大采高綜放工作面開采設(shè)備選型研究

姚慧芳

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

綜采放頂煤技術(shù)是我國開采厚煤層最常用的方法。工作面開采設(shè)備的合理選型是保障礦井安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。對(duì)于設(shè)備選型，首要就是要與煤層實(shí)際地質(zhì)條件相適應(yīng)。其次，所選設(shè)備要滿足工作面的生產(chǎn)能力，保證礦井的經(jīng)濟(jì)效益。最后，開采設(shè)備之間要相互配套，設(shè)備結(jié)構(gòu)相互匹配[1-2]。

某礦主要開采4—5號(hào)煤，煤層厚度平均為8.5m，采用低位放頂煤技術(shù)開采，初步擬定采煤機(jī)割煤高度為4.0 m，放煤高度為4.5 m，采放比為1∶1.125，屬于大采高綜放開采。本文以該礦實(shí)際地質(zhì)條件為背景，對(duì)工作面“三機(jī)”進(jìn)行配套選型。

1 液壓支架選型

1.1 確定支架工作阻力

液壓支架的合理選型是保障工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而支架選型的重點(diǎn)就在于工作阻力的確定[3]。對(duì)于綜放開采，液壓支架所承受載荷應(yīng)為頂板冒落巖層質(zhì)量和頂煤自重之和，再考慮一定動(dòng)載系數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：q為支架的支護(hù)強(qiáng)度，kPa；Kd為基本頂來壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，可取1.4；qd、qm分別為頂煤與頂板冒落巖層的質(zhì)量，kg，可由公式（2）、（3）計(jì)算得到。

式中：γd為頂煤平均容重，取15 kN/m3；Md為頂煤厚度，取4.5 m；γm為冒落巖層平均容重，取25 kN/m3；Cf為頂煤放出率，取0.75；M為煤層厚度，取8.5 m；Kp為巖層碎脹系數(shù)，取1.3。將數(shù)據(jù)代入公式（1）、（2）、（3），可得工作面支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為 594.25 kPa。

液壓支架的工作阻力與支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系由公式（4）所示：

式中：P為支架工作阻力，kN；Ks為安全系數(shù)，取1.3；Lk為支架梁端距，取0.5 m；LD為頂梁長度，取5.5 m；B為支架寬度，取1.75 m。將數(shù)據(jù)代入公式（4），可得支架工作阻力應(yīng)大于8 111.51 kN，考慮煤層埋深較大，可適當(dāng)增大支架阻力。

1.2 確定支架高度

支架高度主要與采煤機(jī)的割煤高度，針對(duì)該礦實(shí)際地質(zhì)條件，煤層厚度為8.5 m，最大割煤高度為4.0 m，最小割煤高度為3.2 m，則支架高度為：

式中：Hmax、Hmin分別為支架的最大、最小高度，m；Mmax、Mmin分別為采煤最大、最小割煤高度，分別取4.0 m和3.2 m；hf為液壓支架伸縮量富裕系數(shù)，一般取0.2 m；a為支架卸載高度，取0.1 m。將數(shù)據(jù)代入公式（5），可得支架最大高度為4.2m，最小高度為3.1m。

1.3 確定支架型號(hào)

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，選定ZFY10200/25/42型掩護(hù)式支架，其具體支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 支架基本參數(shù)

由表1可以看出，該型液壓支架基本參數(shù)完全滿足礦井需求。

2 采煤機(jī)選型

2.1 確定滾筒直徑

一般來講，采煤機(jī)滾筒直徑應(yīng)為最大采高的0.55～0.6倍，由前面的分析可知，工作面最大割煤高度為4.0 m，則采煤機(jī)滾筒直徑應(yīng)為2.2～2.4 m，考慮工作面靠近皮帶機(jī)一端需適當(dāng)增大挖底量，因此，確定采煤機(jī)的滾筒直徑為2.5 m。

2.2 確定機(jī)面高度

采煤機(jī)的機(jī)面高度應(yīng)與液壓支架最小高度存在一定余量空間，以適應(yīng)煤層的起伏變化。采煤機(jī)的機(jī)面高度為：

式中：hc為采煤機(jī)機(jī)面高度，mm；ξ為采煤機(jī)與支架之間的余量，取150 mm；ld為支架頂梁厚度，取200 mm；M'min為支架實(shí)際最小高度，取2.5 m。將數(shù)據(jù)代入公式（6），得采煤機(jī)的機(jī)面高度為2 150 mm。

2.3 確定采煤機(jī)功率

采煤機(jī)的平均落煤能力可表示為[4]：

式中：Qm為采煤機(jī)平均落煤能力，t/h；Q為工作面每日產(chǎn)量，設(shè)計(jì)工作面年產(chǎn)量為500萬t，年生產(chǎn)天數(shù)為330 d，則日產(chǎn)量為15 152 t/d；B'為采煤機(jī)截深，可取0.865 m；C為工作面回采率，取0.95；L為工作面長度，取300m；Lm為采煤機(jī)滾筒中心距，取13.8 m；Td為采煤機(jī)反向時(shí)間，取1 min；Kj為采煤機(jī)開機(jī)率，取0.5；Tr為采煤機(jī)每日工作時(shí)間，取1 080 min；Cf為頂煤放出率，取0.75；μ為采煤機(jī)采煤時(shí)與不采煤時(shí)的牽引速度比，取0.42。將數(shù)據(jù)代入公式（7），可得采煤機(jī)的平均落煤能力為1 776 t/h。

