杭來灣煤礦302盤區(qū)綜采工作面設(shè)備匹配選型實(shí)踐

張 軍

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

1 工作面概況

1.1 賦存條件地質(zhì)簡介

302盤區(qū)位于杭來灣井田西北部，盤區(qū)東西長約5.9 km，南北寬約3.7 km，面積約21.3 km2。302盤區(qū)內(nèi)3號煤層厚度6.34～8.14 m，平均7.46 m。直接頂板巖性主要為粉砂巖、泥巖，直接底主要巖石為粉砂巖、泥巖。煤層頂板屬中等冒落頂板～難冒落頂板，礦井為低瓦斯礦井。

1.2 采煤方法選擇

井田302盤區(qū)3號煤厚煤層可采用的采煤方法有以下三種：分層大采高綜合機(jī)械化開采、放頂煤綜合機(jī)械化開采和一次采全高超大采高綜合機(jī)械化開采[1]。分層開采在設(shè)備投資、煤炭回收率等方面有明顯優(yōu)勢，但由于巷道掘進(jìn)率高、維護(hù)困難，容易造成工作面接續(xù)緊張、采掘失調(diào)，且下分層開采時在巷道布置、頂板維護(hù)、自然發(fā)火等方面有不可避免的困難和風(fēng)險。放頂煤開采對煤層厚度的適應(yīng)性好，巷道掘進(jìn)量少，頂板管理相對簡單，自燃易防治，但煤炭回收率較低，瓦斯易積聚。通過對煤層強(qiáng)度、埋深、頂煤節(jié)理裂隙、頂板條件綜合分析，3號煤頂煤冒放性一般。一次采全高的優(yōu)點(diǎn)是工作面產(chǎn)量和效率大幅度提高，增產(chǎn)潛力大，巷道掘進(jìn)量少，設(shè)備工序簡單，煤炭回收率高，原煤含矸率低，缺點(diǎn)是設(shè)備搬遷和安裝困難，投資高，煤壁易片幫。

綜合對比，根據(jù)目前國內(nèi)裝備水平應(yīng)用發(fā)展、周邊各礦的技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及總體經(jīng)濟(jì)效益綜合對比，采用了一次采全高超大采高綜合機(jī)械化采煤方法。

2 液壓支架的選型

液壓支架的核心指標(biāo)有架型、中心距、支架高度和工作阻力等[2]。

2.1 架型

兩柱掩護(hù)式支架相對四柱支撐式具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價便宜、整體受力平衡、電液控自動化容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，故架型確定為兩柱掩護(hù)式。

2.2 中心距

超大采高液壓支架目前主流采用的中心距規(guī)格有1.75 m、2.05 m、2.4 m三種。1.75 m的寬度相對7 m以上的超大采高支架來說，橫向失穩(wěn)角小，穩(wěn)定性較差。2.4 m中心距支架穩(wěn)定性最好，但目前支架運(yùn)輸配套不成熟，調(diào)研各安裝單位沒有相應(yīng)的運(yùn)輸設(shè)備，另外井下現(xiàn)有運(yùn)輸巷道尺寸也無法滿足要求。2.05 m中心距支架在穩(wěn)定性和運(yùn)輸安裝等方面平衡性最好。故支架中心距確定為2.05 m。

2.3 支架高度

支架高度可以用以下公式計(jì)算：

式中：Hmax為支架的最大高度，m；Mmax為煤層的最大可采厚度，取7.3 m；S1為最大采高時支架高度的富余量，一般取0.1～0.3 m，設(shè)計(jì)取值0.2 m；Hmin為支架的最小高度，m；Mmin為煤層最小可采厚度，取5.5 m；S2為最小采高條件下頂板的下沉量，取值0.3 m；a為支架移架降架最小高度，取0.1 m；b為浮煤厚度，取0.1 m。計(jì)算得：支架高度Hmax=7.5 m，Hmin≤5 m。

2.4 工作阻力

工作阻力用以下公式計(jì)算：

式中：F為工作阻力，kN；η為支撐效率，取0.98；B為支架中心距，取2.05 m；Lk為控頂距，取6.4；P為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；n為頂板巖石厚度系數(shù)，取6～8；h為采高，取7.5 m；γ為頂板巖石容重，2.5 t/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。計(jì)算支架工作阻力F=8×7.5×2500×9.8×10-6×2.05×6.4×103/0.98=19 680 kN，圓整后支架工作阻力取21 000 kN。

