鄭苛苛, 韓 彬, 魏宏偉, 張加齊, 劉縣委, 楊發(fā)軍,張 陽(yáng), 張靖凱

(1.庫(kù)車(chē)縣榆樹(shù)嶺煤礦有限責(zé)任公司,新疆維吾爾自治區(qū) 阿克蘇地區(qū)庫(kù)車(chē) 842000; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

綜放開(kāi)采技術(shù)在我國(guó)已發(fā)展30多a年，取得了一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)成果，但目前面臨的最突出的問(wèn)題是工作面頂煤采出率低，大多在60%左右，在一些設(shè)備先進(jìn)的工作面，頂煤采出率也只有85%左右[1-3]。新疆地區(qū)煤炭資源普遍存在埋藏較淺、煤層較厚、煤層與頂板較硬的特點(diǎn)，頂煤的冒放性較差，設(shè)備選型需綜合考慮礦壓和頂煤放出率優(yōu)化問(wèn)題等多重因素，有一定難度[4-5]。綜放工作面想要提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量必須加大工作面設(shè)備能力，保證安全性和設(shè)備系統(tǒng)協(xié)調(diào)性[6-7]。因此，需要針對(duì)具體礦區(qū)工作面條件選取合適的工作面設(shè)備。

針對(duì)綜放面關(guān)鍵裝備選型配套方案，相關(guān)學(xué)者做了大量研究。宋啟[8]理論分析了薄煤層支架的特點(diǎn)、支架選型原則和影響因素，確定了支架支護(hù)阻力的計(jì)算和支架結(jié)構(gòu)選擇的方法，總結(jié)了常用的選型方法及步驟，完善了薄煤層支架選型的理論體系。趙光榮[9]根據(jù)孟家窯煤礦5號(hào)煤層大傾角厚煤層獨(dú)特的地質(zhì)條件，對(duì)其進(jìn)行了綜放工作面設(shè)備選型與配套研究，確定了“三機(jī)”及其他配套設(shè)備的型號(hào)。唐永志等[10]通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬分析、類(lèi)比分析，得到支架合理支護(hù)強(qiáng)度數(shù)值，支架采用四柱式整體頂梁帶伸縮梁和二級(jí)護(hù)幫板結(jié)構(gòu)型式。董小帥[11]根據(jù)郭莊煤業(yè)煤層的地質(zhì)條件，對(duì)其進(jìn)行了綜放工作面設(shè)備選型與配套研究，確定了“三機(jī)”及其他配套設(shè)備的型號(hào)。柳金暉[12]詳細(xì)分析華亭煤業(yè)集團(tuán)硯北煤礦130101綜采工作面“三機(jī)”設(shè)備選型及配套設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，在實(shí)際應(yīng)用中給出了采煤機(jī)滾筒的臥底量、刮板輸送機(jī)的卸載高度等參數(shù)。汪衛(wèi)兵等[13]基于黃陵礦某采煤工作面的實(shí)際條件，研究分析了該煤礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力和選型工作要求，最終得到了采煤機(jī)、刮板機(jī)和液壓支架的建議型號(hào)。任保紅[14]采用理論計(jì)算和“三機(jī)”配套原則等方法對(duì)凌志達(dá)煤礦15211工作面具體參數(shù)進(jìn)行了一系列計(jì)算，選取了合適的工作面設(shè)備。王丹等[15]依據(jù)山西段王煤業(yè)集團(tuán)段王礦8號(hào)+9號(hào)煤地質(zhì)條件及采用5 m綜合機(jī)械化一次采全高試采存在的問(wèn)題，證明該礦8號(hào)+9號(hào)煤不適合一次采全高開(kāi)采。經(jīng)多次調(diào)研分析論證，結(jié)合多年放頂煤開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，最后選用大截深電液控綜放設(shè)備并進(jìn)行了配套設(shè)計(jì)。董博[16]依照過(guò)往礦井工作綜采設(shè)備的配套經(jīng)驗(yàn)，以現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中安全、有效應(yīng)用為依據(jù)，對(duì)綜采工作面“三機(jī)”設(shè)備選型及配套原則進(jìn)行分析，并淺談了幾點(diǎn)有效的配套管理措施。張鵬亮[17]通過(guò)理論分析綜放工作面生產(chǎn)體系構(gòu)成及厚煤層開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用情況，分析了“三機(jī)”的性能參數(shù)基本要求，提出了基于設(shè)備尺寸和生產(chǎn)能力的“三機(jī)”配套原則。繆志炳[18]為使分層綜采技術(shù)得到更好的推廣與應(yīng)用，結(jié)合厚煤層分層開(kāi)采的特點(diǎn)，研究了分層綜采工作面設(shè)備的配套原則、選型原則，并介紹了兩種適合山西地區(qū)綜采工作面設(shè)備配套的典型配套方案?？傮w而言，針對(duì)綜放面關(guān)鍵裝備選型配套方案的研究已經(jīng)較為豐富，但是針對(duì)淺埋雙硬特厚煤層綜放面關(guān)鍵裝備選型配套方案的相關(guān)研究還較少。