通過采煤機(jī)落煤能力可計(jì)算得到平均割煤速度為：

式中：Vc為采煤機(jī)平均割煤速度，m/min。代入數(shù)據(jù)，可得采煤機(jī)平均割煤速度為2.68 m/min。

考慮采煤機(jī)工作時(shí)存在一定不均衡性，則采煤機(jī)最大牽引速度為：

式中：Vmax為采煤機(jī)最大牽引速度，m/min；Kb為采煤機(jī)不均衡系數(shù)，取1.5。代入數(shù)據(jù)，可得最大割煤速度為3.93 m/min。

式中：P為裝機(jī)功率，kW；Hw為單位能耗，一般可取0.8 kW·h/t，則可計(jì)算出采煤機(jī)的功率應(yīng)為1 411 kW。

2.4 確定采煤機(jī)型號(hào)

根據(jù)前面的計(jì)算分析，推薦工作面采用MG650/1630-WD型交流電牽引采煤機(jī)，其主要參數(shù)如表2所示。由表2可以看出，該型采煤機(jī)基本參數(shù)完全滿足礦井需求。

3 刮板運(yùn)輸機(jī)選型

刮板運(yùn)輸機(jī)選型的關(guān)鍵在于要滿足工作面的生產(chǎn)能力[5]，對(duì)于綜放工作面，分為前部和后部兩個(gè)刮板運(yùn)輸機(jī)，下面分別進(jìn)行選型計(jì)算。

表2 采煤機(jī)基本參數(shù)

3.1 確定前部刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力

工作面前部刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力要滿足采煤機(jī)的割煤能力，其表達(dá)式為：

式中：Qq為前部刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力，t/h；Ky為運(yùn)輸機(jī)方向與傾角的修正系數(shù)，取1.0；Kv為運(yùn)輸機(jī)與采煤機(jī)同向時(shí)的修正系數(shù)，取1.05。代入數(shù)據(jù)，可得工作面前部運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力不小于2 797 t/h。

3.2 確定后部刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力

工作面后部刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力要滿足頂煤的放煤能力，其表達(dá)式為：

式中：Qf為頂煤放煤能力，t/h；Cg為頂煤含矸率，取0.3；Vf為工作面平均放煤速度，取3 m/s。將數(shù)據(jù)代入，可得頂煤放煤能力不小于1 024.7 t/h。

則后部刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力為：

式中：Qh為后部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力，t/h；Kf為頂煤放出不均衡系數(shù)，取1.8。將數(shù)據(jù)代入，可得后部刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力不小于1 844.46 t/h。

3.3 確定刮板運(yùn)輸機(jī)功率

考慮前、后部運(yùn)輸機(jī)的通用性，前、后可選用同一型號(hào)運(yùn)輸機(jī)，現(xiàn)以前部運(yùn)輸機(jī)為例，計(jì)算刮板運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)功率，首先確定運(yùn)輸機(jī)上每米的煤重為：

式中：qb為刮板運(yùn)輸機(jī)每米煤重，kN/m；Qe為運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)量，取3 000 t/h；Vy為運(yùn)輸機(jī)刮板鏈速，取1.54 m/s。將數(shù)據(jù)代入公式（14），可得運(yùn)輸機(jī)每米煤重為5.3 kN/m。

刮板運(yùn)輸機(jī)的上鏈拉力為：

式中：Fs為上鏈拉力，kN；qk為每米刮板鏈自重，取1.3 kN/m；L為工作面長度，取300 m；I為橫向傾斜率，取1；Cq為運(yùn)輸機(jī)曲率，取1.08；C0為上鏈阻力系數(shù)，取0.42；α為運(yùn)輸機(jī)上運(yùn)角度，取10°。將數(shù)據(jù)代入公式（15），可得運(yùn)輸機(jī)上鏈拉力為656.08 kN。

刮板運(yùn)輸機(jī)的下鏈拉力為：式中：Fx為下鏈拉力，kN；Cu為下鏈阻力系數(shù)，取0.4。將數(shù)據(jù)代入公式（16），可得運(yùn)輸機(jī)下鏈拉力為60.56 kN。

因此，可以算出刮板運(yùn)輸機(jī)的實(shí)際消耗功率為：

式中：Py為刮板運(yùn)輸機(jī)總消耗功率，kW；A為傳動(dòng)功率，取0.95。將數(shù)據(jù)代入公式（17），可得刮板運(yùn)輸機(jī)的總消耗功率為1 161.71 kW。

3.4 確定刮板運(yùn)輸機(jī)型號(hào)

根據(jù)前面的計(jì)算，前、后部刮板運(yùn)輸機(jī)均推薦使用SGZ-1000/2000型雙中心鏈可彎曲刮板輸送機(jī)，其主要參數(shù)如表3所示。

由表3可以看出，該型刮板運(yùn)輸機(jī)基本參數(shù)完全滿足礦井需求。

表3 刮板運(yùn)輸機(jī)主要參數(shù)

4 結(jié)論

根據(jù)某礦大采高綜放工作面實(shí)際地質(zhì)條件，為工作面開采設(shè)備進(jìn)行合理選型，最終選擇ZFY10200/25/42型液壓支架、MG650/1630-WD型采煤機(jī)和SGZ-1000/2000型刮板輸送機(jī)。所選設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果，完全滿足了礦井的生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)了工作面的長期安全、高效生產(chǎn)。