中厚偏薄煤层智能开采设备选型及管理实践

张高杰 赵楷棣 时小勇

（平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南 平顶山 467091）

智能化开采体现了井工煤矿少人、无人安全理念，同时也为矿井高效提供了设备支撑，因此综采智能化将成为未来煤炭开采的发展趋势[1]。综采工作面“三机”配套是综采设备的核心，尤其是在复杂地质条件工作面选用智能化设备更为重要。

我国安全高效较薄煤层工作面按装备区分主要有两种类型：（1）全套国产新型设备；（2）国产液压支架、重型刮板输送机配以进口电牵引采煤机[2-3]。六矿戊8-32010工作面选用全套国产智能化综采设备，实现了安全高效开采。

1 工作面概况

戊8-32010保护层工作面位于六矿三水平戊二上山采区东翼，设计可采走向2400 m，采长220 m，采高2.3 m，埋深780～840 m。工作面煤层较稳定，煤厚1.4～3.0 m，平均2.3 m，属中厚偏薄煤层。煤层倾角9.7°～1.8°，平均5.7°。煤层伪顶为碳质泥岩，厚度0.2～0.4 m；直接顶为砂质泥岩，厚度10.0～15.15 m；老顶为细砂岩，厚3.0～5.75 m；直接底为砂质泥岩，厚7.0～11.8 m。该工作面呈缓倾斜单斜构造，对回采有影响的断层有13条。

2 配套选型原则

（1）满足矿井提升运输能力及尺寸要求。

（2）适应戊8-22310工作面地质条件及设计参数。

（3）满足工作面生产能力要求，使用国内成熟设备。

（4）智能化控制系统兼具状态监测、设备控制、数据分析、智能控制和智能维护功能，满足顺槽控制和地面远程控制。

3 主要设备选型

3.1 液压支架

根据矿井煤层顶底板、煤层赋存条件，参照近年矿区开采经验，确定选用两柱掩护式液压支架。

应用于戊8煤层时支架支护强度按经验公式估算：

式中：K为作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般取6～8；H为最大采高，3 m；R为岩石容重，一般取25 kN/m3。经计算分析，确定戊8-32010采面支架支护强度大于0.6 MPa。

液压支架工作阻力的确定：

（1）按现行较通用的岩石容重法公式

式中：qz为支架的动载支护强度，kN/m2；kd为动载系数，一般取1.5～2.0（Ⅱ级以上老顶条件），取2；M为一次采厚，取最大采厚3 m；Kp为冒落矸石碎胀系数，一般为1.25～1.35，取1.25；γ为顶板岩石平均容重，取25 kN/m3。

式中：P为支架工作阻力，kN；LK为端面距，取0.5 m；LD为顶梁长度，取4.0 m；B为支架宽度，取1.5 m。

（2）岩层结构法

式中：qz为支架的动载支护强度，MPa；k为动载备用系数，取2(Ⅱ级以上老顶一般取1.5～2.0)；γ为顶板岩石的容重，取25 kN/m3；H为对支架有直接影响的岩层厚度，H=Ltanθ=4.5×tan70°=12.36 m（L为有效控顶距，m；L=LK+LD，取L=4.5 m；LK为端面距，取0.5 m；LD为顶梁长度，取4.0 m；θ为顶板断裂角，一般为60°～70°）。

式中：P为支架的工作阻力，kN；Lk为梁端距，0.5 m；LD为顶梁长度，取4.0 m；B为支架中心距，取1.5 m；ηs为支架的支护效率，取75%。

根据以上方法，确定工作阻力为6800 kN，根据支架设计架型选取ZY6800-15/32D型掩护式支架。

3.2 采煤机

满足戊8-32010工作面地质条件及接替面使用，需要功率大、强度高、矮机身、破岩能力强的采煤机。（1）根据矿井工作面年产要求，按平均煤层厚度2.3 m，采煤机截深0.8 m，日平均循环个数8个，确定采煤机牵引速度：）

式中：Vavq为采煤机所需平均牵引速度，m/min；N为工作面平均日循环数8个；L为工作面设计长度220 m；L1为工作面生产时采用斜切进刀方式，开机窝长度取40 m；T为工作面开机时间，12 h；T1为开机窝时间，取20 min。

（2）工作面的最大牵引速度应为：

按照计算，采煤机的实际截煤速度应达到2～4 m/min。

（3）采煤机的截割功率为：

式中：W为需要的采煤机截割功率，kW；Vavq为采煤机平均牵引速度，2.57 m/min；B为工作面截深，取0.8 m；H为采高，取2.3 m；α为破岩能力系数，取1.4；Hγ为能耗系数，取3～3.5。

