[摘 要]合理配置綜采工作面“三機(jī)”設(shè)備，可以有效地解決采煤機(jī)、支架、刮板輸送機(jī)動態(tài)穩(wěn)定性問題。本文結(jié)合棗泉煤礦120210工作面，對大傾角煤層綜采工作面設(shè)備選型及“三機(jī)”配套進(jìn)行了研究。通過現(xiàn)場應(yīng)用，三機(jī)配套方案可行，適應(yīng)了大傾角綜采放頂煤條件，可供類似礦井借鑒。

[關(guān)鍵詞]大傾角煤層 綜采工作面 設(shè)備選型 “三機(jī)”配套

中圖分類號：TD 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）05-0007-02

1、前言

為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效和本質(zhì)安全的理念，棗泉煤礦120210工作面必須研制并合理配置“三機(jī)”（采煤機(jī)、支架、刮板輸送機(jī)）設(shè)備，有效地解決“三機(jī)”動態(tài)穩(wěn)定性問題，如工作面設(shè)備的防倒、防滑問題等，成功地實(shí)現(xiàn)120210工作面走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)突破。

2、工作面概況

棗泉煤礦120210工作面隸屬于12采區(qū)，主采二煤。2#煤層總厚6.8～9.8m，平均8.15m，煤層結(jié)構(gòu)單一，煤層傾角30°～39°，平均34.5°，煤層硬度f=1.6～2.0。工作面走向長2093～2135m（平均2114m），傾斜長178～188m（平均183.7m）。

預(yù)計(jì)工作面正常涌水量在80m3/h左右，最大涌水量120 m3/h左右。礦井瓦斯相對涌出量為0.219 m3/t、絕對涌出量為4.408m3/min，二氧化碳相對涌出量為0.713m3/t、絕對涌出量為14.331m3/min。棗泉煤礦為低瓦斯、低二氧化碳礦井。煤層最短自然發(fā)火期均為35天，煤塵均有爆炸性。

3、“三機(jī)”設(shè)備選型研究

3.1 采煤機(jī)的選型

3.1.1 采煤機(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算

設(shè)計(jì)工作面年產(chǎn)量3.3Mt/a，采用單向割煤、端頭斜切進(jìn)刀的工作方式。工作面割煤高度為3.0m，放煤高度平均為5.15m，底煤回收率取95%，頂煤回收率取75%，則工作面平均回采率為82%。工作面采用“一采一放”的放煤方式，采煤機(jī)截深為0.8m，放煤步距均為0.8m。工作面推進(jìn)方向長度3000m左右，其有效開采時(shí)間按300d計(jì)算。

采煤機(jī)應(yīng)具有的最小生產(chǎn)能力由下式計(jì)算：Qh=Qy×f/[D×（N-M）×t×K]

式中：Qh—工作面設(shè)備所需最小生產(chǎn)能力，t/h；Qy—要求的工作面年產(chǎn)量，3.3×106t/a；D—年生產(chǎn)天數(shù)，300d；f—能力富裕系數(shù)，1.3；N—日作業(yè)班數(shù)，3班；M—每日檢修班數(shù)，1班；t—每班工作時(shí)數(shù)，8h；K—開機(jī)率，0.7。

經(jīng)計(jì)算，Qh =1277t/h。

3.1.2 采煤機(jī)牽引速度

采煤機(jī)平均截割牽引速度Vc：Vc= Qh /（60×B×H×γ×C）

式中：Vc—采煤機(jī)平均截割牽引速度，m/min；Qh—采煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)能力，1277t/h；H—平均采高，3m；B—截深，0.8m；γ—煤的容重，1.33t/m3；C—工作面回采率，0.93。經(jīng)計(jì)算，Vc=5.4m/min

3.1.3 采煤機(jī)裝機(jī)功率

裝機(jī)功率包括截割電動機(jī)、牽引電動機(jī)、破碎電動機(jī)、液壓泵電動機(jī)、機(jī)載增壓噴霧泵電動機(jī)等電動機(jī)功率總和。裝機(jī)功率由下式估算：P=Q×Hw=894kW

式中：P—裝機(jī)功率，kW；Q—采煤機(jī)生產(chǎn)率，1277t/h；Hw—比能耗，一般0.6～0.7，取0.7。經(jīng)計(jì)算，P=894kW。

據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，采煤機(jī)牽引力一般為其裝機(jī)功率數(shù)值的0.5～1倍。

3.1.4 采煤機(jī)機(jī)型確定和主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)以上分析結(jié)果，參照國內(nèi)外高產(chǎn)高效礦井工作面裝備情況，設(shè)計(jì)選用天地科技股份有限公司上海分公司制造的MG450/1020-QWD型電牽引采煤機(jī)，采煤機(jī)的主要參數(shù)如下：裝機(jī)功率1500kW左右，截深不小于800mm，采高2.2～4.5m，生產(chǎn)能力不小于3.3Mt/a，牽引方式為鏈軌式或銷排式無鏈電牽引，牽引力不小于750kN，額定電壓3300V，頻率50Hz。

