大采高工作面大功率采煤機的設計與應用效果研究

閆 鈺

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司， 山西 朔州 036000）

引言

我國很多煤礦的煤層都較厚，以往主要采用分層開采的方式進行回采[1]。這種回采模式工作效率較低。隨著采煤技術的不斷發展，目前大采高采煤工藝在實踐中得到了廣泛應用[2]。大采高采煤方式與分層開采方式相比較，具有設備搬動次數少、煤炭回收率高、生產效率高等優勢，顯著提升了采煤效益和質量[3-4]。對于厚煤層，大采高采煤工藝是未來發展的必然趨勢。采煤機是采煤裝備中的重要構成部分，采煤機運行過程的可靠性和效率直接決定了整個采煤工藝的效果。所以在選用采煤機時，必須基于煤礦實際情況進行合理選擇[5-6]。

1 某礦井大采高工作面概述

某礦井設計年產量為500萬t，工作面的走向長度和傾斜長度分別約為1 650 m和260 m，煤層傾角在5°～12°范圍內。工作面采高范圍在3.5～4 m范圍內，平均采高為3.7 m，屬于大采高煤層。其中，工作面巷道頂板圍巖以砂巖為主，直接頂和基本頂分別為細砂巖和粉砂巖，平均厚度大小分別為3.6 m和2.7 m，底板圍巖同樣以砂巖為主，直接底和老底分別為粉砂巖和細砂巖，平均厚度大小分別為4.6 m和2.8 m。圍巖整體情況比較穩定。

2 采煤機主要技術參數設計計算及選型

2.1 主要參數的設計

采煤機滾筒直徑的確定。煤層采高范圍在3.5～4 m范圍內。擬通過雙滾筒采煤機進行采煤。采煤機滾筒直徑計算公式為D=（0.52～0.6）hmax，其中hmax表示最大采高。可以計算得到滾筒直徑在2.08～2.4 m范圍內。

機面高度的確定。在確定機面高度時需要考慮的因素主要包括最小采高以及支架頂梁厚度，此外還應該預留一定的空隙。煤層最小采高為3.5 m，使用的液壓支架頂梁厚度為0.5 m，預留間隙0.2 m，則機面高度不得超過2.8 m。

裝機功率的確定。裝機功率的大小直接決定了采煤機的采煤效率和綜合性能。對于硬質煤層，需要使用裝機功率較大的采煤機才能夠更好地完成采煤工作。在估算采煤機裝機功率時主要有兩種方式，第一種方式是根據煤石的物質屬性選擇。即硬度較大時選擇大功率采煤機，硬度小時則選擇功率相對較小的采煤機。第二種方式是根據煤層工作面的產能要求設計計算裝機功率。當前階段，在衡量煤石破碎難易程度時主要以強度系數作為標準。但是煤石的破碎難易程度并不能夠直接決定采煤機的裝機功率，因此根據第一種方式選擇裝機功率時，可能會出現采煤機與煤層實際情況不匹配的問題。所以采用第二種方式設計計算采煤機裝機功率大小。

工作面設計的采煤產量為每年500萬t，工作面采高在3.5～4 m范圍內，平均采高為3.7 m，采煤機的滾筒截深設置為0.8 m。礦井總計有4班人員輪流作業，每班人員連續工作6 h，其中3班人員負責正常生產采煤，1班人員負責設備維護檢修。采煤機開機率以50%計算。每年按正常工作330 d計算。為了滿足礦井年生產總量的要求，采煤機每小時需要回采的煤量可以通過下式進行計算：Qh=fQ/(DNTK)，其中，Qh和Q分別表示采煤機每小時的采煤量和礦井每年的總產量；f表示考慮其他因素影響的保險系數，取為1.3；K表示采煤機的開機率；D、N、T分別表示每年的工作天數、每天的班數、每班的工作時間。將這些參數代入到公式中進行計算，可以得到采煤機每小時至少需要采煤2 189 t才能夠達到年產量要求。

為達到以上的采煤量，采煤機必須以一定的牽引速度割煤。其割煤速度可以通過下式進行計算：V=Qh/（60BHγC），其中，H和B分別表示平均采煤高度和滾筒截深；C和γ分別表示回采率和煤的密度，取為0.95和135 t/m3。將這些參數代入到公式中進行計算，可以得到采煤機的牽引速度至少為9.6 m/min。

