煤礦綜采工作面“三機”選型與配套研究

邱俊帥

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 呂梁 033600）

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km 處，礦井面積約88.6 km2，礦井設計生產能力15.0 Mt/年，現主要開采2 號、8 號煤層，煤層平均厚度4.5 m，2 號、8 號煤層單一水平聯合布置開采。2 號、8 號位于二疊系下統山西組，18503 工作面現主要開采8 號煤層，煤層平均厚度3.2 m；工作面老頂為K8 中細砂巖，平均厚度5.66 m，該層砂巖，裂隙較發育，質硬，鈣質膠結，屬中等堅硬巖石，冒落型Ⅱ類頂板；直接頂為粉砂巖、泥巖，平均厚度為4.84 m，局部含有偽頂為砂質泥巖，質軟，易碎，隨采煤垮落；底板主要為泥巖或粉砂巖，較為堅硬，厚度為0.7～2.5 m，粉砂巖下有一層0.2～0.5 m厚煤層，底板為復合型底板；煤層傾角為3°～15°，煤層厚0.60～1.10 m，平均0.80 m，不含夾矸，煤層結構簡單，局部穩定可采；煤質為特低灰、低硫高發熱量優質主焦煤，具有較好的開采價值。8 號煤層位于山西組中部，煤層厚0.6～3.2 m，平均1.98 m，不含夾矸，煤層結構簡單；頂板巖性為粉砂巖、泥巖，底板巖性為泥巖或粉砂巖；2 號、8 號煤層賦存瓦斯含量較高，為高瓦斯礦井。

斜溝礦2 號煤層平均可采厚度僅0.8 m，確定合理的工作面開采工藝、布置參數及開采高度，選擇合理的工作面“三機”配套設備，是實現薄煤層綜采工作安全高效生產的最關鍵環節；工作面合理的“三機”配套設備有利于工作面實現遠程自動化控制作業，實現高產高效[1]。

2 液壓支架參數的確定及選型

液壓支架選型的主要依據是工作面頂、底板巖性、煤層厚度、工作面采高等因素。2 號煤層直接頂板為細砂巖，屬于Ⅱ類頂板，選用防護性能較好的支撐掩護式支架。由于工作面兩順槽臥底掘進，巷道底板較2 號煤層底板低1.2 m，工作面端頭支架和中間支架應選用不同架型。

2.1 支架強度

按經驗公式計算：

式中：m 為采高；γ 為頂板巖石容重，取2.6，2 號煤。

通過計算可得P=168～224 kPa，取最大224kPa。端頭支架支護面積大，支護強度按照中間架的1.2 倍進行計算，為268 kPa。

按照Ⅰ～Ⅲ級老頂的額定支護強度下限進行計算：

式中：Ps為額定支護強度下限，kPa；h 為煤層最大采高，取1.3 m；L 為周期來壓步距，11～14 m；N 為直接頂與采高之比。

液壓支架工作阻力下限為：

式中：Fs為支架工作阻力下限，kPa；Sc為支架中心距，取1.5 m；Bc為支架最大控頂距，取4.0 m；Ks為支護效率取0.8。

將相關數據代入式（3）得：Fs=305～315 kPa，取最大值315kPa。經計算：2 號煤工作面液壓中間支架工作阻力需大于315kPa，端頭支架工作阻力需大于378kPa。

2.2 支架支護高度

支架高度一般按下式計算

式中：Hmax、Hmin分別為支架最大、最小高度，m；Mmax、Mmin分別為工作面最大、最小采高，m。

2 號煤層工作面最大采高1.3 m，同時考慮到泥巖頂板易冒落造成支架接頂不嚴等情況，綜合分析確定支架最大高度為1.65 m；支架采用雙伸縮立柱，根據支架設計特點，確定支架最小支護高度Hmin=0.7 m。

2.3 支架中心距

結合斜溝礦井運輸條件、國內現有薄煤層工作面設備情況及工作面開采地質條件等綜合因素分析，液壓支架中心距選用1.5 m 比較適宜。2 號煤層頂底板為泥巖、砂質泥巖，采用兩柱掩護式支架可利用平衡千斤頂調節頂梁合力作用的位置，能較好地適應工作面頂板壓力變化情況，且支撐合力作用點距煤壁的距離也相對較小，頂梁前端支撐能力相對較大，對泥巖頂底板的適應性更強，因此，支架架型優先選擇兩柱掩護式液壓支架。2 號煤工作面底板為復合底板，易底鼓，根據這一特性，需選用底座斷面大，且強度高的錳鋼制作而成的液壓支架，增大底板接觸面積與支撐強度；由于工作面空間因素，液壓支架只能選用整體頂梁鋼性結構，該結構端部承載能力更大，可有效控制工作面前部頂板，彌補不能安裝前探梁及護幫板的短板；空間因素還導致作業人員操作支架時需采用隔架操作的方式進行作業，確保作業人員安全[2]。綜合以上考慮，2 號煤工作面兩端頭各采用2 架ZDY4000/14/28D型端頭支架支護，中間架選用ZY3500/07/16.5D 型掩護式液壓支架，可滿足支護要求。

