張俊峰

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 晉城 048006)

1　綜采工作面三機(jī)設(shè)備存在的問(wèn)題

晉城礦區(qū)某生產(chǎn)礦井為低瓦斯礦,井田面積為31.5 km2,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn) t/a。礦井現(xiàn)采15號(hào)煤層,采用一次采全高長(zhǎng)壁綜采采煤法,全部垮落法管理頂板,后退式回采。綜采工作面長(zhǎng)度為200 m(兩側(cè)順槽中對(duì)中距離),推進(jìn)長(zhǎng)度為1 300 m左右。綜采工作面現(xiàn)布置有MG250/600-WD型采煤機(jī)1臺(tái),ZZ8800-16/30型液壓支架135個(gè),SGZ-764/400型可彎曲刮板輸送機(jī)1部,SZZ764/132型轉(zhuǎn)載機(jī)1部,PLM1000型破碎機(jī)1臺(tái),以及DSJ100/100/2×160型可伸縮帶式輸送機(jī)1部等配套綜采裝備。綜采工作面順槽巷道采用1進(jìn)1回“U”型布置,膠帶順槽進(jìn)風(fēng),軌道順槽回風(fēng)。順槽凈寬5.0 m,凈高2.5 m,采用錨網(wǎng)索梁支護(hù)。

目前,礦井綜采工作面三機(jī)設(shè)備存在以下問(wèn)題:

1)井田東部15號(hào)煤層逐漸變厚,如仍然采用礦井現(xiàn)有綜采裝備(實(shí)際采高范圍為1.8 m～2.8 m),則存在大部分區(qū)域留0.2 m～1.0 m底煤開(kāi)采、資源采出率低、浪費(fèi)嚴(yán)重問(wèn)題。

2)15號(hào)煤屬自燃煤層,如回采工作面底煤留到采空區(qū)后,容易引起采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火。

因此,為解決上述問(wèn)題,需要對(duì)井田東部15號(hào)煤層綜采工作面三機(jī)設(shè)備重新選型優(yōu)化。

2　煤層厚度分析及采高確定

綜采工作面三機(jī)設(shè)備選型優(yōu)化的關(guān)鍵是統(tǒng)計(jì)分析煤層厚度,找出分布規(guī)律,科學(xué)合理確定采高范圍。

2.1　煤層厚度統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)礦井地質(zhì)資料,井田15號(hào)煤層厚度0.34 m～4.29 m,平均2.62 m。其中:

1)井田中部、西部和南部面積約占井田2/3,該區(qū)15號(hào)煤層厚度為1.9 m～2.7 m,現(xiàn)有綜采裝備實(shí)際采高1.8 m～2.8 m,滿足開(kāi)采需要。

2)井田東部面積約占井田1/3,該區(qū)15號(hào)煤層厚度為2.07 m～4.29 m,平均厚度3.27 m,煤層厚度統(tǒng)計(jì)分析如表1所示,可見(jiàn)現(xiàn)有綜采裝備無(wú)法滿足井田東部15號(hào)煤層開(kāi)采需要。

表1　煤層厚度統(tǒng)計(jì)分析Table 1　Statistical analysis of coal seam thickness

2.2　采高確定

根據(jù)上述煤層厚度統(tǒng)計(jì)分析表,綜合考慮井田東部15號(hào)煤層賦存與開(kāi)采技術(shù)條件和綜采設(shè)備制造技術(shù)可行性,確定綜采工作面采高范圍為2.2 m～3.8 m,具體開(kāi)采技術(shù)方案為:

1)對(duì)于厚度2.0 m～2.2 m的煤層(占10%),采高定為2.2 m予以開(kāi)采,割0 mm～200 mm底矸;

2)對(duì)于厚度2.2 m～3.8 m的煤層(占75%),予以正常開(kāi)采;

3)對(duì)于厚度3.8 m～4.29 m的煤層(占15%),采高定為3.8 m予以開(kāi)采,留0 mm～0.49 mm底煤后仍然可以采出95%以上的資源。

綜上所述,井田東部15號(hào)煤層綜采工作面采高確定為2.2 m～3.8 m,滿足開(kāi)采需要。

3　綜采工作面三機(jī)設(shè)備選型優(yōu)化

按“一井、一面”滿足礦井120萬(wàn) t/a生產(chǎn)能力的集中生產(chǎn)模式,對(duì)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架進(jìn)行優(yōu)化選型。

3.1　采煤機(jī)選型

3.1.1主要技術(shù)參數(shù)

1)采煤機(jī)的小時(shí)生產(chǎn)能力:

