大采高综放工作面开采设备选型研究

姚慧芳

（同煤集团机电装备科大机械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

综采放顶煤技术是我国开采厚煤层最常用的方法。工作面开采设备的合理选型是保障矿井安全高效生产的基础。对于设备选型，首要就是要与煤层实际地质条件相适应。其次，所选设备要满足工作面的生产能力，保证矿井的经济效益。最后，开采设备之间要相互配套，设备结构相互匹配[1-2]。

某矿主要开采4—5号煤，煤层厚度平均为8.5m，采用低位放顶煤技术开采，初步拟定采煤机割煤高度为4.0 m，放煤高度为4.5 m，采放比为1∶1.125，属于大采高综放开采。本文以该矿实际地质条件为背景，对工作面“三机”进行配套选型。

1 液压支架选型

1.1 确定支架工作阻力

液压支架的合理选型是保障工作面安全生产的关键环节，而支架选型的重点就在于工作阻力的确定[3]。对于综放开采，液压支架所承受载荷应为顶板冒落岩层质量和顶煤自重之和，再考虑一定动载系数，其表达式为：

式中：q为支架的支护强度，kPa；Kd为基本顶来压时的动载系数，可取1.4；qd、qm分别为顶煤与顶板冒落岩层的质量，kg，可由公式（2）、（3）计算得到。

式中：γd为顶煤平均容重，取15 kN/m3；Md为顶煤厚度，取4.5 m；γm为冒落岩层平均容重，取25 kN/m3；Cf为顶煤放出率，取0.75；M为煤层厚度，取8.5 m；Kp为岩层碎胀系数，取1.3。将数据代入公式（1）、（2）、（3），可得工作面支架支护强度应为 594.25 kPa。

液压支架的工作阻力与支护强度之间的关系由公式（4）所示：

式中：P为支架工作阻力，kN；Ks为安全系数，取1.3；Lk为支架梁端距，取0.5 m；LD为顶梁长度，取5.5 m；B为支架宽度，取1.75 m。将数据代入公式（4），可得支架工作阻力应大于8 111.51 kN，考虑煤层埋深较大，可适当增大支架阻力。

1.2 确定支架高度

支架高度主要与采煤机的割煤高度，针对该矿实际地质条件，煤层厚度为8.5 m，最大割煤高度为4.0 m，最小割煤高度为3.2 m，则支架高度为：

式中：Hmax、Hmin分别为支架的最大、最小高度，m；Mmax、Mmin分别为采煤最大、最小割煤高度，分别取4.0 m和3.2 m；hf为液压支架伸缩量富裕系数，一般取0.2 m；a为支架卸载高度，取0.1 m。将数据代入公式（5），可得支架最大高度为4.2m，最小高度为3.1m。

1.3 确定支架型号

根据前面的计算结果，选定ZFY10200/25/42型掩护式支架，其具体支护参数如表1所示。

表1 支架基本参数

由表1可以看出，该型液压支架基本参数完全满足矿井需求。

2 采煤机选型

2.1 确定滚筒直径

一般来讲，采煤机滚筒直径应为最大采高的0.55～0.6倍，由前面的分析可知，工作面最大割煤高度为4.0 m，则采煤机滚筒直径应为2.2～2.4 m，考虑工作面靠近皮带机一端需适当增大挖底量，因此，确定采煤机的滚筒直径为2.5 m。

2.2 确定机面高度

采煤机的机面高度应与液压支架最小高度存在一定余量空间，以适应煤层的起伏变化。采煤机的机面高度为：

式中：hc为采煤机机面高度，mm；ξ为采煤机与支架之间的余量，取150 mm；ld为支架顶梁厚度，取200 mm；M'min为支架实际最小高度，取2.5 m。将数据代入公式（6），得采煤机的机面高度为2 150 mm。

2.3 确定采煤机功率

采煤机的平均落煤能力可表示为[4]：

式中：Qm为采煤机平均落煤能力，t/h；Q为工作面每日产量，设计工作面年产量为500万t，年生产天数为330 d，则日产量为15 152 t/d；B'为采煤机截深，可取0.865 m；C为工作面回采率，取0.95；L为工作面长度，取300m；Lm为采煤机滚筒中心距，取13.8 m；Td为采煤机反向时间，取1 min；Kj为采煤机开机率，取0.5；Tr为采煤机每日工作时间，取1 080 min；Cf为顶煤放出率，取0.75；μ为采煤机采煤时与不采煤时的牵引速度比，取0.42。将数据代入公式（7），可得采煤机的平均落煤能力为1 776 t/h。

