四台矿连续起伏煤层综采设备选型研究

肖杨

（晋能控股煤业集团 四台矿，山西 大同 037007）

0 引 言

国内外地质条件简单的大型矿井综采设备选型主要依据煤层厚度来确定支架参数，进而配套其他设备。而地质条件较差的矿井，则须优先考虑支架的稳定性，同时确保提高资源的回收率。山西大同四台矿随着矿井逐年的开采，侏罗系资源日益减少，逐步转向石炭系，两系煤层赋存条件相差较大。该矿石炭系太原组8号层煤赋存条件差，向背斜连续发育，且直接顶为炭质泥岩，极易垮落，因此需要选择一套适应能力强的回采设备，保证矿井正常安全回采，提高资源回收率。以四台矿8层煤802盘区首采80207工作面为研究对象，进行连续起伏煤层综采设备选型设计。

1 煤层赋存条件

四台矿石炭系井田位于大同煤田北部边缘，主采煤层为太原组8号层煤。煤的自然发火期为6个月，煤层埋深412～450 m，煤层厚度0～8.10 m，平均厚度3.52 m，煤层厚度变化较大。井田西南部煤层厚，东北部薄。直接顶板为1层深灰-黑灰色泥岩。区内8号层煤有被古河流冲刷现象，顶板为中粗粒砂岩。煤层结构较简单，一般含0～1层夹矸。底板为一层浅灰色含砂高岭岩，砂泥质结构，泥质为重结晶高岭岩。煤层顶板以直接顶、基本顶双层结构为主，次为直接顶结构且零星分布伪顶。

802盘区煤厚2.0～7.3 m，顶板炭质泥岩为主，底板砂质泥岩为主，厚度2.3 m，抗压强度25.7～41.6 MPa，平均34.8 MPa。井田内断层、陷落柱、向斜、背斜等地质构造较多，煤层倾角变化较大，走向倾角约±16°，最大约20°。

首采80207工作面煤层厚度2.7～7.3 m，平均厚度5.5 m。共揭露断层12个，落差0.6～7.5 m，工作面倾向倾角8°～16°，最大约20°，倾角变化很大。煤层起伏变化较大，顺槽走向和工作面煤层成波浪状态。如图1所示。

图1 首采80207工作面轨道顺槽剖面图Fig.1 Section map of the first 80207 working face track

地质条件对回采主要有以下影响。

（1）因煤层起伏变化以及断层较多，采煤机需要割大量岩石。

（2）弯段取直。因工作面走向起伏变化大，无论哪种采煤工艺，为减小起伏变化角度，须沿工作面走向采取留底煤或即留底煤又留顶煤的弯段取直措施。

（3）经弯段取直后，有的地方无顶煤，有的地方顶煤很薄，虽然钻孔揭露煤层较厚，但实际开采煤层变化较大。

2 采煤工艺及采煤设备选择

2.1 采煤工艺选择

下面就综放与采全高两种工艺作详细对比。

2.1.1 资源回收率对比

（1）放顶煤开采。如选用13 000 kN支架，最大采高3.6 m，如选10 000 kN支架，最大采高3.3 m,最低采高2.7 m，遇断层不能进一步减小采高，如遇更厚煤层因起伏变化大，顶煤很难回收，综合考虑，整体资源回收率在60%左右。

（2）一次采全高开采。最小采高2.4 m，最大采高4.4 m，遇断层可减小采高，少割矸石，如遇厚煤层可提高采高，尽可能提高资源回收率。所以采全高工作面资源回收率可达75%以上。综合分析80207工作面资源回收率可达88%。

2.1.2 矸石混入对比

（1）放顶煤。因煤层走向连续起伏，仰俯采角度较大。俯采时顶煤与矸石混在一起，很难控制矸石进入后溜，顶煤回收率低、矸石混入比例大；仰采时顶煤直接掉入采空区，放到后溜很少。因此顶煤矸石混入比可达到70%以上，并且导致后溜磨损加快。