本文主要探究淺埋雙硬特厚煤層綜放面的合理采放比設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵裝備選型配套方案，以榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放工作面為工程案例，優(yōu)化設(shè)計(jì)綜放面采放比，并選取合適的設(shè)備，為類(lèi)似條件下雙硬特厚煤層綜放面采放比設(shè)計(jì)及關(guān)鍵裝備選型配套方案提供了參考。

1 礦井地質(zhì)條件

榆樹(shù)嶺煤礦110501工作面采下5煤，煤層厚度7.99～9.34 m，平均8.60 m。地面標(biāo)高1 793～1 834 m，工作面標(biāo)高1 653～1 688 m，工作面長(zhǎng)155 m，可推進(jìn)長(zhǎng)度1 284 m。110501工作面不存在偽頂，基本頂為厚硬的粉砂巖，煤層普氏硬度系數(shù)達(dá)到3.8。直接頂以粉砂巖為主，含細(xì)砂巖和粗砂巖；基本頂以粉砂巖為主，夾細(xì)砂巖、中砂巖和粗礫砂巖，見(jiàn)圖1。

圖1 110501綜放面平面布置圖及樹(shù)嶺煤礦下5煤層柱狀圖

2 采放比設(shè)計(jì)

綜放工作面開(kāi)采最突出的問(wèn)題是礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)以及頂煤采出率低[19-22]，所以采放比對(duì)頂煤冒放效果的影響較大，因此設(shè)計(jì)合理的采放比非常重要。

2.1 工程類(lèi)比設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研各大礦區(qū)內(nèi)厚煤層綜放開(kāi)采工作面工作參數(shù)及設(shè)備配套情況，整理分析了對(duì)應(yīng)工程條件下常用的參數(shù)、支架型號(hào)及配套設(shè)備。本次統(tǒng)計(jì)的煤礦煤層厚度在6～18 m之間，采高在2.5～4.9 m之間，采放比在1∶0.7～1∶3.75之間，對(duì)應(yīng)的支架支護(hù)阻力在4 000～18 000 kN，礦井生產(chǎn)能力在100～1 000萬(wàn)t/a之間。具體情況如表1所示。

表1 典型礦井放頂煤液壓支架應(yīng)用現(xiàn)狀

圖2給出了主要煤礦采高與煤厚之間的關(guān)系分布。由圖2可知，在9～10 m煤厚范圍內(nèi)，采高一般選取3.5～4.0 m，對(duì)應(yīng)采放比為1.29～1.62。110501綜放面平均煤厚為8.6 m，考慮工作面煤層及頂板堅(jiān)硬，為了提高采出率，采高應(yīng)大于4.0 m。

圖2 主要煤礦采高-煤厚關(guān)系

圖3給出了采放比與礦井生產(chǎn)能力之間的關(guān)系。已知榆樹(shù)嶺礦井核定生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a，且計(jì)劃后期提升產(chǎn)能至300萬(wàn)t/a，而高產(chǎn)礦井的采放比一般小于1∶1.5?？紤]到本礦煤層堅(jiān)硬，為保證頂煤采出率，采放比應(yīng)大于1∶1.5。

圖3 主要煤礦采放比-生產(chǎn)能力關(guān)系

2.2 模擬量化

本次模擬中，采用FLAC3D軟件分析綜放面回采過(guò)程中的煤巖破壞規(guī)律。以工作面推進(jìn)方向不同采高頂煤的冒放性破壞特征為主要研究?jī)?nèi)容，模型尺寸為200 m×50 m×120 m。模型四周固定水平位移，底面固定水平位移及垂直位移，整體施加重力加速度9.8 m/s2，模型內(nèi)各單元均考慮自重作用。運(yùn)算過(guò)程中工作面采高分別按3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m考慮，即采放比為1∶1.87、1∶1.46、1∶1.15、1∶0.91。

