大傾角薄煤層綜采工作面配套優化設計

李 剛

（貴州省煤礦設計研究院，貴州 貴陽 550000）

貴州省松河煤業位于貴州省六盤水市，地理坐標為東經104°35′38″～104°45′5″，北緯26°2′30″～25°57′45″。該礦井為煤與瓦斯突出礦井，礦井通風方式為分區式，通風方法為抽出式，設計能力240萬t/a[1]。礦井自投產以來，一直采用綜合機械化采煤的回采工藝方式。基于礦井煤田的地質條件及煤層賦存特征，煤層傾角約為30°，根據礦井巷道掘進布置方式，采煤工作面選擇單一走向長壁后退式采煤方式，頂板管理采用部分人工冒落法。根據該礦區煤層賦存特征，參與三機配套及選型設計，優化方案如下。

1 采煤機設計選型

1.1 采煤機選型原則

（1）由于采煤機長期處于額定功率會引起電機燒損，該礦區地質構成復雜，存在較多的隱伏小斷層，因此應有足夠大的電機功率，適用的煤質硬度范圍為略大于煤及煤矸石的硬度系數f。

（2）在空間與機械關系上，采煤機應與刮板輸送機、轉載機、液壓支架相配套。

（3）為了適應回采面煤層厚度的變化，應配備各種規格直徑的滾筒，并采用雙滾筒。

（4）該礦區根據設計年生產能力及井下工作面接替安排，采煤機的選型應同時考慮其他主采煤層的開采，保證生產能力。

1.2 采煤機選型

根據采煤機選型的主要原則，為保證所選采煤機適應主采煤層的開采，并保證主采煤層生產能力。(3號煤層工作面采煤機均按150萬t/a）

（1）生產能力選型

采煤機每小時生產能力為：

綜采工作面采煤機小時生產能力Qh（t/h）為648t/h。

（2）綜采工作面采煤機平均牽引速度V（m/min）

11采區3號煤綜采工作面采煤機平均牽引速度：V=3.9m/min，12采區3號煤綜采工作面采煤機平均牽引速度：V=5.07m/min。

（3）計算工作面采煤機所需裝機功率N（kW）

工作面采煤機所需裝機功率包括截割電動機、牽引電動機、破碎機電動機、液壓泵電動機、機載增壓噴霧泵電動機等所有電動機功率總和[2]。裝機功率與比能耗HW和采煤機小時生產率有關。

N=Qh×HW

式中：

N-采煤機所需裝機功率，kW；

Qh-采煤機小時生產率，t/h；

HW-截割比能耗，根據該礦區煤質硬度系數及夾矸情況選取HW=0.5。

3#煤綜采工作面采煤機功率N=324kW。

（4）采煤機截割阻抗分析

采煤機截割阻抗，即抗切削強度α標志著煤巖的力學特征，是選取采煤機裝機功率的基本依據，該礦區為肥煤、焦煤、瘦煤，屬中硬煤，f=1.5～3.0，α在1.8～3.6kN/cm之間。11、12采區3號煤層平均厚分別為2.55m、2.05m，經計算采煤機生產能力最大為11.7t/min。根據以上分析和采煤機裝機功率推薦值要求，采煤機裝機功率必須大于450kW以上。

（5）采煤機所需牽引力的確定

影響采煤機牽引力的因素很多。煤質越堅硬，牽引速度越高，采煤機越重，工作面傾角越大則牽引力就越大。據經驗統計，采煤機的牽引力數值為裝機功率數值的0.5倍左右。

（6）確定滾筒直徑

滾筒直徑一般按最大采高的0.6倍來考慮，本礦井煤層厚度變化較大，11、12采區3號煤層平均厚分別為2.55、2.05m，最大采高考慮在3.3m之內，則該礦區可選用1.6m標準滾筒直徑，采高范圍在1.6～3.2m，能滿足要求。

根據采煤機小時生產能力、功率、牽引速度的計算結果及采煤機所需牽引力、截割阻抗、滾筒直徑的計算分析，3號回采面采煤機選型最終定為電頻電牽引AWD-400/930型。