（2）采全高。可在采煤过程中根据煤层厚度灵活控制采煤高度，矸石混入比很小，设备磨损少。

2.1.3 俯采难度分析对比

（1）放顶煤工艺：①俯采时顶煤回收率低，矸石混入比大；②后溜与支架间的放口煤很难控制；③后溜在矸石的推动下很容易紧贴支架，后溜上窜下滑很难控制。

（2）采全高工艺：①俯采时要控制好采煤机稳定性，三机配套中需采取特殊措施；②俯采最大角度16°，国内类似俯采角度开采煤层很多；③俯采时也可根据煤层厚度增加采高尽可能提高资源回收率。

2.1.4 仰采难度分析对比

（1）放顶煤工艺：①仰采时顶煤回收率更低，矸石混入比大；②后溜与支架间的放口煤很难控制；③拉后溜困难，后溜上窜下滑；④煤壁也会存在片帮冒顶现象，需要适当降低采高。

（2）采全高工艺：①仰采难度大，容易片帮冒顶，需提高支架工作阻力和支架的支护效率，提高护帮高度，降低采高；②拉架困难，需降低支架重量，加大推移缸径，提高拉架力。

2.1.5 端头支护设备对比

（1）放顶煤工艺。前后2部刮板，配套后转载机和端头支架总长度较长，移架、推转载机都很困难。

（2）采全高工艺。转载机总长度短，约10 m左右，端头支架长度短，拉架、推移转载机方便灵活、机动性好，可更好适应起伏不平的巷道条件。

通过以上5个方面对比，综合考虑各种因素以及四台矿煤层赋存条件，确定该矿8号层煤采用采全高采煤工艺，选用支架重量相对较轻、最大采高要达到4 m以上、俯仰采期间稳定性均能满足要求的设备。

2.2 设备参数的确定

2.2.1 采高确定

主要依据煤层厚度（包括煤层夹矸厚度），同时要考虑设备能力和矿山压力显现状态。

8号煤层有效钻孔37个，煤厚小于4.3 m的钻孔11个，煤厚4.3～7.0 m的钻孔26个，确定最小采高2.6 m，最大采高4.4 m，基本含盖大部分煤层。通过80207工作面两顺槽实际揭露煤层情况，资源回收率可达到88%。最终确定支架最大高度4.6 m，支架最小高度2.2 m。

2.2.2 支架配套中心距的确定

因煤层起伏变化大，仰采角度16°左右，拉架困难，因此选用1.5 m中心距支架，重量轻，机动灵活，方便移架，适应性好；刮板输送机溜槽1.5 m槽长度，更好适应工作面倾向起伏不平地质条件。对于仰俯采16°，1.5 m中心距也可选用151大节距提高采煤机与刮板机的配套可靠性。

2.2.3 支架横向稳定性

首采80207工作面倾角达到16°，通过增加防倒防滑功能，1.5 m中心距支架也可以满足4.4 m采高的横向稳定性要求。

2.3 最终设备选型型号

根据以上综合分析进行工作面设备选型，包括采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机、破碎机、顺槽皮带机等，形成一套综采设备，具体设备型号如下。

采煤机：MG650/1630-WD

刮板输送机：SGZ1000/2×855

转载机：SZZ1000/525

破碎机：PCM400

液压支架：中部ZZ12000/22/46；过渡ZZG120 00/22/46；端头ZTZ10000/23/42

顺槽皮带机：DSJ120/100/2×400

根据煤层起伏变化大、仰俯采角度大的特点，采用远距离供液、供电方式。

3 特殊地质条件配套综采设备应对方法

3.1 液压支架

（1）顶梁防倒与防滑。侧护千斤顶由φ80 mm增加到φ100 mm，增大侧护板调架能力；机头机尾部分支架顶梁安装防倒机构，底座安装防滑机构。

（2）顶板、煤体较破碎，仰采时容易片帮冒顶，采取以下措施：支架采取顶梁、掩护梁、后连杆设计，全封闭式侧护板防止漏顶、漏矸；前梁设计0.8 m行程伸缩梁。可及时支护顶板；选用高工作阻力支架，增大前立柱缸径，提高顶梁前端接顶效果，有效防止片帮、冒顶；支架伸缩梁前设计一级护帮板，增加护帮高度。