根据最大、最小煤层厚度，确定采煤机最大 采 高[4]为3 m、最 小 采 高 为1.40 m，选 用MG500/1180-AWD型交流电牵引采煤机，配套强力破岩滚筒，截深定为800 mm。

3.3 刮板输送机、转载机、破碎机

3.3.1 刮板输送机选型

选用SGZ800/1050型刮板运输机，主要技术参数：电机功率2×525 kW，电压3300 V，输送能力1500 t/h，紧链方式为液压马达紧链，链型为中双链。根据该面运输岩石量较大情况，选择整体铸造运输机。

3.3.2 转载机、破碎机选型

转载机应具有高强度，能够与皮带机尾整体自移，选择参数以工作面运输机额定运量乘1.1环节系数确定，选择SZZ800/315转载机，主要技术参数：电机功率315 kW，电压3300 V，输送能力1800 t/h，链型为中双链，结构与运输机相同为整体铸造。

破碎机应确保工作面刮板机、转载机煤流及时通过，选择PLM2200破碎机，主要技术参数：电机功率200 kW，电压3300 V，破碎能力2200 t/h。

3.4 乳化液泵站

支架供液系统应具有的流量QL由下式估算[5-6]：

式中：QL为支架供液系统应具有的流量，L/min；Vy为移架速度，取 4.0 m/min；Kf为同时用液工况富裕系数，取2.5；N1为推移千斤顶个数，1个；S1为支架移动步距，取0.8 m；F1为推溜千斤顶活塞作用面积，0.031 4 m2；N2为立柱个数，2根；S2为升柱降柱行程，0.95 m；F2为降柱时活塞作用面积，取0.001 2 m2；F3为升柱时活塞作用面积，取0.013 8 m2；J为支架中心距，取1.5 m。经计算，QL=357.5 L/min。

支架供液系统最低流量应不低于357.5 L/min，乳化液泵站选用WRB400/37.5型，配套两泵一箱，液箱RX400/50 (容积≥5000 L)型。乳化液泵站主要参数：功率315 kW，电压1140 V，额定流量400 L/min，额定压力≥37.5 MPa。

3.5 智能化系统组成

综采工作面自动化系统按照工控结构分为设备控制层、数据传输层和智能化控制层。智能化控制系统包含顺槽控制室和地面控制室。设备控制层包含采煤机子系统、液压支架子系统、三机通讯控制子系统、智能刮板监测系统、泵站系统、负荷中心供电系统、顺槽皮带控制系统、视频系统、环境监测系统和工作面内人员定位系统。数据传输系统包含工作面以太网系统、工作面数据节点接入系统。

4 “二三二”设备管理模式

（1）双重包机，明确设备管理责任

将采面智能化设备包机：检修班包机检修，生产班包机操作检查。检修包机人每天必须对设备全面检查维护，生产班包机人负责接班设备检查、班中设备操作和班末设备交接。

（2）三级巡查，及时发现设备隐患

生产班接班必须给包机人充足设备巡查时间，及时发现、处理隐患；检修班班长每天详细巡查设备，及时协调处理隐患并对生产班设备使用和排查监督；跟班干部每旬至少对设备全面巡查一次并记录，检查督促生产班和检修班工作。

（3）两级责任追究，强化设备意识

对生产过程中损坏设备落实两级责任追究。一是责任班组自行追查分析事故原因和主要责任，并对责任人提出处理意见；二是队主要领导根据班组处理意见，判断班组的责任大小，参照队里的相关制度对班组最终处理。

5 创新与改进

（1） 在工作面走向长度超过2000 m、信号传输难度大的情况下，采取增加中继器提升信号强度，实现了井下集控中心及地面数据传输、一键启停功能正常使用。

（2）反冲洗过滤废液实现复用。支架反冲过滤废液直接排放造成乳化油和净化水浪费，设计布置架间废液回收管路，将废液直接排入风巷打钻专用泵箱，实现了废液再利用。

6 效果分析

通过科学设备选型和管理，工作面实现了减人提效，见表1。八点班、零点班两班生产，四点班打钻对煤层卸压注水，最高月产20.35万t。

表1 智能化与常规综采工作面比对

7 结论

（1）智能化工作面开采，减轻了职工劳动强度，单班人员由25人缩减至9人，减少事故根源，保证了安全生产。

（2）设备升级，必须配套管理升级，才能实现人机安全。