国投塔山矿近距特厚煤层综放工作面设备选型与配套关键技术

张豫龙，刘新华

(1.天地科技股份有限公司 经营管理部，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

国投塔山矿近距特厚煤层综放工作面设备选型与配套关键技术

张豫龙1，刘新华2

(1.天地科技股份有限公司 经营管理部，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]以国投塔山矿3-5号煤层首采工作面为例，对近距特厚煤层选型配套关键技术进行了研究，并针对近距煤层矿压特点，对支架进行抗冲击设计。同时在工作面设备配套中，在转载机与巷道下帮之间留设行人通道实现不停机安全行人，提高了工作面的安全性。针对近距特厚煤层的选型配套技术已在井下成功应用，可为类似条件采煤工作面设备选型配套提供参考。

[关键词]近距特厚煤层；综放工作面；设备选型配套；行人通道

近几年大采高特厚煤层综放开采技术相对成熟，国内许多矿区都有类似条件综放工作面成功应用案例，但近距特厚煤层综放开采技术的应用还比较少见，上覆采空区中的残留煤柱对待采煤层工作面的影响尚不清楚。本文以国投塔山矿3-5号煤层首采工作面为例，对近距特厚煤层开采设备选型及关键技术进行了研究，并给出了应对措施。

1矿井概况

1.1可采煤层条件

国投塔山煤矿可采和局部可采煤层为2，3，5，8，9号5层。2号煤层一盘区开采完毕， 3-5号煤三盘区将成为主采煤层。3-5号煤层属稳定煤层，煤层全层厚15.72～26.77m，平均厚17.93m，煤层伪顶区内零星分布有岩性为泥岩、砂质泥岩，厚度为0.2～0.5m；直接顶岩性为高岭质泥岩、炭质泥岩，厚度为3～5m；基本顶岩性为中粗砂岩，厚度为6～15m。底板岩性为砂质泥岩、泥岩，厚度为0.8～3.20m，煤层综合柱状图见图1。

图1　主采煤层综合柱状图

1.2首采工作面参数

三盘区30501工作面为3-5号煤层首采面，煤层倾角约为2°，煤层平均厚度15.96m。工作面长度180m，最大机采采高4.0m，截深800mm，采用“一采一放”工艺，工作面运输机卸载方式采用端卸。运输巷道为矩形巷道，宽5.4m，高3.5m；回风巷道为矩形巷道，宽5.2m，高3.5m。

2近距特厚煤层工作面设备选型

3-5号煤层与上覆2号煤层平均层间距只有4.35m。首采面上方的2号煤层已开采完毕，但2号煤层中残留有保护煤柱，因两层煤之间的间距小，在下层煤开采过程中会对局部顶板压力产生较大影响。这就要求在合理的采煤工艺基础上，通过适当的设备选型配套，使3-5号煤层开采能够适应上层煤层残留煤柱对下层煤层工作面开采的应力集中及冲击压力影响。

国投塔山煤矿设备布置中在转载机与巷道下帮之间留设行人通道，胶带运输机布置在巷道工作面侧，使得采煤机滚筒中心线难以过煤壁，工作面推进过程中机头处三角煤不易割透，由此带来的弊端也将影响工作面设备选型配套。

2.1主要设备选型分析

2.1.1液压支架选型

(1)支护强度确定支护强度计算方法的理论基础是工作面支架工作阻力承受直接顶和顶煤的载荷，并平衡基本顶失稳时对支架的动载，支护强度计算公式为：

q=Kd(qd+qc)=Kd(rd·h+rc·Mc)

(1)

(2)

式中,q为支架所需支护强度；Kd为基本顶失稳时的动载系数，1.1～1.8，取1.4；qd为直接顶自重；rd为直接顶岩层密度，取2.4×103kg/m3；h为直接顶垮落充填高度；qc为支架上方顶煤自重；rc为煤层密度，取1.43×103kg/m3；Mc为支架上方顶煤高度；M为煤层一次采出厚度；Kp为直接顶碎胀系数，1.25～1.5，取1.4；C为煤层回收率，取0.75，

根据矿井实际地质资料，取煤层平均厚度17.93m，最大机采高度取4.0m，放煤高度取13.93m。经计算可得支架的合理支护强度q为1.38MPa。

(2)支架工作阻力确定支架工作阻力的计算公式为

P=q(LK+LD)B

(3)

式中，P为工作阻力；LK为梁端距；LD为顶梁长度；B为支架宽度。

则P=1380×(5.5+0.5)×1.75=14490(kN)

综合考虑富裕系数与立柱缸径标准化等因素，将工作阻力确定为15000kN。

(3)支架高度确定支架的最大结构高度主要取决于工作面采煤机最大割煤高度。针对国投塔山采面的煤层地质条件，确定机采高度为3.5～4.0m，支架的最大高度为4.2m，支架最低高度确定为2.75m。最终确定支架型号为ZF15000/27.5/42D型四柱支撑掩护式液压支架。

2.1.2采煤机选型

(1)采煤机滚筒直径确定滚筒直径一般为最大采高的0.55～0.6倍，即滚筒直径D=0.55～0.6Hmax(Hmax为工作面最大采高，选择4m)。通过计算可知D=2.2～2.4m，由于胶带输送机靠工作面侧布置，机头需较大挖底量以防止工作面设备下窜后割不透三角煤，综合考虑将采煤机滚筒直径确定为2.5m。

(2)采煤机装机功率确定采煤机装机功率包括截割电动机功率、牵引电动机功率、破碎电动机功率，以及液压泵电动机功率。装机功率可以采用比能法进行计算，即：

P=QHW

(4)