（3）底座前端设计抬底机构，加大抬底量和过桥龙门高度。

（4）优化支架空间布局，加宽底座接地面积，降底底座前端比压。

（5）加大推移机构移架能力，加大推移千斤缸径，由原φ160 mm增大到φ180 mm。

3.2 采煤机

（1）选用151 mm大节距销排，增加采煤机行走机构强度、可靠性。

（2）如果连续大角度俯仰采长度超过100 m，考虑临时更换专用的导向滑靴和支撑腿。

（3）采煤机牵引电控采用一拖一四象限的控制方式，保证连续下行割煤；同时采煤机加装制动器，防止采煤机驻车时出现溜车现象。

（4）如遇全岩或者夹矸较多时，先放震动炮后用采煤机截割；若经常需要割全岩或者夹矸，滚筒采用强力重型破岩滚筒。

（5）提高耐磨。摇臂行星头处堆焊耐磨层；支撑滑靴采用进口耐磨钢板焊接；导向滑靴导向面焊接复合耐磨钢板确保耐磨性；行走轮增加渗碳层深度，提高耐磨性。

（6）润滑。摇臂安装强迫润滑泵，确保采煤机摇臂行星头的润滑；液压泵站针对俯仰采做优化设计，确保顺利透气加注油。

（7）电气元部件的防松防震。电气元部件的安装螺纹采用施必牢螺纹；安装时螺钉螺栓均涂覆LOC-243螺纹锁固胶；关键紧固件采用闹得牢防松垫圈；关键元部件安装采用定制的减震垫。

3.3 刮板输送机

（1）为适应工作面起伏采取的变化，选用1 500 mm中部槽，以灵活适应工作面条件，同时与支架相配合。

（2）销排选用151 mm强力锻造销排。

（3）中部槽中底板选用HARDOX450等高强度耐磨板，中板厚度由40 mm加厚到50 mm，底板30 mm，采用多层多道焊接工艺。

（4）针对槽帮不同工作部位的受力状态和力学性能要求，槽帮采取分区淬火热处理工艺，提高槽帮链道、铲板、凸端、凹端等部位硬度指标，以满足高强、高耐磨性能。

（5）加大推移耳根部圆弧，提高其冲击韧性，以适应支架的推拉作用。

（6）减少对起弧段的磨损措施，过渡段及变角度部位均采用大圆弧设计，升角小，可更换翼板。

3.4 转载机

（1）凸槽中板圆弧段采用可更换式中板。

（2）落地段槽体采用哑铃联接，槽体长度为1 m/件。

（3）转载机配迈步自移，导轨长度调整为1 m/件，以适应顺槽起伏不平变化。

（4）加大端头支架推移千斤顶缸径，提高推转载机能力。

（5）中部槽中底板选用HARDOX450等高强度耐磨板，中板厚度由40 mm加厚到50 mm，底板40 mm。

3.5 破碎机

破碎机板材材料采用Hardox450，板厚加厚，中板厚度50 mm，底板厚度40 mm。破碎中板厚度80 mm。

3.6 自移机尾ZY2700

（1）自移机尾头端架两侧加装压带装置。

（2）四根立缸下方连接销加粗由原φ40 mm改为φ60 mm。

（3）支撑滑架加固。

3.7 顺槽皮带机

（1）巷道凹弧段机身增加生根的可调压带装置，强行将上带面凹弧段半径缩小，并使凹弧段机身尽量降低。

（2）提供数量较多的可调支腿，以适应上、下起伏不定巷道，达到与自移机尾的自然的过渡。

4 现场施工情况

首采80207工作面回采以来，该套设备在过大倾角俯仰采、炭质泥岩破碎顶板及各类地质构造时，有效的控制了顶板。回采期间工作面煤层起伏，采取弯段曲直，如图2所示，图中深色线为工作面顶底板。

图2 工作面回采期间素描图Fig.2 Sketch of working face during mining

目前，该套设备已回采360 m，工况良好，安全高效的完成了逐月生产任务。

5 结 语

针对四台矿8层煤802盘区首采80207工作面煤层起伏变化较大以及断层较多的难题，通过资源回收率、矸石混入比、开采难度等方面对比分析，确定了连续起伏煤层矿井成套综采设备，最终安全高效的通过了断层、向背斜等构造，产量增加15%，为该矿今后工作积累了宝贵经验。