合并煤层综合机械化一次采全高工作面的设备配套研究系统分析

王益清

（山西离柳焦煤集团有限公司，山西 孝义 032300）

1 矿井概况

矿井位于河东煤田东段[1]，其33409工作面拟采3、4号合并煤层属二叠系山西组下端，顶部煤层。33409工作面3、4号合并煤层顶底板为灰黑色砂质泥岩、泥岩。

33409工作面主采（3+4）号，煤层均厚3.65m。通过一次采全高的矿压和开采工艺分析，采用合并煤层综合机械化一次采全高走向长壁后退式采煤法。它的“三机”配套需要结合工作面的生产要求与地质条件，并满足采煤设备的选型、工作面支护方式的确定、各设备之间生产能力、物理机械特性匹配、空间尺寸等要求。由于涉及因素众多，一直是工作面设备研究的难点[2-3]。

2 开采工艺参数的确定

根据瓦斯状况、地质构造、已采邻近工作面经验，33409工作面采用综合机械化一次采全高走向长壁后退式采煤法时，可形成工作面走向长度1 730.5 m，倾斜长度196.8 m，由于（3+4）合并煤层均厚3.65 m，容重1.39 t/m3，知其工业储量1 727 843 t。若回采率95%，可采储量1641451t。

3 液压支架的选型

3.1 液压支架参数的选取

液压支架的选择要与工作阻力、移架速度与中心距、煤层倾角、支架高度、水文地质条件、通风断面大小等要求相匹配。

3.1.1 工作液压支架的工作阻力

往往使用载荷估算P为：

式中：hi为第i层直接顶的厚度；li为第i层直接顶的悬顶距；γi为第i层直接顶的容重；Q2为老顶来压时形成的附加载荷。

由于开采时随着支架推移会发生直接顶冒落现象，因而直接顶的悬顶距等于控顶距，支架合理的支护强度应为：

式中，最难确定的是老顶的载荷Q2，因而要将尚未来压时的支架载荷作为直接顶的载荷，与来压时的动压系数n相乘得出其工作压，具体应为：

直接顶的碎胀系数介于1.25和1.5之间，该矿取值1.35。动压系数一般不会超过2，则老顶载荷为：

式中：H为采高，m。显然，倍数的选择与顶板条件及周期来压是否明显有很大关系。结合33409工作面实际，老顶载荷与其初次来压步距L0有明显的线性关系，一般可用线性关系式表示：

因而可以结合煤层实际赋存情况，选取合理的采高岩重倍数，然后代入实测的工作面初次步距得出支架合理强度。

3.1.2 支架高度的确定

结合工作面采高参数，需要考虑顶板冒落预量、支架顶梁后部最大下沉量、支架前移立柱下降高度及支架与煤层顶板、底板间浮煤厚度等因素，其计式如下：

式中：Hzmax为支架最大高度；h为顶板冒落预量，一般取 200～250 mm；Hmax为工作面最大采高；Hzmin为支架最小高度；s为支架顶梁后部最大下沉量，一般取为150～200 mm；Hmin为工作面最小采高；a为支架前移时立柱需下降高度，取为50～150 mm；b为支架与煤层顶板、底板间浮煤厚度，取为100mm。

33409工作面（3+4）号煤的厚度3.65 m，全区稳定，因而采高也选3.65 m，结合实际情况确定h、s、a、b等值，算得支架的最大最小高度。按照规定：其支护的最大高度必须小于支架设计最大高度的0.1 m，最低高度必须大于支架设计最小高度的0.2m[4]。当煤层厚度变化时必须严格沿煤层顶底板割煤。煤层变薄时，采高不低于支架最小支护高度；煤层变厚时，沿稳定标志层割煤采高不超过支架最大支护高度。