3 采煤機選型

3.1 采煤機選型主要影響因素

采煤機選型時，應對煤層厚度、煤層傾角、煤層硬度、頂底板巖性、地質構造、以及采煤方法和工藝要求、技術經濟效果、配套設備要求等因素進行綜合分析，然后選配最優機型。

3.2 采煤機性能參數確定

3.2.1 采高

采煤機的采高應與開采煤層厚度相適應，根據2號煤層工作面開采具體地質條件，選定采煤機的采高范圍為0.9～1.4 m（根據目前國內設備情況，2 號煤層需要割一定厚度的頂板或底板矸石），采煤機兩滾筒直徑易選用900 mm。

3.2.2 截深

截深的選取與煤層厚度，煤層軟硬，頂板巖性以及支架移架步距有關，綜合考慮，工作面采煤機截深取630 mm。

3.2.3 采煤機割煤能力

采煤機割煤能力與工作面設計生產能力存在如下關系：

式中：Qm為采煤機平均落煤能力，t/min；T 為工作面日生產班時間，取20 h；K 為工作面生產系統有效度，取0.9；Q 為設計工作面平均日原煤產量及矸石產量，取1 495 t/d。

將相關數據代入式（5）得Qm=1.38 t/min。

3.2.4 采煤機最大割煤速度的確定

由采煤機運行特點及客觀實際條件，采煤機最大截割速度實際應用中可以簡化為：

式中，Vc為采煤機平均割煤速度，取2.5 m/min；K′ 為采煤機割煤速度不均衡系數，取1.5。由此可知，采煤機的最大截割速度Vmax為3.75 m/min，要保證采煤機的最大截割速度及生產能力，要求選擇采煤機的最大牽引速度大于最大截割速度。

3.2.5 采煤機截割功率

按采煤機單位能耗計算采煤機截割功率為：

式中：N 為采煤機截割功率，kW；Kb為備用系數，取1.2；B 為采煤機截深，取0.6 m；H 為采高，取1.1 m；Hw為采煤機割煤單位能耗，取1.5 kWh/m3。

經過計算得到采煤機截割功率為340 kW，考慮到工作面割矸情況及采煤機過煤高度，采煤機功率應適當加大。綜合以上因數分析，采煤機選用MG200/456-AWD 型。

4 刮板輸送機選型

極薄煤層刮板輸送機參數的確定主要考慮運輸能力、電機功率及傳動結構等三方面，刮板輸送機機頭傳動結構基本有兩種形式，即刮板輸送機電機、減速箱與工作面切眼平行布置和垂直布置[3]，平行布置要求工作面切眼兩端頭必須有一定高度才能保證工作面通風、行人暢通，工作面切眼機頭、機尾15 m 范圍臥底割矸工程量較大，為保證煤質減少工作面割矸量，刮板輸送機選用下彎機頭，電機、減速箱垂直于輸送機運輸方向布置安裝在順槽內，機頭下安設專用底座與端頭架、轉載機尾搭接。經過計算，刮板輸送機的最小輸送能力應為113 t/h，綜合考慮，工作面刮板輸送機選用SCZ630/220 型。

5 其他設備配備

斜溝礦2 號煤工作面運輸順槽運輸系統選用SZZ730/132 型轉載機（輸送能力700 t/h，電機功率132 kW）、PLM1000 型破碎機（破碎能力1 000 t/h，電機功率110 kW）、DSJ80/40/2×55 型可伸縮帶式輸送機（輸送能力400 t/h，電機功率2×55 kW），工作面供液系選用BRW315/31.5 型乳化泵（電機功率200 kW）、BPW200/6.3 型噴霧泵站（額定流量200 L/min，電機功率30 kW）、YTJS-5 型煤礦專用純凈水處理設備（單機產水量5 m3/h，電機功率7.5 kW）、進液高壓自清過濾站1 臺（過濾站流量1 000 L/min，過濾精度25 μm）。

6 結論

1）通過在2 號煤2101 工作面的開采實踐運用，所選取的工作面三機配套設備能夠較好適應2 號極薄煤層復合底板的回采要求。工作面頂板初次來壓期間，工作面支架的最大工作阻力為2 905 kN/架，是額定阻力的83%，所用液壓支架強度能夠滿足工作面初次來壓及周期來壓強度要求；周期來壓期間，工作面局部底鼓量為0.1～0.2 m，也得到有效控制。

2）主要存在問題：工作面遇到地質構造段時，采煤機組挑頂、臥底割矸量較大，機組震動較大，機組重量需進一步加大；工作面局部褶皺發育時，工作面切眼不易過長，工作面刮板輸送機起伏不平，故障率較高。

3）實現了工作面運輸順槽集中自動化控制作業，每班作業人員由17 人降至9 人，提高工效近一倍，既減員降低了員工勞動強度，又取得了較好的經濟效益，對于類似地質條件的礦井具有積極的推廣運用價值。