式中:Qc為采煤機(jī)的小時(shí)生產(chǎn)能力,t/h;Q1為工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力,1.20×106t/a;f為生產(chǎn)不均衡系數(shù),取1.2;d為年工作日,300 d(考慮30 d工作面搬家時(shí)間);n為每日割煤班數(shù),取2;t為每班工作時(shí)數(shù),8 h;k為采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率,取0.5。

2)采煤機(jī)的平均牽引速度:

式中:vc為采煤機(jī)平均牽引速度,m/min;Q為采煤機(jī)的小時(shí)生產(chǎn)能力,600 t/h;S為采煤機(jī)截深,選用截深0.8 m的采煤機(jī)[1];M為工作面平均采高,3.27 m;γ為煤的容重, 1.51 t/m3;K為工作面采出率,95%。

3)采煤機(jī)的裝機(jī)功率。理論截割功率可用下式估算：

P=Q×Hw=420 kW.

式中:P為采煤機(jī)截割功率,kW;Q為采煤機(jī)生產(chǎn)能力,600 t/h;Hw為比能耗,取0.7。

考慮到晉城礦區(qū)15號(hào)煤層煤質(zhì)較硬、夾矸較厚等因素,采煤機(jī)實(shí)際截割功率應(yīng)比理論截割功率高出20%,即實(shí)際截割功率Ps=1.2×P=1.2×420=504 kW。

3.1.2選型方案

綜上計(jì)算,參考采煤機(jī)廠家樣本參數(shù),提出如下2個(gè)選型方案。

方案一。MG300/700-WD至MG300/730-WD系列采煤機(jī)。該系列采煤機(jī)采高有2.0 m～3.8 m、2.0 m～4.2 m等多種情況,截割功率為2×300 kW,總裝機(jī)功率不同是因?yàn)闋恳β屎捅谜竟β视胁煌渲谩Ｔ撓盗胁擅簷C(jī)滿足2.2 m～3.8 m采高需要,功率及能力也滿足要求。

方案二。MG450/1020-WD至MG500/1200-WD系列采煤機(jī)。該系列采煤機(jī)采高有2.0 m～4.1 m、2.0 m～4.2 m、2.0 m～4.5 m等多種情況,截割功率為2×450 kW～2×500 kW。從采高和功率來(lái)看,該系列采煤機(jī)滿足15號(hào)煤層2.2 m～3.8 m采高需要。與方案一相比,生產(chǎn)能力較大,要求配套的刮板機(jī)變寬,投資較大。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素,確定選用MG300/730-WD型采煤機(jī)。

3.2　刮板輸送機(jī)選型

3.2.1主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)三機(jī)配套原則,刮板輸送機(jī)輸送能力為:

Qs=1.2×Qc=720 t/h.

式中:Qs為刮板輸送機(jī)的輸送能力,t/h;Qc為采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力,t/h。

3.2.2選型方案

綜上計(jì)算,參考刮板輸送機(jī)廠家樣本參數(shù),提出如下2個(gè)選型方案。

1)方案一。SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)。SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)與MG300/730-WD型采煤機(jī)配套使用,運(yùn)輸能力及功率滿足200 m長(zhǎng)綜采工作面的需要,能達(dá)到120萬(wàn) t/a礦井生產(chǎn)能力。

2)方案二。SGZ-880/800型刮板輸送機(jī)。SGZ-880/800型刮板輸送機(jī)與MG450/1020-WD型采煤機(jī)配套使用,運(yùn)輸能力及功率較大,滿足300 m長(zhǎng)綜采工作面的需要,能達(dá)到200萬(wàn) t/a及以上礦井生產(chǎn)能力。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素,確定選用SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)。

3.3　液壓支架選型

3.3.1主要技術(shù)參數(shù)

1)架型選擇。礦井15號(hào)煤層頂板為K2石灰?guī)r,厚6.4 m～17.8 m,平均12.5 m,屬堅(jiān)硬巖石。底板為泥巖、鋁質(zhì)泥巖,厚3.4 m～23.5 m,平均厚度11.5 m,屬較軟弱的巖石。根據(jù)煤層賦存條件和頂?shù)装鍘r性,并結(jié)合晉城礦區(qū)其他礦井15號(hào)煤層支架選型實(shí)際經(jīng)驗(yàn),選用四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。

2)支架高度。根據(jù)井下實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)及《煤礦綜采采區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2],支架支護(hù)高度一般預(yù)留200 mm安全余量。

支架最大高度:

Hmax=Mmax+0.2 =4.0 m .

支架最小高度:

Hmin=Mmin-0.2 =2.0 m .