3.2 液壓支架的選型

液壓支架是綜采工作面主要設(shè)備之一，也是工作面裝備中投資最多的設(shè)備，應(yīng)把液壓支架的可靠性放在首位。液壓支架的選型既要考慮設(shè)備先進(jìn)性，又要考慮性能穩(wěn)定可靠、經(jīng)久耐用。

3.2.1 工作面頂?shù)装宸诸?/p>

（1）直接頂分類

①直接頂強(qiáng)度指標(biāo)：

其中—巖石得單向抗壓強(qiáng)度，；—節(jié)理裂隙影響系數(shù)，實(shí)測二煤直接頂裂隙間距0.6m，可得：；—分層厚度影響系數(shù)，實(shí)測二煤直接頂分層厚度平均為0.8m，可得：；

②直接頂初次垮落步距

查直接頂頂板分類指標(biāo)（《中國采場圍巖控制》），直接頂板初次垮落步距為19～25m，根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬研究報(bào)告并參照棗泉煤礦120210工作面現(xiàn)場礦壓實(shí)測數(shù)據(jù)，二號煤直接頂初次垮落步距為24m。

參照原煤炭部頒布的《緩傾斜煤層工作面頂板分類方案》，二煤層工作面直接頂屬于Ⅲ類，即穩(wěn)定直接頂，在局部有向不穩(wěn)定頂板變化趨勢。

（2）基本頂分級

① 直接頂與采高比

其中—直接頂厚度，根據(jù)地質(zhì)資料，；—煤層平均采高，取煤層的實(shí)際厚度，取8.15m。

② 基本頂初次來壓步距

根據(jù)礦壓實(shí)測數(shù)據(jù)，二煤基本頂初次來壓步距為54～67m。根據(jù)上述的分類指標(biāo)，查老頂來壓強(qiáng)度分級表（《中國采場圍巖控制》），老頂來壓步距大于50m，二煤層工作面基本頂屬于Ⅲ級，即來壓強(qiáng)烈頂板。

上述分析表明，二煤層工作面頂板為Ⅲ級3類頂板，即直接頂穩(wěn)定，基本頂來壓劇烈頂板。在局部區(qū)域內(nèi)，直接頂有向Ⅰ類變化的趨向。

（3）底板分類

①底板容許比壓：（MPa）

其中：—安全系數(shù)，取0.75；—極限比壓，根據(jù)類似埋藏（巖性）條件礦井經(jīng)驗(yàn)，=4.608（MPa）。

②底板容許剛度：（MPa/mm）

其中—底板平均剛度，根據(jù)類似埋藏條件礦井經(jīng)驗(yàn)，（MPa/mm）。

由以上數(shù)據(jù)分析，二煤層工作面底板為Ⅱ類，即松軟底板（由于二煤層底板單軸抗壓強(qiáng)度為9.14～12.67MPa，則在局部可能為Ⅰ類底板）。

3.2.2 支架類型確定

（1）工作面一直沿頂開采，煤的硬度系數(shù)1.6～2.0。根據(jù)老頂分類方法以及現(xiàn)場來壓數(shù)據(jù)分析可知：120210工作面老頂為Ⅲ類來壓強(qiáng)烈的頂板。為了避免大面積垮落引起的動載，支架應(yīng)取較高的初撐力，約為工作阻力的80%，較大的初撐力和較好的初撐質(zhì)量可以較快達(dá)到工作阻力。根據(jù)工作面條件，液壓支架應(yīng)選用支撐掩護(hù)式架型。

（2）掩護(hù)型支架可分單鉸式和四連桿式（或稱雙鉸式），雙鉸式由單鉸發(fā)展面來，其維護(hù)梁端頂板、擋矸，抵抗水平推力效果均較好，還可提高支架的穩(wěn)定性。本工作面支架選用四連桿式。

（4）120210工作面采高大而且片幫嚴(yán)重，支架應(yīng)帶強(qiáng)力護(hù)幫裝置。護(hù)幫裝置還應(yīng)兼有超前支護(hù)頂板的功能。

（5）在松軟底板上使用的支架，應(yīng)配備減少比壓的結(jié)構(gòu)。

綜合上述，為提高液壓支架的穩(wěn)定性和抗扭性，選用底座與掩護(hù)梁相聯(lián)接的四連桿機(jī)構(gòu)架型，考慮到放煤效果，選用低位放頂煤液壓支架。工作面選用四柱支撐掩護(hù)式大插板低位放頂煤液壓支架。

3.2.3 支架阻力確定

液壓支架的阻力是支架設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù)，支架所有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是由此決定，它在一定程度上顯示支架工作的能力和特征，主要包括支架的初撐力和工作阻力。液壓支架采用四柱低位放頂煤液壓支架，最低高度1.6m，最高高度3.2m，支架中心距1.5m。綜合經(jīng)典理論、大傾角煤層長壁開采動力學(xué)理論、實(shí)測法、物理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合工作面頂?shù)装逄卣?，最終確定支架工作阻力6500～7000kN，頂梁側(cè)向調(diào)整工作阻力800～1000kN，底座側(cè)向調(diào)整工作阻力900～1000kN。

