綜合機械化采煤在急傾斜厚煤層的應用

賈文厚， 畢建軍

（1.山西寧武大運華盛能源集團有限公司， 山西 寧武 036700；2.山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司， 山西 寧武 036700）

煤炭是我國的主要能源，其在未來很長一段時間內仍然占據我國能源結構的主導地位。我國煤炭資源廣泛分布于四川、內蒙、山西、黑龍江等地，分布區域較廣，煤層特征相對復雜。因此，各地所適用的最佳采煤工藝不盡相同。對于傾斜煤層而言，占據我國煤炭資源儲量的30%左右，而急傾斜煤層所占比例為10%[1]。當前，我國對緩傾斜煤層的開采工藝已十分完善，其對應的機械化裝備水平也不斷提高。而對于急傾斜煤層而言，其研究成功過還處于起步狀態，緊張緩慢，導致急傾斜煤層的開采效率較低。故，本文開展綜合機械化采煤工藝在急傾斜煤層中的應用，為提升產煤效率和產量奠定基礎。

1 工程概況

本文所以3102 工作面為研究對象，該工作面的走向長度為1 035 m，傾斜長度為142 m，煤層傾角范圍為44°~50°，平均傾角為46°，屬于急傾斜煤層。工作面煤層的厚度為1.47~3.60 m，平均煤層厚度為2.45 m。經勘探可知，該工作面煤層總儲量為49 萬t，可開采的煤炭總量為47.5 萬t。

工作面頂底板情況分析：工作面煤層頂板自上而下的構造為灰黑色泥巖—深灰色石灰巖（厚度為15 m）—灰色泥巖直接頂（平均厚度為15.3 m）。煤層底板自上而下的構造為炭質和泥巖夾黏土層的直接底（平均厚度為4.2 m）—深灰色石灰巖的老底（平均厚度為6.3 m）。綜合分析，工作面煤層的頂底板情況可知，其巖性結構相對穩定，層理清晰。且工作面的煤塵濃度較高，具有爆炸性，存在煤與瓦斯的突出危險[2]。

目前，該工作面采用兩班生產，一般準備的工作模式，且每班的工作時長為8 h。采煤機采用斜切進口方式，通過雙向割煤，實現一次割兩刀的生產，循環推進距離為0.6 m。

2 綜合機械化生產設備的配套原則

我國煤礦工作面長度較大，要求其配套綜采設備的裝機功率較大。因此，工作面綜合機械化采煤設備配套的總體原則為：大功率、高可靠性、高強度。采煤機、刮板輸送機以及液壓支架為綜采機械化生產的關鍵設備，其各個設備的配套原則如下：

1）采煤機配套原則。保證采煤機具有足夠的牽引力和制動力，具備遠程操作控制功能，具備較強的橫向穩定能力，具備變頻控制、牽引和截割功能合一適用于急傾斜煤層的采煤機。

2）液壓支架配套原則。能夠為工作面頂底板提供穩定的工作阻力和合理的底板比壓，質量輕型化、可靠性高，具備防倒防滑功能，具備電液控制等功能的液壓支架。

3）刮板輸送機配套原則。確保輸送機具有足夠的強度，具備防滑功能，其運輸能力滿足工作面采煤機的生產能力，具備小比壓、主動防滑以及強制限位等功能的刮板輸送機[3]。

3 急傾斜煤層“三機”配套

3.1 液壓支架的配套

綜合分析3102 工作面的生產能力，結合液壓支架的配套原則對液壓支架中心距、工作強度、高度、工作阻力以及初撐力進行計算。

3.1.1 液壓支架中心距的確定

針對液壓支架與刮板輸送機相配套的原則，且在市場調研的基礎上，為保證液壓支架的穩定性，設計液壓支架的中心距為1.75 m。

3.1.2 液壓支架工作強度的計算

液壓支架工作強度的計算如式（1）所示。

式中：q為液壓支架的支護強度；Kd為煤層工作面失去穩定時的動載荷系數，取Kd=1.3；M為最大采高，取M=3.3 m；Kp為工作面煤層中矸石的膨脹系數，取Kp=1.25；ρ 為工作面煤層頂板的延時的密度，取ρ=25 kN/m3。

經計算，可得液壓支架的工作強度為0.429 MPa，取安全系數為1.4，得出液壓支架的工作強度為0.6 MPa。

3.1.3 液壓支架高度的確定

由于工作面煤層額最大采高為3.3 m，液壓支架的行程為0.3 m，則液壓支架所需的最高高度為3.6 m[4]。結合當前現有產品中液壓支架的伸縮比，所需液壓支架的最小高度為1.5 m。

3.1.4 液壓支架工作阻力的確定

液壓支架工作阻力的計算如式（2）所示：

式中：F為液壓支架的工作阻力；P為工作面的工作強度，P=0.6 MPa；Bc為控頂距，取Bc=4m；L為液壓支架的中心距，取值1 750 mm；η 為支護效率，η=0.9。

經計算可得，工作阻力最小值應為4 666 kN。液壓支架的額定工作阻力為5 000 kN。

則，液壓支架的初撐力P初=75%×5 000=3 750 kN。

該工作面綜合機械化采煤工藝中所選用的液壓支架的型號為ZJY 5000/16/36D。

3.2 采煤機的配套

由于工作面煤層的平均傾角為46°，最大傾角為57°，而目前國內采煤機可適用工作面的最大傾角為45°。因此，需為工作面配套適應煤層傾角達60°的采煤機[5]。滿足該煤層最大傾角為采煤機的關鍵選型標準。在對國外采煤機型號及相關參數調研的基礎上，所選采煤機的型號為MG 300/722—QWR，關鍵參數如表1 所示。

3.3 刮板輸送機的配套

綜采工作面刮板輸送機主要與液壓支架進行配套使用，根據3.1 液壓支架的選型結果，所選刮板輸送機的型號為SGZ 764/315，其關鍵參數如表2 所示。

表1 MG 300/722—QWR 關鍵參數

表2 SGZ 764/315 刮板輸送機關鍵參數

4 結語

急傾斜煤層在我國煤炭總儲量中占據10%左右，為提升針對急傾斜煤層的開采效率和產出率，需針對工作面煤層的特征選用最佳的采煤工藝。綜合機械化采煤目前已普遍應用于我國煤礦的生產中，但是在急傾斜煤層中的應用實例較少，且其在急傾斜煤層中生產的產煤效率較低。根據3201 工作面急傾斜煤層的特征，設計并完了采煤機、刮板輸送機以及液壓支架的選型，為急傾斜煤層的開采提供了理論基礎。