综合机械化采煤在急倾斜厚煤层的应用

贾文厚， 毕建军

（1.山西宁武大运华盛能源集团有限公司， 山西 宁武 036700；2.山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司， 山西 宁武 036700）

煤炭是我国的主要能源，其在未来很长一段时间内仍然占据我国能源结构的主导地位。我国煤炭资源广泛分布于四川、内蒙、山西、黑龙江等地，分布区域较广，煤层特征相对复杂。因此，各地所适用的最佳采煤工艺不尽相同。对于倾斜煤层而言，占据我国煤炭资源储量的30%左右，而急倾斜煤层所占比例为10%[1]。当前，我国对缓倾斜煤层的开采工艺已十分完善，其对应的机械化装备水平也不断提高。而对于急倾斜煤层而言，其研究成功过还处于起步状态，紧张缓慢，导致急倾斜煤层的开采效率较低。故，本文开展综合机械化采煤工艺在急倾斜煤层中的应用，为提升产煤效率和产量奠定基础。

1 工程概况

本文所以3102 工作面为研究对象，该工作面的走向长度为1 035 m，倾斜长度为142 m，煤层倾角范围为44°~50°，平均倾角为46°，属于急倾斜煤层。工作面煤层的厚度为1.47~3.60 m，平均煤层厚度为2.45 m。经勘探可知，该工作面煤层总储量为49 万t，可开采的煤炭总量为47.5 万t。

工作面顶底板情况分析：工作面煤层顶板自上而下的构造为灰黑色泥岩—深灰色石灰岩（厚度为15 m）—灰色泥岩直接顶（平均厚度为15.3 m）。煤层底板自上而下的构造为炭质和泥岩夹黏土层的直接底（平均厚度为4.2 m）—深灰色石灰岩的老底（平均厚度为6.3 m）。综合分析，工作面煤层的顶底板情况可知，其岩性结构相对稳定，层理清晰。且工作面的煤尘浓度较高，具有爆炸性，存在煤与瓦斯的突出危险[2]。

目前，该工作面采用两班生产，一般准备的工作模式，且每班的工作时长为8 h。采煤机采用斜切进口方式，通过双向割煤，实现一次割两刀的生产，循环推进距离为0.6 m。

2 综合机械化生产设备的配套原则

我国煤矿工作面长度较大，要求其配套综采设备的装机功率较大。因此，工作面综合机械化采煤设备配套的总体原则为：大功率、高可靠性、高强度。采煤机、刮板输送机以及液压支架为综采机械化生产的关键设备，其各个设备的配套原则如下：

1）采煤机配套原则。保证采煤机具有足够的牵引力和制动力，具备远程操作控制功能，具备较强的横向稳定能力，具备变频控制、牵引和截割功能合一适用于急倾斜煤层的采煤机。

2）液压支架配套原则。能够为工作面顶底板提供稳定的工作阻力和合理的底板比压，质量轻型化、可靠性高，具备防倒防滑功能，具备电液控制等功能的液压支架。

3）刮板输送机配套原则。确保输送机具有足够的强度，具备防滑功能，其运输能力满足工作面采煤机的生产能力，具备小比压、主动防滑以及强制限位等功能的刮板输送机[3]。

3 急倾斜煤层“三机”配套

3.1 液压支架的配套

综合分析3102 工作面的生产能力，结合液压支架的配套原则对液压支架中心距、工作强度、高度、工作阻力以及初撑力进行计算。

3.1.1 液压支架中心距的确定

针对液压支架与刮板输送机相配套的原则，且在市场调研的基础上，为保证液压支架的稳定性，设计液压支架的中心距为1.75 m。

3.1.2 液压支架工作强度的计算

液压支架工作强度的计算如式（1）所示。

式中：q为液压支架的支护强度；Kd为煤层工作面失去稳定时的动载荷系数，取Kd=1.3；M为最大采高，取M=3.3 m；Kp为工作面煤层中矸石的膨胀系数，取Kp=1.25；ρ 为工作面煤层顶板的延时的密度，取ρ=25 kN/m3。

经计算，可得液压支架的工作强度为0.429 MPa，取安全系数为1.4，得出液压支架的工作强度为0.6 MPa。

3.1.3 液压支架高度的确定

由于工作面煤层额最大采高为3.3 m，液压支架的行程为0.3 m，则液压支架所需的最高高度为3.6 m[4]。结合当前现有产品中液压支架的伸缩比，所需液压支架的最小高度为1.5 m。

3.1.4 液压支架工作阻力的确定

液压支架工作阻力的计算如式（2）所示：

式中：F为液压支架的工作阻力；P为工作面的工作强度，P=0.6 MPa；Bc为控顶距，取Bc=4m；L为液压支架的中心距，取值1 750 mm；η 为支护效率，η=0.9。

经计算可得，工作阻力最小值应为4 666 kN。液压支架的额定工作阻力为5 000 kN。

则，液压支架的初撑力P初=75%×5 000=3 750 kN。

该工作面综合机械化采煤工艺中所选用的液压支架的型号为ZJY 5000/16/36D。

3.2 采煤机的配套

由于工作面煤层的平均倾角为46°，最大倾角为57°，而目前国内采煤机可适用工作面的最大倾角为45°。因此，需为工作面配套适应煤层倾角达60°的采煤机[5]。满足该煤层最大倾角为采煤机的关键选型标准。在对国外采煤机型号及相关参数调研的基础上，所选采煤机的型号为MG 300/722—QWR，关键参数如表1 所示。

3.3 刮板输送机的配套

综采工作面刮板输送机主要与液压支架进行配套使用，根据3.1 液压支架的选型结果，所选刮板输送机的型号为SGZ 764/315，其关键参数如表2 所示。

表1 MG 300/722—QWR 关键参数

表2 SGZ 764/315 刮板输送机关键参数

4 结语

急倾斜煤层在我国煤炭总储量中占据10%左右，为提升针对急倾斜煤层的开采效率和产出率，需针对工作面煤层的特征选用最佳的采煤工艺。综合机械化采煤目前已普遍应用于我国煤矿的生产中，但是在急倾斜煤层中的应用实例较少，且其在急倾斜煤层中生产的产煤效率较低。根据3201 工作面急倾斜煤层的特征，设计并完了采煤机、刮板输送机以及液压支架的选型，为急倾斜煤层的开采提供了理论基础。