬家的灵活性。

2)根据厂家询价资料,装备1个200 m长的综采工作面,ZZ8800/20/40型支架投资约135架×54万/架=7 290万元,而1.75 m宽的ZZ10000/20/40型支架投资约115架×95万/架=10 925万元,多投资3 625万元。

3)适用于工作面长度和生产能力较小的矿井。

方案二。支架中心距按1.75 m设计,选用ZZ10000/20/40型液压支架。特点如下:

1)支架宽度较大,有利于提高整体稳定性,适合大采高及工作面长度较长的情况。

2)支架数量较少,移架速度较快,便于设备管理,有利于提高工作面单产。

通过现场调研,综合考虑技术和经济两方面因素,确定选用ZZ8800/20/40型液压支架。

4　选型结果

通过现场调研,综合考虑技术和经济两方面因素,该矿井田东部15号煤层确定选用MG300/730-WD型采煤机,SGZ-764/630型刮板输送机和ZZ8800/20/40型液压支架,各设备具体参数如表2-表4所示。

表2　MG300/730-WD型采煤机主要技术特征Table 2　Main technical features of MG300/730-WD shearer

表3　SGZ-764/630型刮板输送机主要技术特征Table 3　Main technical features of SGZ-764/630 scraper conveyor

表4　ZZ8800/20/40型中间架主要技术特征Table 4　Main technical features of ZZ8800/20/40 hydraulic support

5　优化结论

1)综采工作面三机设备选型优化的关键是统计分析煤层厚度,找出分布规律,科学合理确定采高范围。

2)根据采高范围,综合考虑技术和经济两方面影响因素,提出三机设备选型优化方案。其中技术方面影响因素有矿井地质条件、煤层赋存与开采技术条件、资源储量及服务年限、采煤方法与回采工艺、工作面参数与生产能力、矿井各生产系统现状与井巷断面尺寸,以及设备制造可行性、相互之间尺寸和性能配套等因素[3];经济方面影响因素有设备价格及寿命、矿方投资承受能力等因素。

3)综采面三机设备选型中,液压支架是核心设备,投资一般占90%左右,一旦选定,无法调整支护高度;而采煤机可以通过更换滚筒等方式调整,适应较大范围工作面采高;刮板输送机可以通过更换电机、增加中间槽数量等方式调整,适应较大范围工作面长度。