式中:Hmax為支架最大支護(hù)高度,m;Hmin為支架最小支護(hù)高度,m;Mmax為工作面設(shè)計(jì)最大采高,3.8 m;Mmin為工作面設(shè)計(jì)最小采高,2.2 m。

3)工作阻力。

支架支護(hù)強(qiáng)度采用經(jīng)驗(yàn)估算法計(jì)算:

式中:P為支架支護(hù)強(qiáng)度,MPa;M為回采工作面采高,取最大高度3.8 m;γ為頂板巖石的容重,取2.7 t/m3;α為煤層傾角,取最小值0°。代入上式,則P=0.60 MPa～0.80 MPa。

支架支護(hù)阻力計(jì)算:

P1=P×S×103

式中:P1為支架支護(hù)阻力,kN;P為支架支護(hù)強(qiáng)度,取最大值0.80 MPa;S為支架的頂板支護(hù)面積,當(dāng)支架中心距為1.5 m時(shí),最大控頂距支護(hù)面積為5.8 m×1.5 m=8.7 m2，當(dāng)支架中心距為1.75 m時(shí),最大控頂距支護(hù)面積為5.8 m×1.75 m=10.15 m2。則:

1.5 m時(shí)P1=0.80×8.7×103=6 960 kN ；

1.75 m時(shí)P1=0.80×10.15×103=8 120 kN .

3.3.2選型方案

綜上計(jì)算,參考支架廠家樣本參數(shù),提出如下2個(gè)選型方案。

方案一。支架中心距按1.5 m設(shè)計(jì),選用ZZ8800/20/40型液壓支架。特點(diǎn)如下:

1)重量較輕,有利于提高工作面搬家的靈活性。

2)根據(jù)廠家詢價(jià)資料,裝備1個(gè)200 m長(zhǎng)的綜采工作面,ZZ8800/20/40型支架投資約135架×54萬(wàn)/架=7 290萬(wàn)元,而1.75 m寬的ZZ10000/20/40型支架投資約115架×95萬(wàn)/架=10 925萬(wàn)元,多投資3 625萬(wàn)元。

3)適用于工作面長(zhǎng)度和生產(chǎn)能力較小的礦井。

方案二。支架中心距按1.75 m設(shè)計(jì),選用ZZ10000/20/40型液壓支架。特點(diǎn)如下:

1)支架寬度較大,有利于提高整體穩(wěn)定性,適合大采高及工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況。

2)支架數(shù)量較少,移架速度較快,便于設(shè)備管理,有利于提高工作面單產(chǎn)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素,確定選用ZZ8800/20/40型液壓支架。

4　選型結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素,該礦井田東部15號(hào)煤層確定選用MG300/730-WD型采煤機(jī),SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)和ZZ8800/20/40型液壓支架,各設(shè)備具體參數(shù)如表2-表4所示。

表2　MG300/730-WD型采煤機(jī)主要技術(shù)特征Table 2　Main technical features of MG300/730-WD shearer

表3　SGZ-764/630型刮板輸送機(jī)主要技術(shù)特征Table 3　Main technical features of SGZ-764/630 scraper conveyor

表4　ZZ8800/20/40型中間架主要技術(shù)特征Table 4　Main technical features of ZZ8800/20/40 hydraulic support

5　優(yōu)化結(jié)論

1)綜采工作面三機(jī)設(shè)備選型優(yōu)化的關(guān)鍵是統(tǒng)計(jì)分析煤層厚度,找出分布規(guī)律,科學(xué)合理確定采高范圍。

2)根據(jù)采高范圍,綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面影響因素,提出三機(jī)設(shè)備選型優(yōu)化方案。其中技術(shù)方面影響因素有礦井地質(zhì)條件、煤層賦存與開(kāi)采技術(shù)條件、資源儲(chǔ)量及服務(wù)年限、采煤方法與回采工藝、工作面參數(shù)與生產(chǎn)能力、礦井各生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀與井巷斷面尺寸,以及設(shè)備制造可行性、相互之間尺寸和性能配套等因素[3];經(jīng)濟(jì)方面影響因素有設(shè)備價(jià)格及壽命、礦方投資承受能力等因素。

3)綜采面三機(jī)設(shè)備選型中,液壓支架是核心設(shè)備,投資一般占90%左右,一旦選定,無(wú)法調(diào)整支護(hù)高度;而采煤機(jī)可以通過(guò)更換滾筒等方式調(diào)整,適應(yīng)較大范圍工作面采高;刮板輸送機(jī)可以通過(guò)更換電機(jī)、增加中間槽數(shù)量等方式調(diào)整,適應(yīng)較大范圍工作面長(zhǎng)度。