根據(jù)模擬結(jié)果，煤層厚度為8.6 m，煤層開(kāi)采厚度分別為3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m，即采放比為1∶1.87、1∶1.46、1∶1.15、1∶0.91時(shí)，沿工作面走向中部剖面，頂煤破壞情況及超前支承應(yīng)力峰值與采高關(guān)系如圖4所示。

圖4 頂煤屈服破壞系數(shù)及超前支承應(yīng)力峰值與采高關(guān)系

由圖4(a)、圖4(b)可知：

1) 采高由2.5 m增加至5.0 m時(shí)，綜放工作面頂煤塑性破壞的最大深度在6～20 m之間變化，最小破壞深度在2～5 m之間變化。采高的增大會(huì)導(dǎo)致冒放性逐漸增大，頂煤會(huì)產(chǎn)生大面積的拉剪破壞。采高不斷加大，頂煤的屈服破壞系數(shù)隨采高增大呈逐漸增大趨勢(shì)，且成近似對(duì)數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系，變化范圍約為0.32～0.97。

2) 采高由2.5 m增加至5.0 m時(shí)，煤幫超前支承應(yīng)力由5.4 MPa增加至10.9 MPa，煤幫超前支承應(yīng)力影響范圍由6.8～15.9 m逐漸增大，整體礦壓顯現(xiàn)特征趨于強(qiáng)烈。采高不斷加大，工作面煤壁超前支承應(yīng)力峰值逐漸增大，且同樣成近似對(duì)數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系，變化約為5.4～10.9 MPa。

綜上可知，在采高設(shè)計(jì)合理時(shí)榆樹(shù)嶺煤礦110501工作面適合進(jìn)行綜放開(kāi)采。結(jié)合不同采高下工作面頂煤的冒放性特征及超前支承應(yīng)力峰值數(shù)值模擬分析結(jié)果，為了保證頂煤冒放性及采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性，建議最優(yōu)的割煤高度為4.0～4.2 m，即采放比約為1∶1.05～1∶1.15。

3 綜放面液壓支架選型

3.1 綜放面液壓支架架型選擇

目前綜放工作面根據(jù)煤層賦存條件、產(chǎn)量要求、礦井條件和應(yīng)用情況，可選擇四柱低位放頂煤液壓支架或兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，兩柱式與四柱式放頂煤支架的具體特性對(duì)比如表2所示。

表2 兩柱式與四柱式放頂煤支架特性對(duì)比

綜合榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放面采高大、煤層及頂板雙硬覆存等條件，結(jié)合四柱正四連桿低位放頂煤液壓支架頂梁較長(zhǎng)、頂煤破碎效果較好、工作阻力大、穩(wěn)定性強(qiáng)、工人操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，選定榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放面放頂煤液壓支架架型為四柱低位放頂煤液壓支架。

3.2 綜放面液壓支架支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)榆樹(shù)嶺煤礦綜放面煤層硬度較高，覆巖為全基巖且埋深較淺的開(kāi)采特征，選擇的液壓支架工作阻力及支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法包括：臺(tái)階式懸臂—砌體梁組合結(jié)構(gòu)理論、支架工作阻力的動(dòng)載荷法，具體計(jì)算結(jié)果如下。

3.2.1 按照“臺(tái)階式懸臂-砌體梁組合結(jié)構(gòu)”理論計(jì)算

直接頂為臺(tái)階式懸臂垮落和基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)組合，如圖5所示。

圖5 臺(tái)階式懸臂—砌體梁組合結(jié)構(gòu)

當(dāng)頂煤堅(jiān)硬，f≥2.0，直接頂較厚，分層分次垮落，基本頂一次垮落厚度大于殘留空間高度時(shí)，支架除承受頂煤和直接頂重量外，還承受著基本頂為實(shí)現(xiàn)鉸接平衡所需的力。此時(shí)頂煤和直接頂?shù)闹亓繎?yīng)包括懸臂部分的重量，頂煤重量為：

(1)

直接頂?shù)闹亓繛椋?/p>

(2)

故計(jì)算支架載荷為：

P=PM+Pz+Pq

(3)

式中：l為控頂距；α為頂煤頂板懸臂的平均破斷角；Pq為滿(mǎn)足砌體梁的平衡條件，其計(jì)算公式見(jiàn)式(4)。

(4)