3.2 液压支架支护强度验算

选定支架之后，为保证其安全性及经济合理性，需要进行支护强度、支护阻力、底板比压验算。

式中：P1为工作面顶板支护需要的支护强度，MPa；n为顶板跨落高度为采高的倍数，一般为4～8倍，这里取最大值8倍；M为工作面采高，3.65m；r为顶板岩石容重，岩石容重取最大值，根据实际情况，取值为2.28t/m3；g为重力加速度，9.8N/kg。经计算，工作面顶板支护需要的支护强度为 0.64 MPa；而ZZ6000-20/42型支撑掩护式液压支架支护强度为0.89MPa，大于0.64MPa，能够满足支护强度要求。

4 采煤机的选型

4.1 采煤机参数的选取

工作面的理论生产率应为：

式中：Qt为理论生产率，t/h；H为工作面平均采高，取值3.86m；B为滚筒有效截深，结合实际预先选值0.8 m；Vq为给定条件下可能的最大牵引速度，此处取值6m/min；ρ为煤的密度，取值为1.39t/m3。

经计算，采煤机的理论生产率为1521.21t/h。理论生产率乘以采煤技术上的可靠性和完备性有关的系数（连续工作的系数），一般取0.5～0.7。同时考虑由于工作面配套设备的影响，例如刮板输送机、液压支架的故障等而停机延误的时间（一般乘以系数0.6～0.65）。计算结果为593.3t/h，选用鸡西煤矿有限公司的MG400/940-WD大功率电牵引采煤机，它是多电动机驱动、横向布置，框架结构、总装机功率940 kW，截割功率2×400 kW，牵引功率2×55 kW，牵引速度0～8.686 m/s，采用机载的交流变频调速，齿轨轮-销排式牵引，最大采高约为4.1 m，倾角≤12°，煤质中硬或硬的综采工作面。

4.2 采煤机的检验

根据工作面所需日产量，采煤机所需生产率349.7t/h。采煤机实际生产率593.3 t/h，满足实际要求。根据要求采煤机的滚筒直径D≥0.5Hmax，实际所选采煤机滚筒直径为2 m，与实际需要恰好相等，符合要求。所选定MG400/940-WD采煤机的生产能力初定为593.3t/h，根据规定装机容量要求为600～750 kW，故940kW满足要求。

5 刮板输送机的选型

5.1 刮板输送机选型

要从设备配套性、安全性、对地质条件的适应性、可靠性、经济性等综合考虑。根据运输能力和出厂长度，选用与采煤机相配套的刮板输送机,型号为：SGZ800/800，出厂长度200m，溜槽宽800mm，采用中双刮板链运煤，链速1.1m/s，链子抗拉强度1810kN。机头机尾各布置一台400kW电机提供驱动力。

5.2 刮板输送机的验算

刮板输送机选型完毕后，要从运输能力角度验算，算式如下：

式中：F为煤在溜槽中的断面积，经过计算为0.24 m2；V为刮板链的运行速度，1.1 m/s；φ 为装满系数，取 0.8；ρ’煤的松散度，t/m3，一般取 0.85～1，式中取0.9；Q为输送机的运输能力，t/h。经计算，刮板输送机的运输能力684.3 t/h，大于采煤机的生产能力593.3t/h，满足要求。

6 结束语

1)结合33409工作面的实际情况及生产经验，确定其采煤方法及开采工艺参数；2)通过数学计算，选择了液压支架、采煤机、刮板输送机，进行合并煤层一次采全高综采工作面设备配套的系统分析；3)验算了所选设备的技术可行性、安全可靠性、经济合理性。通过分析表明，所选设备满足矿井安全高效生产的要求。

[1]汤达祯,杨起,潘治贵.河东煤田地史一热史模拟与煤变质演化[J].现代地质，1992，(3):328-337.

[2]胡献民.综采工作面中部设备“三机”配套设计探讨[J].煤炭工程,2006(8):13-15.

[3]张宁,富强,刘文岗，等.鄂尔多斯地区大采高综采设备配套选型与实践[J].中国矿业,2008.17(9):57-60,85.

[4]国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

[5]徐亚民.厚煤层大采高综采面配套设备的研制及应用[J].煤炭科学技术,2008,36(7):68-70.