金阳煤矿薄煤层工作面设备选型与配套技术

杨惠玲

(郑州煤矿机械制造技工学校，河南郑州450016)

我国1.3m以下薄煤层机械化开采的研究始于20世纪60年代。40多年来，经历了薄煤层采煤机、液压支架和工作面输送机等设备的引进消化吸收和自主研发的过程，研制的技术参数基本可满足生产需求，取得了较好的成效，但是在可靠性方面还存在不少技术问题。

近年来，为了充分开发煤炭资源，许多矿区采取资源平衡开采，努力实现薄煤层安全、高效开采。因此，对薄煤层开采装备技术进行研究是非常重要的。

1 薄煤层开采装备选型技术要点

薄煤层开采技术要求高，不仅要求开采装备应提高单个设备的适应能力和可靠性，而且配套后采煤机机面高度低，达到薄煤层开采过机空间要求，同时要求过煤空间足够，装煤效果好，人行通道符合要求，从而实现薄煤层安全、高效开采。有条件的煤矿采用智能化、自动化开采技术，使矿井实现数字化、现代化。

1.1 薄煤层采煤机技术要点

薄煤层采煤机的发展趋势是电牵引、大功率、多电机、机电一体化。

(1)装机功率大 选型时提高采煤机的装机功率，有利于提高采煤机的切割能力和爬坡能力，使采煤机遇到夹矸或煤层较薄时能顺利通过，实现工作面连续开采。近年来，各主要采煤国纷纷研制大功率、高强度的薄煤层采煤机，总装机功率达450～900kW以上。

(2)低机面高度 采用多电机横向布置驱动方式，有利于降低机面高度，从而对极薄煤层条件下确保最小200mm的过机空间，减少割矸量，提高煤质，提高经济效益。

(3)牵引力大 采用齿轮式无链交流电牵引，牵引力大，使采煤机适用于倾角较大的煤层，应用范围更广。

(4)采用高压供电 由于装机功率大幅度提高，为管线结构方便布置，保证供电质量，新研制的大功率电牵引采煤机供电一般由原来普遍采用的1140V提高到3300V。

(5)配置监测监控保护系统 新型的电牵引采煤机可本机控制，也可无线遥控器跟机遥控，并留有监测、监控和保护系统的接口，可通过数据线与集控中心连接实现工况监测及状态显示、故障诊断及预警、自动控制等多种功能;采煤机可实现记忆截割，滚筒自动调节采高满足斜切进刀自动化开采要求。

1.2 薄煤层刮板输送机技术要点

(1)溜槽采用封底式结构，提高了溜槽整体强度和可靠性，圆环链及刮板不与煤层底板接触，减少了底链运输阻力;每隔8～10节槽留有观察口，方便维护和维修。

(2)刮板链采用中双链形式，链条采用大直径高强度扁平链，实践证明该结构对于降低机面高度，提高运输能力是非常有效的。

(3)中部槽采用整体铸件结构，整体锻造齿轨，哑铃销连接形式，提高了刮板输送机的整体强度和可靠性。

(4)配置监测监控保护系统接口。机头机尾留有监测、监控和保护系统的接口，可通过数据线与集控中心连接实现工况监测及状态显示、故障诊断及预警、自动控制等多种功能，可满足自动化开采要求。

1.3 薄煤层液压支架技术要点

(1)架型一般为两柱掩护式，适应性好，可满足煤层厚度变化大的要求。

(2)保证有足够的过机空间、人行通道和通风断面。通常采用整顶梁结构，支架结构件选用高强度钢板，在满足强度要求的条件下，结构件截面尺寸尽可能薄，人行通道不得有挂钩等凸出物件。

(3)重量尽可能轻。由于薄煤层开采高度低，给支架的安装、拆卸、移架、搬运都带来了很大困难。设计时尽量简化结构，在保证支架强度的情况下，减轻支架重量。

(4)具有高可靠性。薄煤层液压支架作业空间小，要求结构简单可靠，液压管路尽量布置在梁体内防止挤压，液控阀和管路附件尽量采用不锈钢优质产品，密封件采用聚氨酯优质组合密封，提高产品安全可靠性，减少设备故障。

(5)自动化程度要求高。采用电液控制系统能实现自动邻架控制和成组控制，液压支架自动实现降、移、升和推溜工作循环，与采煤机配套完成自动跟机作业。

2 金阳煤矿设备选型

2.1 煤层赋存条件

金阳煤矿5－1上煤层位于延安组下部一岩段上部。矿区内大部分可采，煤层厚度0.83～2.03m，平均1.31m，含夹矸1～2层，夹矸总厚度0.24m，夹矸岩性为砂质泥岩及泥岩，顶板岩性为粉砂岩、泥岩，底板为粉砂岩。

5－1煤层位于延安组下部一岩段上部，除矿区东北部变薄不可采外，其余大部可采，为矿区主要可采煤层，煤层厚度0.3～6.49m，平均2.22m，含夹矸1～3层，夹矸总厚0.54m，岩性为泥岩，煤层稳定程度属较稳定煤层。顶板为粉砂岩，局部为中砂岩，底板为砂质泥岩。