式中：L為周期來(lái)壓步距；φ為頂板巖石內(nèi)摩擦角；θ為基本頂破斷余角；H為基本頂一次垮落厚度；Q為基本頂巖塊重量；l為采場(chǎng)控頂距；S為基本頂回轉(zhuǎn)最大下沉值，其計(jì)算公式為：S=M-M2(1-K2)K＇p-∑h(Kp-1)，K2為頂煤放出率，K＇p為頂煤碎脹系數(shù)，Kp為直接頂碎脹系數(shù)，M2為頂煤厚度。

根據(jù)榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放面參數(shù)及地質(zhì)條件，L=30 m(由于榆樹(shù)嶺煤礦頂板的硬度較高，可能存在強(qiáng)烈的到頂來(lái)壓現(xiàn)象，根據(jù)基本頂來(lái)壓等級(jí)分類(lèi)，設(shè)定榆樹(shù)嶺煤礦基本頂周期來(lái)壓步距30 m)；φ=20°；α=45°；θ=3°；H=8 m(考慮到基本頂?shù)腞QD為0.58，基本頂不會(huì)一次性垮落，基本頂一次性垮落厚度按照基本頂厚度與RQD的乘積計(jì)算)；M=8.6 m；M2=4.6 m；K2=0.8；K＇p=1.3；∑h=5 m；Kp=1.3；l=5.6 m；Q=1 034 kN/m，計(jì)算可得支架支護(hù)強(qiáng)度P=0.713 MPa。

3.2.2 動(dòng)載荷法

目前確定支架工作阻力的主要思想是，支架需要直接頂和破斷的基本頂以及破斷基本頂以上的載荷，該方法認(rèn)為直接頂、基本頂和基本頂以上的載荷以靜載荷的方式施加到支架上，但是實(shí)際生產(chǎn)中，以這種方式確定的支架工作阻力往往偏低，在堅(jiān)硬頂板和淺埋深條件下尤為突出。王家臣教授由此引入了動(dòng)載荷系數(shù)法來(lái)解釋和確定支架的合理工作阻力。但是本公式原用于一次采全高開(kāi)采，支架支護(hù)載荷沒(méi)有考慮頂煤載荷，以下公式為增加了頂煤載荷的修改后公式。原理如圖6所示。

圖6 基本頂巖塊突然失穩(wěn)的動(dòng)載荷計(jì)算模型

1) 直接頂及頂煤載荷計(jì)算。直接頂及頂煤的全部重量作為載荷。

(5)

式中：M為采煤機(jī)割煤高度，4.0 m；LD為懸頂距，考慮到放頂煤開(kāi)采直接頂應(yīng)隨采隨跨，懸頂距為端面距+放頂煤支架頂梁長(zhǎng)度，為5.6 m；∑h為垮落的直接頂和頂煤厚度；γ直接頂或頂煤容重，分別為25 kN/m3和12.9 kN/m3；Kp為碎脹系數(shù)，取1.3；B為支架中心距，取1.5 m。

2) 基本頂沖擊載荷計(jì)算。在對(duì)基本頂動(dòng)載荷Fd進(jìn)行估算時(shí)，考慮基本頂在煤壁上方斷裂這一最不利的情況，并將直接頂和支架看做整體考慮。

基本頂?shù)闹ёo(hù)載荷為：

(6)

(7)

式中：Fd為基本頂沖擊載荷；Kd為沖擊動(dòng)載系數(shù)；∑h為垮落的直接頂和頂煤厚度；E為直接頂或頂煤的彈性模量；A為直接頂或頂煤的懸頂面積；Δst為直接頂?shù)撵o圍巖；Δh為基本頂自由下落的高度。

由上式可知，可以通過(guò)減小基本頂自由下落的高度Δh來(lái)降低沖擊動(dòng)載系數(shù)Kd，在采場(chǎng)圍巖控制中，可以通過(guò)增加支架初撐力來(lái)減小Δh，當(dāng)Δh趨近0時(shí)，基本頂與直接頂不發(fā)生離層，即相當(dāng)于基本頂?shù)臎_擊動(dòng)載系數(shù)Kd為2。事實(shí)上，由于直接頂和支架的彈性作用，會(huì)部分吸收基本頂巖塊的沖擊能量，緩解沖擊載荷，對(duì)于支架的實(shí)際載荷計(jì)算而言，Kd介于1～2之間。對(duì)于堅(jiān)硬頂板的工作面可取較大值。