3.2.4 液壓支架型號確定

根據(jù)棗泉煤礦二煤層特殊的地質(zhì)條件，以及先期使用的液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，考慮到大傾角工作面液壓支架的支護(hù)效率和支架的可靠性、穩(wěn)定性，120210綜放工作面液壓支架最終確定為109架四柱支撐掩護(hù)式大插板低位放頂煤液壓支架（含98架ZF8600/18/35型基本架，7架ZFP8800/20/36D型排頭支架，2臺ZFG9800/20/36型過渡支架，2臺ZFG8600/18/35型過渡支架）， ZT20000/21/38型中置式放頂煤端頭支架。

3.3 刮板輸送機(jī)的選型

3.3.1 刮板輸送機(jī)型式的確定

工作面要求配備前后兩部輸送機(jī)，能適用于煤層傾角大、煤層厚的條件。要求輸送機(jī)具有運(yùn)量大，并且能有效防止煤矸向下滾滑。前部刮板機(jī)的防滑主要通過調(diào)整偽斜角的大小來實(shí)現(xiàn)，前、后運(yùn)輸機(jī)除斜拉千斤頂防滑外，中部槽底部加設(shè)防滑塊在支架尾部專門設(shè)計(jì)了特殊的燕尾型防滑裝置與后部運(yùn)輸機(jī)聯(lián)結(jié)，防止后溜下滑。根據(jù)上述要求，前、后輸送機(jī)均選用SGZ960型中雙鏈刮板輸送機(jī)。

3.3.2 工作面前部刮板輸送機(jī)選型

工作面前部刮板輸送機(jī)的生產(chǎn)能力應(yīng)保證采煤機(jī)采出煤全部運(yùn)出，并留有一定備用能力。工作面前部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤量取決于采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力，通常采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力比理論生產(chǎn)能力要低，特別是受設(shè)備開機(jī)率和和液壓支架移架速度、刮板機(jī)生產(chǎn)能力等影響和礦井瓦斯涌出量及通風(fēng)條件制約，牽引速度必然受限制，實(shí)際能力應(yīng)為：Q =1.2Qh=1.2×60×H×B×Vc×γ

式中： Q —刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力，t/h；Vc—采煤機(jī)平均截割牽引速度，6m/min；Qh—采煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)能力，t/h；H—平均采高，3m；B—截深，0.8m；γ—煤的容重，1.33t/m3。

經(jīng)計(jì)算，Q =1378.9 t/h?？紤]到礦實(shí)際情況，前部選用SGZ960/2×700中雙鏈刮板輸送機(jī)。

3.3.3 工作面后部刮板輸送機(jī)選型

為實(shí)現(xiàn)綜放工作面高產(chǎn)高效，應(yīng)在采煤機(jī)完成割煤深度0.8m后，實(shí)現(xiàn)拉后部刮板輸送機(jī)，形成放煤步距0.8m后，便可開始放煤，以實(shí)現(xiàn)采放平行作業(yè)，減少采、放綜合循環(huán)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。因此與采煤機(jī)落煤能力相匹配的工作面平均放煤能力為：Qf =60×Hf×B×m×r×Cf×（1+Cg）×Vf

式中：Qf—工作面平均放煤能力，t/h；Hf—頂煤平均厚度，為5.15m；B—架間距，為1.5m；m—放煤步距，為0.8m；r—煤體容量，為1.33t/m3；Cf —頂煤回收率，為70%；Cg—放出頂煤含矸率（非煤層內(nèi)夾矸）10%；Vf—放煤速度，取0.98 m/min。經(jīng)計(jì)算Qf =371.99 t/h。

為滿足工作面放煤要求，后部輸送機(jī)能力應(yīng)為：Qk =kf ×Qf=557.98t/h，式中：Qk —后部輸送機(jī)生產(chǎn)能力，t/h；kf —放煤量不均衡系數(shù)，kf 取1.5。

考慮到前后部輸送機(jī)部分零件、配件的互換性，以便于管理和設(shè)備維護(hù)，選用SGZ960/2×700中雙鏈刮板輸送機(jī)。

4、“三機(jī)”設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用效果

棗泉煤礦在臨界大傾角變角度綜采條件下，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、集成創(chuàng)新和基于PDCA 循環(huán)的“設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)-試用-反饋-優(yōu)化設(shè)計(jì)”適時(shí)修正技術(shù)，研制了適應(yīng)大傾角走向長壁綜放工作面“三機(jī)”設(shè)備，并對其配套技術(shù)和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了大傾角綜放開采過程中“三機(jī)”防滑和支架防倒、防滑等關(guān)鍵性技術(shù)問題?！巴ㄟ^現(xiàn)場應(yīng)用，三機(jī)配套方案可行適應(yīng)了大傾角綜采放頂煤條件，其設(shè)備運(yùn)行正常。

作者簡介

馬斌瑞，（1983—），本科，寧夏靈武人，現(xiàn)就職于神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)棗泉煤礦機(jī)電動力科科長，主要從事煤礦機(jī)電運(yùn)輸管理工作。