矿井工作面三机配套选型及应用效果分析

贾向鹏

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿，山西 晋城 048000）

引言

我国薄煤层煤炭储量约620亿t，占总储量的17.5%，但由于薄煤层开采难度大，年开采仅占全国总产量的10.4%［1］。随着薄煤层综采设备制造技术的提升，以及国家对资源回采率要求的提高，薄煤层开采日益受到重视。国内薄煤层大多采用滚筒式采煤机装备开采，开采方式与传统综采开采方式基本相同，但工作面更低，工人劳动强度更大。如何进一步完善薄煤层工作面设备选型配套技术，提高工作面产量和开机率，实现薄煤层的高效安全生产，是目前需要解决的重大问题之一［2］。

1 工作面概况

常村煤矿94311为首个薄煤层工作面，开采山西组9号煤层。厚度为1.1～1.8m。工作面设计长度1 775m，倾斜长度200m；工作面贯穿老母掌向斜，整体为褶曲构造，构造附近伴有一些小的断裂构造。预计94221巷在960m左右时，可能会揭露一正断层；在1 155m左右时，可能揭露一冲刷带；并且在切眼位置外50m左右有一陷落柱。工作面掘进过程中主要的充水源为上覆岩层裂隙水，掘进过程中会有少量渗水，预计最大涌水量5m3／h，正常涌水量1.5m3／h。煤层的顶板和底板均有致密坚硬的砂岩和灰岩构成。

2 工作面“三机”生产能力配套

综采工作面采煤机的落煤能力、装煤能力及刮板输送机的运输能力决定了工作面的生产能力。因此采煤机参数指标主要考虑到期滚筒直径大小和装煤效果；刮板输送机的参数指标及与采煤之间的过煤空间的高低（大小）也影响着工作面产量的大小；液压支架对工作面的地质条件的适应性，初撑力、工作阻力的大小，与刮板输送机的联结配套方式等也都影响着生产能力的发挥。因此，综采工作面的所需生产能力应予以确定。

2.1 确定工作面所需生产能力

工作面生产能力应考虑同类设备在生产中的实际生产能力和所选设备是否能够完成生产的能力。

最终需要工作生产能力为：

式中；Q1为工作面需要的生产能力，t／h；Qd为日生产能力，t／d，根据《94311工作面作业规程》取Qd＝2 419t／d；K 为生产不均衡系数，取0.9；N为日作业班数，取4；M为日检修班数，取1；T为每班工作时数，取6；S为时间利用系数，取0.95。

2.2 核算采煤机可实现的生产能力

式中：Q2为采煤机械可实现的生产能力，t／h；v1为采煤机械平均牵引速度，3.0m／min；H 为采煤平均割煤高度，1.6m；B 为滚筒截深，0.80m；R为煤的密度，1.51t／m3。

2.3 核算刮板输送机可实现的生产能力

式中：Q3为输送机可实现的生产能力，t／h；F为货载断面积，m2；φ为中部槽装满系数，一般取φ＝0.65～0.9；γ为煤的松散密度，一般γ＝0.85～1.00t／m3；v2为链板速度，1.02m／s。

式中：ρ为煤在溜槽中的堆积角度，静止时间取ρ＝30°～40°；ρ′为运动时煤在溜槽中的堆积角度，取20°～30°；B 为溜槽宽度，0.724m；h1为上槽高度，0.024m；b挡煤板至溜槽边缘距离，0.02m。

通过基本计算，得出Q1＝127.3 t／h，Q2＝347.9 t／h，Q3＝388.6 t／h，各单机的生产能力应满足且大于工作面设计所需的生产能力，即有Q3＞Q2＞Q1。根据计算各机械设备应满足且大于工作面设计产量要求。

3 工作面“三机”空间尺寸配套关系

采煤机、输送机和液压支架之间，无论是在性能参数还是空间尺寸等方面都能相互配套，可有效提高工作面的生产能力［3］。结合常村煤矿所选设备和煤层条件分析综采设备配套关系。

采煤机、输送机和液压支架之间的配套尺寸关系。采煤机割过煤，并移架后的工作图（如图1）。图1中，A为机面高度；B为中部溜槽宽度；C为溜槽距采煤机高度；D为滚筒直径；H 为最低采煤高度；J为采煤机截深；K为采煤机卧底量；L为最大近代顶距；R为机道宽度；X为液压支架立柱与电览槽之间距离；L1为空顶距；D1为液压支架立柱直径；d为液压支架立柱外径；d1为液压支架立柱内径；Y为过机高度。