3) 支架的支護(hù)強(qiáng)度p：

p=(QD+Fd)/A=(QD+KdQb)/S

(8)

式中：p為支架的支護(hù)強(qiáng)度；QD為直接頂及頂煤載荷；Fd為基本頂沖擊載荷；Kd為沖擊動(dòng)載系數(shù)；Qb為基本頂重量；S為支架的支護(hù)面積。

針對(duì)榆樹(shù)嶺煤礦的實(shí)際情況，基本頂?shù)臎_擊動(dòng)載系數(shù)Kd取1.5，計(jì)算得出的支架支護(hù)強(qiáng)度為0.735 MPa。

3.2.3 支架工作阻力確定

根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度、配套設(shè)備尺寸、支架頂梁長(zhǎng)度等計(jì)算支架工作阻力：

P=n·(LK+LD)Bp/(η1η2)×103=11 716 kN

(9)

式中:n為安全系數(shù)，1.1；B為架間距，B=1.5 m；η1為支護(hù)效率，由于立柱傾角較小，取0.95；η2為安全閥波動(dòng)系數(shù)，取0.95；p為頂板來(lái)壓強(qiáng)度，MPa；LK為空頂距，550 mm；LD為頂梁長(zhǎng)度，5 050 mm。

根據(jù)臺(tái)階式懸臂—砌體梁組合結(jié)構(gòu)理論、支架工作阻力動(dòng)載荷法的計(jì)算結(jié)果，考慮支架工作阻力留有一定富裕量，推薦選擇支護(hù)強(qiáng)度為1.0 MPa，支架中心距1.5 m，工作阻力10 000 kN的四柱支撐掩護(hù)式正四連桿低位放頂煤支架，初步選擇中部支架為ZF10000/23/45四柱正四連桿低位放頂煤。支架技術(shù)參數(shù)如表3所示，支架示意圖如圖7所示。

表3 支架技術(shù)參數(shù)

圖7 中部支架結(jié)構(gòu)(mm)

4 綜放面其他關(guān)鍵設(shè)備選型

4.1 綜放面采煤機(jī)選型

綜放面采煤機(jī)的選型不僅要在外形尺寸上滿(mǎn)足空間上的布置，還需要根據(jù)工作面的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力確定采煤機(jī)的生產(chǎn)能力、采高、截深、截割速度、牽引速度、牽引力和功率等參數(shù)。而采煤機(jī)的生產(chǎn)能力主要取決于采高、截深、牽引速度以及工作時(shí)間利用系數(shù)。

1) 滾筒直徑的選擇。雙滾筒采煤機(jī)的滾筒直徑應(yīng)大于最大采高的一半，雙滾筒采煤機(jī)的滾筒直徑按經(jīng)驗(yàn)公式：

D=(0.52～0.6)hmax

(10)

榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放面煤層采高為4.0 m，滾筒直徑應(yīng)大于2.18 m，考慮到煤層厚度變化，采煤機(jī)采高應(yīng)留一定富余系數(shù)，初步選取滾筒直徑為2 500 mm。

2) 截深的選擇。滾筒截深是采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)截-入煤壁的深度，截深的確定與煤層的壓張效應(yīng)、截割阻抗(截齒截割單位切削厚度所對(duì)應(yīng)的截割阻力)大小、煤層厚度、傾角、頂板穩(wěn)定性及采煤機(jī)穩(wěn)定性有關(guān)。采煤機(jī)在厚煤層中的工作截深宜大，根據(jù)目前采煤機(jī)的系列通用截深，選取采煤機(jī)的截深為0.8 m。

3) 滾筒轉(zhuǎn)速。滾筒的轉(zhuǎn)速對(duì)能耗、裝載、煤塵影響很大。采煤機(jī)截齒的最大切削厚度為：

(11)

可知，當(dāng)采煤機(jī)一條截線上安裝的截齒數(shù)m、牽引速度v一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n愈高，煤塵產(chǎn)生量愈大，截割部耗能也就愈高。在實(shí)踐中滾筒轉(zhuǎn)速愈高則循環(huán)愈快，采煤機(jī)裝煤效果不好。一般認(rèn)為滾筒的轉(zhuǎn)速控制在(30～40) r/min。

4) 采煤機(jī)生產(chǎn)能力。

(12)