通过采煤机落煤能力可计算得到平均割煤速度为：

式中：Vc为采煤机平均割煤速度，m/min。代入数据，可得采煤机平均割煤速度为2.68 m/min。

考虑采煤机工作时存在一定不均衡性，则采煤机最大牵引速度为：

式中：Vmax为采煤机最大牵引速度，m/min；Kb为采煤机不均衡系数，取1.5。代入数据，可得最大割煤速度为3.93 m/min。

式中：P为装机功率，kW；Hw为单位能耗，一般可取0.8 kW·h/t，则可计算出采煤机的功率应为1 411 kW。

2.4 确定采煤机型号

根据前面的计算分析，推荐工作面采用MG650/1630-WD型交流电牵引采煤机，其主要参数如表2所示。由表2可以看出，该型采煤机基本参数完全满足矿井需求。

3 刮板运输机选型

刮板运输机选型的关键在于要满足工作面的生产能力[5]，对于综放工作面，分为前部和后部两个刮板运输机，下面分别进行选型计算。

表2 采煤机基本参数

3.1 确定前部刮板运输机运输能力

工作面前部刮板运输机的运输能力要满足采煤机的割煤能力，其表达式为：

式中：Qq为前部刮板运输机运输能力，t/h；Ky为运输机方向与倾角的修正系数，取1.0；Kv为运输机与采煤机同向时的修正系数，取1.05。代入数据，可得工作面前部运输机的运输能力不小于2 797 t/h。

3.2 确定后部刮板运输机运输能力

工作面后部刮板运输机的运输能力要满足顶煤的放煤能力，其表达式为：

式中：Qf为顶煤放煤能力，t/h；Cg为顶煤含矸率，取0.3；Vf为工作面平均放煤速度，取3 m/s。将数据代入，可得顶煤放煤能力不小于1 024.7 t/h。

则后部刮板运输机的运输能力为：

式中：Qh为后部运输机运输能力，t/h；Kf为顶煤放出不均衡系数，取1.8。将数据代入，可得后部刮板运输机的运输能力不小于1 844.46 t/h。

3.3 确定刮板运输机功率

考虑前、后部运输机的通用性，前、后可选用同一型号运输机，现以前部运输机为例，计算刮板运输机的电机功率，首先确定运输机上每米的煤重为：

式中：qb为刮板运输机每米煤重，kN/m；Qe为运输机的运量，取3 000 t/h；Vy为运输机刮板链速，取1.54 m/s。将数据代入公式（14），可得运输机每米煤重为5.3 kN/m。

刮板运输机的上链拉力为：

式中：Fs为上链拉力，kN；qk为每米刮板链自重，取1.3 kN/m；L为工作面长度，取300 m；I为横向倾斜率，取1；Cq为运输机曲率，取1.08；C0为上链阻力系数，取0.42；α为运输机上运角度，取10°。将数据代入公式（15），可得运输机上链拉力为656.08 kN。

刮板运输机的下链拉力为：式中：Fx为下链拉力，kN；Cu为下链阻力系数，取0.4。将数据代入公式（16），可得运输机下链拉力为60.56 kN。

因此，可以算出刮板运输机的实际消耗功率为：

式中：Py为刮板运输机总消耗功率，kW；A为传动功率，取0.95。将数据代入公式（17），可得刮板运输机的总消耗功率为1 161.71 kW。

3.4 确定刮板运输机型号

根据前面的计算，前、后部刮板运输机均推荐使用SGZ-1000/2000型双中心链可弯曲刮板输送机，其主要参数如表3所示。

由表3可以看出，该型刮板运输机基本参数完全满足矿井需求。

表3 刮板运输机主要参数

4 结论

根据某矿大采高综放工作面实际地质条件，为工作面开采设备进行合理选型，最终选择ZFY10200/25/42型液压支架、MG650/1630-WD型采煤机和SGZ-1000/2000型刮板输送机。所选设备在实际生产中取得了良好的效果，完全满足了矿井的生产需求，实现了工作面的长期安全、高效生产。