2.2 工作面主要技术参数确定

2.2.1 机采高度确定

为确定工作面采高，对资源储量图进行了分析，各分块资源煤层厚度统计见图1所示。

根据上述分析，并考虑一定的夹矸层厚度，最终确定工作面采高为1.25～1.6m，支架高度范围为0.9～1.8m。

2.2.2 工作面倾斜长度确定

影响工作面倾斜长度的主要因素:

图1 各分块煤层厚度分布

(1)煤层赋存条件 煤层条件是影响工作面布置的重要因素，有较大地质变化 (如断层、褶曲等)时，应为界限划分工作面。

(2)设备技术性能 工作面越长所需液压支架支护强度越高，所需要刮板输送机有更大的功率和链条强度等。根据理论计算和现场使用情况，一般薄煤层工作面刮板输送机设计长度不大于250m，液压支架支护强度可满足工作面倾斜长450m的要求。

(3)合理经济分析 合理经济分析认为:工作面设计长度与工作面安全管理、产量、效率、设备投入成本、维护维修成本等有关。工作面倾斜长度的增大虽可提高设备开机率，但一次性投入增加，设备故障多，同时对顶板管理提出更高要求。

根据我国同类条件下其他矿区的开采经验，倾斜长度150～240m为宜，金阳煤矿首采工作面倾斜长200m。

2.2.3 支护强度确定

支护强度确定的基本原则是:使工作面岩层控制在达到最优的技术经济效果的前提下，保证液压支架工作的高可靠性和较高的适应性。对于新矿区在没有矿压观测资料的情况下，支护强度的确定通常采用理论公式计算法、数字模拟法、类比法等多种方法进行综合论证。

(1)岩石密度法 按照岩石密度估算法确定支护强度qd的公式为

式中，K1为作用于支架上的顶板岩石厚度系数。一般取6～8，冲击载荷较大取8;H为工作面采高1.8m;γ为岩石密度，取2.5 t/m3。

(2)数值模拟分析法 对金阳煤矿5－1上煤层进行了数值模拟分析，工作面支架支护强度与工作面后部2.5m处的顶板下沉量关系曲线见图2所示。通过数值模拟分析可知:支架支护强度为0.8MPa时，其顶板下沉量随支护强度的增加而减少的程度明显降低，因此，支架的支护强度应大于0.8MPa比较合理。

图2 支架支护强度与顶板下沉量曲线

根据以上计算分析，结合类似矿井薄煤层开采实际情况类比，最终确定金阳煤矿薄煤层开采支护强度应大于0.8MPa。

液压支架额定工作阻力F的计算公式为

式中，P为综采工作面额定支护强度，0.8MPa;L为支架中心距，取1.5m;Bc为控顶距，取5m;η为支撑效率，取0.95。

将上述各参数代入计算，得:

考虑支架缸径系列，最终确定支架的额定工作阻力为6400kN。

3 配套设备型号与参数

根据以上计算分析，金阳煤矿首采工作面倾斜长度200m;工作面采高为1.25～1.6m，支架高度范围为0.9～1.8m;支架支护强度应大于0.8MPa;液压支架额定工作阻力为6400kN。通过对采煤机和刮板输送机能力校核，确定采煤机、刮板输送机和液压支架型号及参数如下。

(1)采煤机主要技术参数 型号:MG320/710－WD1型电牵引采煤机。采高范围1.25～2.0m;适应倾角≤35°;煤坚固性系数f≤4;装机功率160×2×2+30×2+10(kW);电压等级3300V;机面高度865mm;滚筒直径1.15m;截深800mm。

(2)刮板输送机主要技术参数 型号:SGZ764/500型中双链刮板输送机。输送量1000t/h;刮板链速1m/s;电机功率2×250kW;电压等级3300V;中部槽型式;整体铸焊式封底溜槽，圆环链规格30×108－C，规格 (长×内宽×高)为1500mm×724mm×290mm。

(3)液压支架主要技术参数 型号 ZY6400/09/18D型两柱掩护式电液控支架。结构高度900～1800 mm;中心距1500mm;工作阻力 (P=39.8MPa)6400kN;支护强度 (f=0.2)为0.83～0.92MPa;泵站压力31.5MPa;操纵方式为电液控制;重量约14.5t。

4 结束语

我国薄煤层储量丰富，开采装备智能化、自动化是发展方向，且越来越受到煤矿管理者的青睐。由于煤矿工作面开采条件不断变化，因此开采装备对煤层地质条件的适应性及可靠性是决定成败的关键。国外薄煤层采煤机滚筒截割采用单电机驱动，机面高度在1m以上，最小机采高度为1.5m难以满足1.3m以下采高要求;国产薄煤层采煤机采用多电机横向布置机身较低，但可靠性与进口设备差距较大，有待进一步提高;薄煤层刮板输送机要求槽帮尽量低，运用高强度扁平圆环链，满足工作面倾斜长度240～300m的可靠性要求;液压支架架型结构对煤层地质条件的适应性是设备选型的难点。因此，对薄煤层工作面设备进行选型配套技术研究是非常重要的，在保证开采装备适应性和可靠性的前提下，才能实现智能化、自动化安全高效开采。

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