中厚偏薄煤層綜采設備配套方案的研究及應用

張長友

（河南煤業化工集團永煤公司 陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

通過統計各工作面相鄰鉆孔及相鄰巷道揭露煤厚情況發現,陳四樓煤礦煤層較薄，內部斷層發育較多，如果依據目前綜采設備配套方案，在回采過程中將產生大量矸石，對煤質的管理帶來很大難度，嚴重影響設備的使用壽命。 因此，根據采煤工作面的實際情況，優化出一套中厚偏薄煤層綜采設備配套方案是非常有必要的。

1 陳四樓煤礦回采工作面條件

對陳四樓煤礦2011 年-2013 年回采的工作面進行統計發現,許多綜采工作面煤層較薄，如：21202 外段工作面有一部分塊段煤厚較薄， 煤厚最小1.3m；21205 工作面及21207 工作面受煤層變薄區影響， 工作面內有較大面積的煤厚小于2.2m 的區域， 其中21205 工作面煤厚小于2.2m 的面積占工作面回采面積的10.7%，21207 工作面煤厚小于2.2m 的面積占工作面回采面積的45.2%；21002 切眼和21004 切眼靠近煤層變薄區，受此影響，切眼附近煤層厚度較薄；21112 工作面受煤層變薄區影響較大， 工作面煤層厚度小于2.2m 的塊段面積占工作面回采面積的46.5%。 如21205、21202、21002、21004 等工作面面內斷層較發育，過斷層時破巖量較多對煤質將有較大影響。 對我礦地質構造特征及煤層厚度進行統計分析，工作面內斷層發育較多，將各工作面煤厚小于2.2m 的情況詳細統計表1。 工作面推進至斷層處將不可避免的增加破巖量，各工作面受斷層影響情況統計見表2。

表1 各工作面受煤厚變薄影響情況

表2 各工作面斷層影響情況統計

2 綜采設備配套選型的思路和原則：

（1）根據采高合理優化設備配套方案，在過薄煤帶及斷層時，最大限度的減少回采時的破巖量，降低對煤質的影響，達到效益最大化。

（2）陳四樓煤礦副井罐籠允許最大裝車尺寸：4.8m×1.6m×2.1m（長×寬×高），設備的選型要滿足最大裝車尺寸。

3 液壓支架選型

3.1 陳四樓礦液壓支架架型的確定

3.1.1 液壓支架工作阻力的確定

(1)應用“傳遞巖梁”理論計算陳四樓煤礦支架工作阻力

1）煤層開采地段煤厚：最大采高3m；2）直接頂厚度泥巖巖厚度：7.35m；3）基本頂中粒砂巖ME：5.52m；4）支架對直接頂阻抗的預測核算：

其中：fZ: 支架合力作用點位置和采空區懸頂的力矩系數；MZ：直接頂厚度，取7.35m；γZ：直接頂泥巖容重，取2.5t/m3。

l： 支架合力作用點距煤壁的距離， 支架方案計算取值2.9m；LK：支架控頂距離，支架方案設計取支架頂梁長度和梁端距之和。 此處取4.1m；LS：直接頂懸頂距，直接泥巖，屬于易冒落頂板，取1m。

5）支架對基本頂抗阻的預測計算：

支架在對頂板給定變形條件下，對基本頂的阻抗力：

其中：ME：巖梁厚度，取5.52m；CE：周期來壓巖梁斷裂步距，取值20m；KT：巖梁重量比例系數，一般頂板條件下取2。

ΔhT：要求采場控制的下沉量，給變形條件下ΔhA=ΔhT。

ΔhA：采場支架在給定變形條件下的采場頂板下沉量。

SA：巖梁斷裂觸矸處的沉降值

SA=h-MZ（KA-1）

h：采煤的高度，取3m；KA：巖梁觸矸處冒落巖層碎裂系數，取1.3。

SA=3-7.35×（1.3-1）=0.795m。

ΔhA=LK×SA/CE=4.1×0.795/20=0.16m。

PB=ME×γE×CE/KT×LK=5.52×2.5×20/(2×4.1)≈33.65 （t/m2）=0.3365MPa。

6）支架抗阻的確定：

頂板所需最小抗阻力（支護強度）為：

PT=PA+PE=PA+PB（ΔhA/ΔhT） =0.20 +0.3365MPa =0.5365 MPa。

qZ=PT/η=0.5365/（0.85～0.95）=0.56～0.63。

η-支護效率 0.9（η 一般取0.85～0.95 之間）。

7）支架工作阻力的確定：

P=qZ（LK+LD）B

式中：P-支架工作阻力（kN）；LK-梁端距0.41m；LD-頂梁長度3.69m；B-支架寬度1.5m；P=（0.56～0.63）×103×（0.41+3.69）×1.5≈3444～3875kN

(2)巖重法計算支架工作阻力

巖重法是以支架承受的頂板載荷與開采厚度近似成直線關系增長的觀點來確定支架的載荷，單位面積上支架承受載荷相當于6～8 倍采高巖石重量。

P=KD9.8Nhγ

P—支護強度，kN/m2；N—支架載荷相當采高巖重的倍數，取N=7.4；h—煤層的采高， 取3.0m；γ—頂板巖石的密度，2.5×103kg/m3；KD—動載系數，取1.3。

