官地礦13601工作面設備的選型研究

王海棟

（西山煤電集團官地煤礦， 山西 太原 030023）

引言

目前煤炭資源雖然在我國能源消費比例略有下降，但在未來的很長一段時間內，仍占據著舉足輕重的地位。隨著科學技術的不斷發展，煤礦工作面也朝著機械自動化、大型化的方向發展。為保證礦井工作面的安全高效開采，必須保證工作面機械設備的協調性和合理性[1-2]。因此，工作面開采的首要條件就是選取合適的工作面機械設備。

許多研究學者針對各種不同地質環境下的工作面設備選型進行了研究。唐永志[3]采用數值模擬和力學分析的手段確定了工作面的液壓支架型號；白燕青[4]采用理論計算確定了工作面“三機一支”的具體型號；李超[5]針對寺河礦的大采高工作面進行設備選型。本文針對官地礦13601工作面具體地質條件進行設備選型研究。

1 工程概況

官地煤礦1960年正式建礦，是經過多次擴建而成的大型國有礦井，核定生產能力為500萬t/a。13601工作面所采煤層為3號煤層，位于南六采區南翼，東北側為13513工作面采空區，與本工作面最近距離為182 m，西南側為未采區。工作面上部為12601、12603工作面采空區。2號、3號煤層間距約12 m。地面位于要子莊東側山梁，其地表以要子莊村耕地為主，黃冶河從該工作面北側外穿過。蓋山厚度244～262 m，平均厚度 257 m。

13601工作面正巷設計長度為510 m，副巷設計長度為670 m，切眼設計長度為210 m，3號煤層厚度2.97～3.38 m，平均厚度為3.2 m，煤層傾角4°～12°。13601工作面正、副巷采用矩形斷面凈寬4.2m、凈高3 m；切眼采用矩形斷面凈寬6.5 m、凈高3 m。工作面頂底板巖層如表1所示。

表1 工作面技術參數

根據官地礦13601工作面煤層厚度及頂底板巖性條件，選用走向長壁后退式綜采方法，全部垮落管理頂板。

2 工作面設備的選型

2.1 支架的選型

根據官地煤礦13601工作面具體地質條件，選擇ZY8000/25/50掩護式液壓架來進行驗算。

2.1.1 支架支護強度的計算

支架支護面積S=4.2×1.75=7.35 m2，其中4.52 m為支架頂梁接觸面長度；

額定工作阻力Q支=8 000 kN；

支架的支護強度P=8 000÷7.35=1 088 kPa≈1.09 MPa。

2.1.2 工作面支護的設計計算

式中：R為頂板巖層的巖石容重，取2 600 kg/m3；H為最大采高，取3.38 m；g為重力常數為9.8 N/kg；P1為8倍最大采高計算得到的上覆巖層所需要的支護強度，MPa。代入數據計算得P1=689×103Pa≈0.69 MPa。

ZY8000/25/50型支架的支護強度P=1.09 MPa，大于P1=0.69 MPa，因此可以滿足支護強度的要求。

2.1.3 工作面液壓支架所需要的工作阻力的計算式中：F為支架所需要的工作阻力，N。代入數據計算得F=521 591 N，所選ZY8000/25/50支架的額定工作阻力為8 000 000 N，大于F，因此ZY8000/25/50型支架能滿足工作面要求。

2.1.4 液壓支架初撐力的計算

由于15311工作面頂板巖層屬于中等穩定巖層，因此支架初撐力F'取液壓支架工作面阻力的80%進行計算，即F'＝80%F=521 591×80%=417 273 N。

所選支架的額定初撐力為639 kN，大于F'，可見支架初撐力能滿足要求。

2.1.5 支架高度的計算

式中：Mmax、Mmin分別為采煤工作面的最大采高、最小采高；Hmax、Hmin分別為液壓支架的最大、最小結構高度。

根據ZY-9600/25.5/55型掩護式支架型號得知，該支架最大高度為5.0 m，最小高度為2.5 m，由以上公式計得可知，該支架滿足采高要求。

2.1.6 支架綜合技術特征

本文所選ZY8000/25/50型掩護式支架完全可以符合13601工作面要求，如表2所示。

表2 ZY8000/25/50型掩護式液壓支架的技術特征表

2.2 采煤機的選型

采煤機是工作面開采的主要機械設備，采煤機的選取主要由采高、截深、功率、牽引方式等主要參數來進行選取，根據官地礦13601工作面的具體參數計算如下。

2.2.1 滾筒直徑的選擇

根據現有工作面經驗，選取雙滾筒采煤機。根據工程經驗，可以得到采煤機采高與煤層厚度之間的關系。

式中：H'min、H'max分別為采煤機最小、最大采高，m。

2.2.2 截深的選擇

根據工作面煤層具體參數及液壓支架的具體參數，選取采煤機截深為800 mm。

2.2.3 牽引速度的計算

式中：QH為工作面小時產量，工作面日產量取5 000 t，QH＝5 000/18=277.8 t/h；K為工作利用時間系數取0.3；γ為煤容重，1.42 t/m3；H為采高，取工作面平均采高3.26 m；B為截深，0.8 m，Vg為采煤機所需牽引速度，m/min。

將以上數據代入公式計算得Vg=4.24 m/min。

2.2.4 裝機容量的計算

式中：Kb為備用系數，取1.5；B為采煤機截深，0.8 m；H為工作面平均采高，3.2 m；Hw為采煤機單位能耗，0.65～0.85 kWh/m3，結合本礦煤層的具體情況，考慮取Hw=0.85 kWh/m3；Vave為采煤機平均割煤速度，取4.24 m/min；N為采煤機裝機功率，kW。

代入數據計算得N=830 kW。

2.2.5 采煤機綜合技術特征

根據上述計算，按照采煤機總裝機功率大于830 kW的原則、截深需0.8 m和滾牽引速度為4.24 m/min的參數要求，結合地質條件和設備配套情況及礦井現有設備綜合考慮，確定選用煤機型號為MG500/1140-GWD型采煤機，具體各項參數見表3。

表3 MG500/1140-GWD型采煤機主要技術特征

2.3 刮板輸送機的選型

輸送機運輸能力的確定

式中：Ks為運輸方向與煤層傾角之間不均勻系數，取0.9；Ky為輸送機裝貨的不均勻系數，取1.5；Kc為采煤機與輸送機的相對修正系數，Kc＝Vn/（Vn±V'g）＝1.13×60/（1.13×60±4.24）＝0.94～1.07；Vn、V'g為輸送機鏈速（1.13 m/s）和割煤速度（4.24 m/min），它們方向相同時取“-”，相反取“+”。

代入可得Qb＝（0.94～1.07）×1.5×0.9×277.8＝353～402 t/h，因此，所選刮板輸送機型號輸送能力需要大于402 t/h，才能滿足生產的要求。

設計工作面長度為210 m，因此所選刮板輸送機型號長度應≥210 m，保證滿足工作面的正常回采需求。

根據以上兩個控制指標進行選取，可以得到SGZ-764/630型雙鏈刮板輸送機可以滿足工作面需求，具體參數見下頁表4。

表4 SGZ-764/630型刮板輸送機技術特征表

3 結語

針對官地礦13601工作面設備選型問題，通過理論計算和工程經驗、三機配套原則，確定了工作面設備的各項控制參數，最終確定了液壓支架型號為ZY8000/25/50型掩護式液壓支架，采煤機型號為MG500/1140-GWD型采煤機，工作面刮板輸送機型號為SGZ-764/630型刮板輸送機。