采煤機正常工作時多個電機同時啟動，裝機功率是指所有電機的總功率之和。可以根據經驗公式對裝機功率進行計算：Nf=ηHQh，其中，H表示采煤機回采得到1 m3的煤需要消耗的能量，取0.55；η表示安全系數，取1.2。可以計算得到采煤機的裝機功率不得低于1 445 kW。

2.2 采煤機的選型

基于上述的計算結果并結合大采高工作面的實際情況，最終選擇的采煤機型號為KSW-1500EU。該型號采煤機的主要技術參數如下：采煤高度在1.4～4.2 m，割煤速度最大可以達到15 m/min，傾角最大值為13°，供電電壓和裝機功率分別為3 300 V和1 530 kW，滾筒截深為0.8 m。

3 KSW-1500EU型采煤機在大采高工作面中的應用情況分析

以上只是結合相關理論對大采高工作面使用的采煤機型號進行了選擇，但是該大功率采煤機在實踐中的應用效果如何還需要進行檢驗。確保其能夠安全生產，并且滿足煤礦年產量的實際使用需要。

3.1 牽引速度的測定

為了對采煤機的牽引速度進行測定，沿著工作面方向每間隔一段距離設置一個檢測點。間隔的距離已知，可以檢測得到采煤機經過兩個測點的時間差，進而可以計算得到采煤機的牽引速度。具體計算公式為：V=L/t，其中V、L、t分別表示采煤機的牽引速度、相鄰檢測點之間的距離、采煤機連續經過兩個監測點的時間差值。如圖1所示為采煤機牽引速度的統計分析結果。

圖1 采煤機牽引速度分布情況統計結果

從圖中可以明顯看出，采煤機并不是以絕對均勻的速度前進，其牽引速度存在較大差異，整體上服從正態分布。牽引速度為9～11 m/min時所占的比例最高，比例為23.59%，平均牽引速度為10 m/min左右。

3.2 應用情況調查統計

礦井在運行過程中，采煤量受多方面因素的影響，但是采煤機對產量的影響效果最為顯著。所以通過對工作面的煤產量進行統計分析，能夠從一定程度上反映采煤機的應用效果。考慮到大采高工作面正式投入運行時，由于多方面原因會導致產量不高。后續從第5個月開始產煤量逐漸趨于穩定。所以統計了工作面投入運行以后的第5—8月的煤產量，結果如圖2所示。從圖中可以看出連續4個月每個月的煤產量分別為 58.35 萬 t、43.97 萬 t、55.64 萬 t、45.72萬t，平均每個月的煤產量為50.92萬t。基于該結果可以計算得到礦井每年的產量為611萬t，超過了煤礦的設計生產能力。

圖2 采煤機運行的第5—8月產煤量統計結果

在統計分析的4個月時間內，總計有328班為出煤班。統計分析了生產過程中出煤班每班的進刀數，結果如圖3所示。基于圖中數據可以計算得到，在統計的4個月時間內總共的進刀數量為669刀。可以進一步計算得到平均每班的進刀數為2刀左右。

圖3 采煤機運行的第5—8月出煤班進刀數統計

3.3 開機率的調查

采煤機的開機率直接決定了采煤的產量，開機率越高則對應的煤產量越大。對生產現場的開機率進行了調查研究，每個出煤班的正常工作時間為6 h。經過4個月時間的跟班統計發現，導致采煤機停機的原因主要包括三個方面，分別為工人準備、故障停機、清潔打掃，每班對應的平均時間為30 min、35 min和10 min。可知每班采煤機正常工作時間為295 min，可以計算采煤機的開機率為81.94%。可以看出采煤機的開機率相對較高。導致采煤機停機的主要原因是工人準備時間和設備故障停機，這些都是不可避免的。

4 結語

基于上述分析可以看出，所選用的KSW-1500EU大功率采煤機在大采高工作面中的應用效果較好，不管是采煤機的牽引速度、采煤量，還是開機率都達到了理想的效果，完全能夠滿足實際使用需要。