則P=1.3×9.8Nhγ=1.3×9.8×7.4×3×2.5×103/106=0.707MPa。

根據配套設備計算支架工作阻力：PN=PS=0.707×106×1.5×4.1/103=4348kN。

(3)冒落充填法計算支架工作阻力

支護強度：

PS=n·M/（KP-1）·γ

式中：PS—支護強度，kN/m2；M—采煤高度，3.0m；KP—碎漲系數，取1.3；n—支架受力不均勻系數，根據煤層取2.5；γ—頂板巖石容重，2.5t/m3。

代入上式

支護強度P·S=2.5×3/(1.3-1)×2.5×9.8=612.5kN/m2。

液壓支架工作阻力QS=Ps·(Bc·Sc)。

式中：QS—支架工 作阻力，kN；PS—支護強度，kN/m2；BC—支架控頂距離，取4.1m；SC—支架中心距，1.5m。

液壓支架工作阻力QS=612.5×（4.1×1.5）=3767kN。

陳四樓煤礦已使用過的液壓支架型號有ZY3800、ZY4000、ZY3200、ZY3500 型，其中ZY3500 液壓支架在2006 年4 月份21104 工作面使用中，15 架液壓支架大立柱穿頂或穿底，2 架支架四連桿斷裂，5 架掩護梁、四連桿、頂梁的大銷軸孔變形嚴重。

ZY3500 液壓支架使用損壞情況統計表

結論：以上三種計算方法進行比較，結合陳四樓煤礦之前支架的使用情況，考慮到一些不確定因素，支架工作阻力應當適當富裕提高，液壓支架的工作阻力選取3800kN 是合適的，支護強度0.56～0.63（f=0.2）。

3.2 支架高度的確定

目前陳四樓煤礦配套設備合理最低采高為2.2m， 若工作面最小采高由目前的2.2m 降為1.9m，2011-2013 年共可減少出矸量14 萬t。為減少出矸量，支架最低支撐高度確定為1.4m；同時根據煤層賦存厚度情況， 支架最高支撐高度確定為3.0m。建議液壓支架采高范圍設計為1.4～3.0 米。

經過以上計算與分析， 最終確定液壓支架的架型為：ZY3800/14/30 型掩護式液壓支架。

4 采煤機選型

采煤機的選型是能否實現效益最大化是關鍵。 采煤機的選擇重點是以下幾點。

4.1 功率的選擇

采煤機功率的確定一般主要看所切割的煤及巖石的硬度與韌性，我礦的斷層構造多且發育，工作面過斷層時是機電設備最容易出現問題的時候，易發生片幫冒頂，減緩推進，壓力超前，造成惡性循環。 為保證過斷層構造時具有切割巖石的能力，加快過斷層的速度，最大限度的減少破巖量，故該礦應選擇大截割功率采煤機。

4.2 機面高度的選擇

根據陳四樓煤礦煤層厚度進行選擇， 可采厚度0.8～3.85m，平均厚度2.45m，為最大限度的減少對煤質的影響，減少正常回采時的破巖量,認為采煤高度應控制在1.8～2.8m，采煤機的機面高度對最低采高過機空間無影響的同時，不僅要求采煤機功率、切割能力應盡量大，也要求機面高度盡可能低一些，以保證最低采高時采煤機的穩定性， 采煤機機身高度選擇應在1.1～1.3m 之間。

4.3 技術先進性的選擇

目前，國內外采煤機的發展主流為交流電牽引采煤機，采煤機先進性體現在其性能穩定， 自動化程度 高，便于人工操作，故障率低等方面。

4.4 采煤機選型確定

根據上述分析， 陳四樓煤礦中厚偏薄煤層采煤工作面最終選用天地科技股份有限公司生產的型號為MG300/720-WD的采煤機。 MG300/720-WD 型采煤機采高范圍為1.5～3.4m，機面高度1.22m，適合在中厚偏薄煤層采煤工作面使用。

5 綜采工作面刮板運輸機的選型

根據工作面生產能力的要求及采煤機、 運輸機的配套關系，結合近幾年綜采工作面“三機”配套的成熟經驗，工作面運輸機的可靠性和壽命至關重要。 所以運輸機選型要重型化、高可靠性、高壽命，本套設備配套時選型為SGZ-730/400 型。 考慮到陳四樓煤礦三年規劃中個別工作面達到220m, 為了提高效率， 將功率增加到2×315kW， 刮板運輸機選型為SGZ-900/2×315。

6 結束語

MG300/720-WD 型采煤機、ZY3800/14/30 型掩護式液壓支架、SGZ-730/400 型刮板運輸機在中厚偏薄煤層綜采設備配套方案的配套使用，可以減少設備故障的發生，提高設備使用壽命，同時又可提高生產效率，滿足現代礦井安全高效的生產。

[1]李星宇.煤礦綜采新工藝新技術與機械設備選型實用手冊[M].北京：中國知識出版社，2005

[2]翟剛，劉瑾等.綜采技術手冊（上、下冊）[M].北京：煤炭工業出版社，2001