2 刮板輸送機設計選型

2.1 刮板輸送機選型原則

（1）設計輸送能力應大于同采面采煤機的預期生產能力；

（2）與工作面長度相適應的運輸機實際鋪設長度，并能夠保證實時調整輸送能力；

（3）尺寸應與其他機械配套設備要求相適宜，溜槽強度能夠承受采煤機工作所產生的動壓力和靜壓力。

2.2 刮板輸送機運輸能力計算

刮板輸送機運輸能力按下式計算：

Q=60×V×h×b×γ×K1×K2×K3

11采區3號煤綜采面刮板輸送機的運輸能力Q=784t/h，12采區3號煤綜采面刮板輸送機的運輸能力Q=771t/h。

據以上計算，刮板輸送機與采煤機的小時生產能力比：

784/648～771 /648=1.21～1.19

因采煤機計算功率只需3號煤324kW，則刮板輸送機裝機功率P=392kW。

2.3 確定刮板輸送機的設計長度

3#煤層綜采工作面長度為180m，故刮板輸送機的設計長度為180m。根據以上分析，3號煤層綜采工作面均選用SGZ800/400型可彎曲刮板輸送機，輸送量為1000t/h，滿足采煤機生產能力與設計生產要求。

3 液壓支架設計選型

3.1 液壓支架選型原則

（1）頂板級別：直接頂和基本頂的分類、級別和性質一定程度上決定了架型及液壓支架的工作方式、支護強度[3]。掩護式或帶有護幫裝置的支架應用較為廣泛；

（2）底板強度或軟硬程度決定了支架承載底座的結構和面積，分為整體剛性結構、分式剛性結構、左右分體結構。同時支架底板支護阻力、底板的允許比壓以及礦壓相適宜；

（3）煤層傾角：主要決定了液壓支架選型的穩定性。《煤礦安全規程》規定：傾角大于12°，支架應采取防滑裝置；傾角大于18°時，應同時裝有防滑、防倒裝置；

（4）煤層厚度：直接決定了支架的伸縮范圍，是支架選型的重要指標。采高小于1.3m時，選擇掩護式或支撐掩護式，主要考慮其通風斷面及作業空間；

（5）瓦斯：西南地區喀斯特地貌條件下，井田多屬于煤與瓦斯突出礦井，支架選型多采用通風斷面大的結構形式，如支撐式和支撐掩護式支架。

3.2 煤層頂、底板分類

參照直接頂分類指標及參考要素，暫將3號煤頂板劃分為Ⅱ類Ⅱa型頂板，即煤層頂板中等穩定[4]。該礦區3號煤底板多為泥巖或粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖。根據地質報告提供的物理力學試驗指標，參照回采工作面底板分類指標，暫將3號煤底板劃分為Ⅳ類，即底板中硬。

3.3 液壓支架支護強度

選擇合理的液壓支架，能夠避免因支護強度過大而增加支架重量和設備資金投入，同時能夠減少搬運、安裝時不必要的困難。而選型強度過小則會造成其維護困難，導致頂板過早破碎、離層、冒落，給煤礦生產安全帶來隱患。經驗計算法確定3號煤層支架的支護強度：

P=a×M×γ＝0.55～0.73MPa

式中：

P-液壓支架的支護強度，t/m2或MPa；

a-頂板中等穩定，范圍6～8，取8計算；

M-最大采高，m；

γ-頂板巖石容重，2.64t/m3。

3.4 支架結構高度的選擇

該礦區各煤層厚度變化較大，適于綜采工作面最大采高3.4m。最小采高1.4m，液壓支架最大及最小工作高度按下式確定：

H大=M大-S1+200=3.5mH小=M小-S2-a-c=1.1m

3.5 液壓支架選型分析

該礦區首采面3#煤平均厚度在2m以上，結合計算結果，應采用型號為ZZ4000/16/34型的支撐掩護式支架[6]，特點是支撐強度較大，通風斷面大。

4 結語

大傾角薄煤層綜采工作面的三機配套及選型表明：

（1）煤層傾角較大的采面選用的液壓支架是近水平液壓支架工作阻力的1.1～1.3倍，適當的提高液壓支架的工作阻力，可以保證液壓支架和采面刮板輸送機不會下滑。

（2）采面刮板輸送要選用底板帶防滑條的封閉式刮板輸送機，刮板輸送機的功率根據煤層的厚度和采面的傾角，要選擇動力部功率比近水平工作面功率小0.1～0.3倍。

（3）采煤機的選型不僅要結合煤層的厚度，還要關注煤層的構造及質量，確保采煤機能夠適應本煤層的回采速率和采面的工程質量。