式中：Qm為采煤機(jī)平均生產(chǎn)能力，t/h；Q為工作面平均日產(chǎn)量，9 091 t/d；B為采煤機(jī)截深，0.8 m；H為平均采高，4.0 m；γ為煤的容重，1.29 t/m3；C為割煤回采率，95%；L為工作面長(zhǎng)度，155 m；Lm為采煤機(jī)兩滾筒中心距，7 m；td采煤機(jī)返向時(shí)間，30 min；Hf放頂煤平均厚度，4.6 m；Cf為頂煤回收率，80%；Lf為沿工作面方向放頂煤面長(zhǎng)，155 m；K采煤機(jī)日生產(chǎn)時(shí)間系數(shù)，取0.75；i為采煤機(jī)割煤速度與空刀牽引速度之比，一般取0.66。

計(jì)算得出采煤機(jī)生產(chǎn)能力為706.0 t/h。采煤機(jī)最大截割能力一般為平均產(chǎn)能的1.5倍，即1 059.0 t/h。

5) 采煤機(jī)截割牽引速度。采煤機(jī)平均截割牽引速度Vc一般按下式計(jì)算：

Vc≥Qm/(60BHγCk)

(13)

式中：Vc為采煤機(jī)平均截割牽引速度，m/min；Qm為采煤機(jī)平均割煤生產(chǎn)能力；H為工作面平均采高，取4.0 m；B為截深，0.8 m；γ為煤的容重，1.29 t/m3；C為工作面割煤回采率，取0.95；k為采煤班開(kāi)機(jī)率，60%.

則采煤機(jī)平均割煤速度為6.26 m/min，最大割煤速度一般為平均速度的1.5倍，為9.39 m/min。

6) 采煤機(jī)裝機(jī)功率。裝機(jī)功率包括截割電動(dòng)機(jī)、牽引電動(dòng)機(jī)、破碎電動(dòng)機(jī)、液壓泵電動(dòng)機(jī)、機(jī)載增壓噴霧泵電動(dòng)機(jī)等電動(dòng)機(jī)功率總和。裝機(jī)功率由下式估算：

P≥72BHvmaxHw

(14)

式中：P為裝機(jī)功率，kW；B為截深，0.8 m；H為工作面平均采高，取4.0 m；vmax為采煤機(jī)最大割煤速度，取7.14 m/min；Hw為采煤機(jī)單位能耗，(Hw一般取(1.1～4.4) MJ/m3，即(0.31～1.22) kW·h/m3，硬煤及韌性煤取上限值，軟煤及脆性煤取下限值)，取0.7 kW·h/m3。

經(jīng)計(jì)算，綜采裝機(jī)功率應(yīng)不小于1 209.8 kW。

7) 采煤機(jī)選型。根據(jù)目前國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)情況，結(jié)合礦井煤層條件及開(kāi)采要求，并考慮到其它煤層的開(kāi)采，綜采(放)工作面初選MG550/1380-WD型無(wú)鏈電牽引雙滾筒采煤機(jī)。

4.2 綜放面前、后部刮板運(yùn)輸機(jī)選型

1) 運(yùn)輸能力。根據(jù)刮板輸送機(jī)的選型原則，前刮板輸送機(jī)的選擇應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足工作面生產(chǎn)要求，運(yùn)輸能力應(yīng)大于采煤機(jī)的割煤能力，由前面計(jì)算得出采煤機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力為706.0 t/h。前部刮板輸送機(jī)的輸送能力應(yīng)大于采煤機(jī)的生產(chǎn)能力的20%，因此選取的前刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)大于847.2 t/h。

工作面的放煤能力可由下式確定：

Qf=60HfSmγCf(1+Cg)Vfn

式中：Qf為工作面放頂煤能力；Hf為放煤高度，4.6 m；Cf為頂煤回收率，0.8；Cg為放出頂煤的含矸率，0.05；Vf為沿工作面平均的放煤速度，1 m/min；m為放煤寬度，1.5 m；n為放煤口的數(shù)量，1；S為放煤步距，1.6 m。

計(jì)算得出工作面的平均放煤能力為775.5 t/h。

工作面后部刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)滿(mǎn)足：

Qc≥KfKyQf

式中：Qc為刮板輸送機(jī)應(yīng)具有的運(yùn)輸能力，t/h；Kf為放煤流量不均衡系數(shù)，取1.7；Qf為工作面平均放煤能力，取775.5 t/h；Ky為運(yùn)輸方向及傾角系數(shù)，取0.9。