選定液壓支架為ZY21000/36/75D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

3 采煤機(jī)的選型

采煤機(jī)的核心指標(biāo)有割煤速度、生產(chǎn)能力、裝機(jī)功率[3]。

3.1 割煤速度

割煤最低速度的計(jì)算公式如下：

式中：V為采煤機(jī)割煤速度，m/min；Qd為工作面日產(chǎn)量，取30 300 t；L為工作面長度，取300 m；h為采高，取7.5 m；Bg為截割深度，取0.865 m；r為煤層容重，取1.32 t/m3；T為每班工作時間，取8 h；I為采煤機(jī)開缺口行程，取35 m；Kk為采煤機(jī)組開機(jī)時間占比，取75%；Kc為工作面回采率，取0.93。

計(jì)算得出割煤最低速度V=5.9 m/min，取整數(shù)6 m/min。

3.2 生產(chǎn)能力

式中：Q為采煤機(jī)平均生產(chǎn)能力，t/h；Q=60×7.5×0.865×6×1.32=3083 t/h。

Qm=1.35Q，Qm為采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力，t/h。Qm=1.35×3083=4162 t/h。

采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力不低于4162 t/h。根據(jù)上述計(jì)算采煤機(jī)選擇SL1000型，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 刮板輸送機(jī)的選型

刮板機(jī)輸送機(jī)選型須保證其運(yùn)輸能力≥采煤機(jī)最大割煤能力[4]。

式中：Qq為輸送機(jī)運(yùn)輸能力，t/h；Q為采煤機(jī)最大割煤能力，t/h；Ka為割煤不均衡系數(shù)、Kb為割煤高度不均衡系數(shù)、Kv為修正系數(shù)、Ky為運(yùn)輸傾角系數(shù)，分別取值1.1、1.1、1.05、1.0。算得Qq=1.1×1.1×1.05×1×4162=5 287.8 t/h。經(jīng)校驗(yàn)，Qq=5 287.8 t/h≥Qm=4162 t/h。

根據(jù)上述計(jì)算選擇SGZ1400/3×1500型刮板機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 刮板機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

5 轉(zhuǎn)載機(jī)與破碎機(jī)的選型

轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)輸能力需滿足：Qz≥Ke×Qq。Qz為轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力，t/h；運(yùn)輸機(jī)不均勻系數(shù)取1.1。轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力不低于Qz=1.1×5 287.8=5816 t/h。轉(zhuǎn)載機(jī)選SZZ1600/1000型，其運(yùn)輸能力為6500 t/h，總裝機(jī)功率1000 kW，啟動方式為智能變頻軟啟動，鏈速0～2 m/s，刮板間距608 mm，適應(yīng)的工作面傾角0°～10°。

破碎機(jī)破碎能力應(yīng)不低于轉(zhuǎn)載機(jī)的運(yùn)輸能力：Qp≥Kf×Qz。其中：Qp為破碎機(jī)的破碎能力，t/h；轉(zhuǎn)載機(jī)不均勻系數(shù)取1.1。破碎機(jī)運(yùn)輸能力不低于Qp=1.1×5816=6398 t/h。根據(jù)上述計(jì)算選定破碎機(jī)PCM700型，其運(yùn)輸能力為7000 t/h。

6 乳化泵的選型

乳化泵主要參數(shù)包括額定工作壓力和額定流量[5]。

（1）乳化泵的額定工作壓力應(yīng)滿足下列公式：

式中：Pr為乳化泵工作壓力，MPa；F為工作阻力，取21 000 kN；μ為初撐力比例系數(shù)，取0.75；d為支架立柱外缸內(nèi)直徑，取0.53 m。

Pr≥0.75×21000/[3.14（0.53/2）×（0.53/2）×2]=35.7 MPa；

乳化泵的額定工作壓力不小于35.7 MPa。

（2）乳化泵的流量應(yīng)該滿足支架移架速度的要求，選擇型號為S500（BRW633/37.5）型五柱塞乳化液泵4臺，根據(jù)支架的數(shù)據(jù)：降架流量Q1=6.40 L/s×2×60=768 L/min；移架流量Q2=8.87 L/s×60=532.2 L/min；升架流量Q3=15.78 L/s×2×60=1 893.6 L/min。取最大流量值1 893.6 L/min，考慮富余系數(shù)，乳化流量配置應(yīng)滿足2000 L/min。

7 結(jié)語

通過計(jì)算，選定工作面設(shè)備如下：ZY21000/36/75D型兩柱掩護(hù)式液壓支架+SL1000型 采 煤 機(jī)+SGZ1400/3×1500型 刮 板 機(jī)+SZZ1600/1000型轉(zhuǎn)載機(jī)+PCM700型破碎機(jī)+S500（BRW633/37.5）型五柱塞乳化液泵4臺。

通過設(shè)備的配置選型的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了杭來灣煤礦302盤區(qū)綜采工作面設(shè)備的合理配合、有效適應(yīng)，提高了工作面各配套設(shè)備的集約化、自動化、智能化程度，實(shí)現(xiàn)該工作面月產(chǎn)量達(dá)到90萬t。