3.1 综采工作面所需的最低采高的确定

由图1可以看出综采工作面所需的最低采煤高度：

图1 综采工作面“三机”空间尺寸配套关系示意图

式中：δ为机道上方液压支架顶梁厚度，66～106mm，取106mm；Y为过机高度，在割煤后顶板下沉时机器仍能顺利通过，Y≥90mm（薄煤层）到200～250mm，在这里取最小值90mm；A为机面高度，取845mm；则 H＝δ＋Y＋A＝106＋90＋845＝1 041mm

在不考虑地质条件变化的情况下，综采工作面所需的最低采煤高度为1.085m。另外还要考虑采煤机要有一定的卧底量K，以适应底板起伏不平，一般K＝100～300mm，所选用采煤机为300mm。

所以，综采工作面所需的最低的最终采煤高度应为1.341m。而根据实测情况工作面的采高为1.412～1.452m，与计算相差71～111mm。

3.2 综采面的机道宽度的确定

机道宽度就是采煤机割过煤、尚未移架，从支架立柱中心线至煤壁的距离。R值即机道宽度为

式中：J为采煤机截深，取800mm；E为煤壁与铲煤板间距，为防止输送机在弯曲段时滚筒截割铲煤板，取180mm；X为液压支架立柱与电缆槽之间距离，取1 280mm；d为液压支架立柱外径，取250mm；W 为输送机宽度，W＝F＋B＋G；F为铲煤板宽度，取270mm；B为中部溜槽宽度，取764mm；G为导向槽宽度，取300mm；V为电缆槽宽度，取280mm。

经计算为3.999m，实测为3.980m，符合要求。

另外该面人行道尺寸宽度应不低于700mm，高度不低于400mm。实测宽度为1.28m，高度为1.30m，符合要求。

4 工作面配套设备的选择

在常村煤矿进行深入调研基础上，根据煤层赋存特点，结合采煤机的生产能力和工作面板输送机的运输能力，确定了工作面的“三机”配套设备，采煤机、液压支架和刮板输送机技术参数（如表1、表2和表3）。

表1 MG2×160／710－WD采煤机技术参数

表2 ZY4000／9／19型掩护式液压支架技术参数

表3 SGZ764／400刮板输送机技术参数

5 应用效果分析及可靠性评价

为验证工作面设备选型的合理性，工作人员在初采期间对设备故障率及工作面开机率进行统计。

5.1 工作面设备及生产系统单元可靠性统计

工作面设备及生产系统由采煤机、刮板输送机、液压支架、泵站、供电系统、转载机、带式输送机、煤流外运系统、供水通风系统等单元组成。对94311工作面生产班各单元环节故障进行统计。但是94311工作面煤层不稳定，矸石多，实际煤层厚度达不到开采前估计的平均厚度1.21m，尤其是从87号支架附近处煤层歼灭，直到120号支架附近至机尾才有约0.3m的煤层。从2013年11月16日初采至2014年3月10日，工作面推进不到100m。

在调度室建立试验工作面设备及生产系统单元可靠性数据统计台帐。设备及生产系统单元可靠性数据统计内容包括：单元无故障时间和单元故障时间（如表4）。

表4 机电设备故障时间表

5.2 工作面开机率统计

将工作面开机率统计分为两个阶段：在工作面开始回采到工作面回采100m的区间内为设备磨合期，选取一段时间统计设备开机率特点（如图2）；回采100～200m区间已经度过磨合期，设备效能得到正常发挥，再对该阶段内某一段时间内设备的开机率进行统计。

图2 工作面开机率统计实例

由图2可知：94311综采工作面开机率变化不大，偶尔出现设备故障，引起工作面开机率降低，平均40%左右。

6 结语

通过初采阶段工作面设备运行情况的统计分析得出，工作面三机配套选型合理，能够满足生产的需要。但结合现场出现的一些问题，对94311薄煤层综采工作面提出：在保证最低采高的情况下，应尽量少割底板或不割底板。在遇到煤层变薄、歼灭或断层时，应该考虑采取放炮处理；为使采煤机滚筒获得最佳的截割力，应降低采煤机的滚筒转速。滚筒最好设置两种以上转速；建议更换高强度耐磨截齿；在采煤机截割部传动系统中，应按照低速要求来设计各传动部件，以获得更高的使用寿命；在使用中加强采煤机的检修，发现问题并及时解决；在保证安全生产前提下，应该加强管理，避免不必要的停机，采取措施提高采煤机开机率。

［1］ 徐亚军，王国法.基于滚筒采煤机薄煤层自动化开采技术［J］.煤炭科学技术，2013，41（11）：6－9.

［2］ 季俊成.综采工作面三机配套设备的合理选择［J］.煤炭技术，2011，30（4）：16－17.

［3］ 张佳伟.综采设备的配套关系及采煤机技术参数的选择［J］.煤矿机械，2000（3）：5－7.