經(jīng)計(jì)算，工作面后部刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力應(yīng)不小于1 186.5 t/h。

2) 功率。工作面輸送機(jī)的重段、空段阻力W1與W2為：

W1=[q0(f1cosα-sinα)+q(f2cosα-sinα)]×9.8 L

W2=q0L(f2cosα+sinα)×9.8

式中:W1、W2為重段、空段阻力，N；q0為刮板輸送機(jī)每米刮板鏈的重量，取30 kg/m；q為每米刮板輸送機(jī)負(fù)荷，q=Qc/(3.6V)，Qc為前刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力，847.2 t/h，V為鏈速，取0.9 m/s；L為刮板輸送機(jī)的鋪設(shè)長(zhǎng)度，取155 m；f1為煤與刮板之間的摩擦因數(shù)，取0.7；f2為金屬板之間的摩擦因數(shù)，取0.4；α為輸送機(jī)的傾斜坡度，取10°。

經(jīng)計(jì)算，前刮板輸送機(jī)W1=111 009.9 N，W2=25 861.9 N；后刮板輸送機(jī)W1=146 062.4 N，W2=25 861.9 N。

刮板輸送機(jī)運(yùn)行所需的最大最小軸功率N1和N2為：

N1=KaK0(W1+W2)V/(1 000Kd)

N2=KbqLVcosα/(1 000Kd)

式中：Ka、Kb為功率備用系數(shù)，分別取1.15、1.20；Kd為傳動(dòng)效率，取0.83；K0為刮板彎曲段阻力因數(shù)，取1.12。

經(jīng)計(jì)算，前刮板輸送機(jī)N1=204.8 kW，N2=57.7 kW，后刮板輸送機(jī)N1=240.1 kW，N2=80.8 kW。

刮板輸送機(jī)所需的電機(jī)功率Np為：

式中：Np為刮板輸送機(jī)電機(jī)必備功率，kW；Kp為電機(jī)容量備用因數(shù)，取1.3。

經(jīng)計(jì)算，前刮板輸送機(jī)Np=310.6 kW，后刮板輸送機(jī)Np=375.9 kW。

由刮板輸送機(jī)的選型原則，選擇運(yùn)輸能力為1 500 t/h前、后刮板輸送機(jī)，經(jīng)査表得，選擇SGZ800/2×525型前、后刮板輸送機(jī)。

4.3 工程應(yīng)用

工作面設(shè)備總體選型配套結(jié)果如表4所示。

表4 110501綜放面設(shè)備總體選型配套結(jié)果

110501綜放面實(shí)測(cè)初次來(lái)壓步距為33.5 m，平均周期來(lái)壓步距為25.8 m，來(lái)壓期間支架立柱平均應(yīng)力為30.8 MPa，來(lái)壓期間平均動(dòng)載系數(shù)為1.11，整體來(lái)壓強(qiáng)度較小。

如圖8所示，因選取的采放比比較合理，煤壁維護(hù)效果好，沒(méi)有片幫出現(xiàn)。自2020年4月29日至2021年3月初，累計(jì)推進(jìn)850 m，110501綜放面煤炭回采率平均83%，頂煤冒放效果較好。

圖8 110501綜放面煤壁及頂板支護(hù)情況

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放工作面采放比設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用FLAC3D軟件分析綜放面回采過(guò)程中的煤巖破壞規(guī)律，結(jié)合工程類(lèi)比及不同采高下工作面頂煤的冒放性及煤幫破壞片幫特征數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，為了保證頂煤冒放性及采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性，割煤高度為4.0～4.2 m，采放比一般為1∶1.05～1∶1.15。

2) 綜合榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放面采高大、煤層及頂板雙硬覆存等條件，選定榆樹(shù)嶺煤礦110501綜放面放頂煤液壓支架架型為四柱低位放頂煤液壓支架。根據(jù)臺(tái)階式懸臂-砌體梁組合結(jié)構(gòu)理論、支架工作阻力動(dòng)載荷法的計(jì)算結(jié)果，選擇中部支架為ZF10000/23/45四柱正四連桿低位放頂煤。

3) 對(duì)采煤機(jī)選型問(wèn)題，工作面選取MG550/1380-WD型無(wú)鏈電牽引雙滾筒采煤機(jī)。對(duì)前、后部刮板運(yùn)輸機(jī)選型問(wèn)題，選取的前、后刮板輸送機(jī)為SGZ800/2×525型。