式中，P为装机功率，kW；Q为采煤机的实际生产率，取1050t/h；HW为采煤机单位能耗，取HW=0.8(kW·h)/t。

将各参数代入得：P=1050×0.8=840(kW)

采煤机的理论装机功率应不小于840kW，实际生产中，采煤机的装机功率比正常割煤所需的功率要多出30%～50%，以增强采煤机过地质构造时的破岩能力与割夹矸能力。根据3Mt/a的设计生产能力要求，考虑1.5的富裕系数，采煤机截割功率选用2×650kW=1300kW是满足生产能力的，最终确定采煤机的总装机功率应不低于1700kW，确定采煤机型号为MG650/1710-WD型无链电牵引采煤机。

2.1.3运输机选型

对于综放工作面，前部运输机选型要保证运输机运煤能力与采煤机的落煤能力相匹配，后部运输机选型要满足工作面割煤和放煤平行作业，最终实现工作面高产高效。

(1)前部运输机能力确定考虑到工作面运输机运转条件多变，前部运输机实际运输能力应略大于采煤机的生产能力，即

Qy≥Kc·Kv·Ky·Qc=(1.2～1.4)·Qc

(5)

Qc=60·H·B·γ·Vc

(6)

式中，Kc为采煤机割煤速度不均匀系数，取1.3～1.5；Kv为采煤机与输送机同向运动时的修正系数，取1.05；Ky为煤层倾角和运输方向系数，取0.9；Qy为输送机的最大运输能力，t/h；Qc为采煤机的实际生产能力，t/h；H为平均采高，取3.5m；B为采煤机截深，取0.8m；Vc为采煤机平均割煤速度，取6m/s；γ为煤的密度，取1.43t/m3。

将上述各参数代入得，采煤机的实际生产能力为1441t/h，刮板输送机的运输能力应不小于2018t/h。

(7)

式中，K为电机功率备用系数，一般取1.1～1.3，取1.3；K1为刮板链绕过两端链轮时的附加阻力系数，取1.1；K2为移动输送机时中部槽弯曲附加阻力系数，取1.1；q0为刮板链每米重量，取48kg/m；f1为刮板链在槽中运行阻力系数，一般取0.25～0.35，取0.3；f2为煤在槽中运行的阻力系数，一般取0.6～0.8，取0.8；β为工作面倾角，取2°；q为每米中部槽煤量，q=Qy/(3.6×V1)，取400kg/m，V1为链速；L为工作面长度，180m；η为传动装置效率，取0.95。

将各参数代入公式(7)可得N=1377kW。

根据以上计算结果，考虑工作面不确定因素，确定前部运输机总功率应大于1377kW。

(3)后部运输机主要参数确定综合考虑工作面年产量水平与前后部运输机设备互换性要求，后部运输机功率、运量选用与前部相同。

2.2综采工作面设备选型结果与配套

国投塔山煤矿近距特厚煤层首采综放工作面最终选型配套设备明细见表1。

表1　工作面选型配套设备明细

工作面中部三机设备配套见图2。

图2　工作面中部三机配套断面

图3　运输巷道行人通道线路

国投塔山煤矿胶带运输机布置在运输巷道工作面侧，在转载机与巷道下帮之间留设行人通道，如图3中箭头所示，在转载机上架设行人过桥实现不停机安全行人。这种布置方式在有助于高效生产的同时，对工作面设备选型配套与设备运行管理要求高，其缺点是巷道宽度一定的前提下，设备配套后采煤机滚筒中心线难以过煤壁，或过煤壁距离很小，导致机头三角煤有可能割不透，在工作面设备下窜机尾后，三角煤割不透的几率更大。为保证机头处割透三角煤，可采取以下措施：

(1)设备配套中提高机头挖底量，可通过加大滚筒直径方式实现。如图4所示，国投塔山矿采煤机滚筒直径选用2500mm，此时机头挖底量为391mm，实践证明该方法可以满足配套要求。

(2)在工作面采煤过程中，提高工作面管理水平，减少工作面设备下窜几率。

图4　工作面机头处设备配套关系示意

3近距特厚煤层在选型配套中采取的技术措施

3.1液压支架设计制造中应采取的措施

(1)为防止工作面冲击压力，支架立柱安装双安全阀，大安全阀流量1000 L/min，小安全阀流量400L/min。

(2)顶梁柱窝采用整体高强度铸件防止高冲击压力损坏顶梁。

(3)提高支架结构件安全系数，结构件强度充分考虑冲击压力。

(4) 支架液压系统采用大流量电液控制系统，在冲击来压时能够实现工作面快速推进。

3.2采煤工艺与工作面管理中应采取的措施

(1)首采工作面巷道布置中采用与2号煤层

煤柱平行内错布置方法，实现降低应力集中对巷道支护的影响。

(2)对位于2号煤层煤柱附近的支架，根据现场压力显现情况确定是否放煤和放煤架数，如果压力增加不放煤或少放煤。

(3)在工作面上方没有煤柱的采煤区域也要根据压力显现情况确定顺序放煤或间隔放煤。

(4)当周期来压时，压力显现明显或较大时，减少放煤工作面的快速推进。

4结束语

(1)通过几个月的开采实践证明，国投塔山煤矿近距特厚煤层的设备选型与应对措施是可行的，近距特厚煤层开采可通过提高支架可靠性与抗冲击能力去满足工作面压力大的工况。遇到特大压力时通过提高工作面推进速度和减少放煤频率快速通过冲击压力区。

(2)国投塔山煤矿综放工作面设备布置中，行人通道留设在转载机与巷道下帮之间实现不停机安全行人，提高了工作面的安全性，这种设备布置方式的缺点完全可通过合理的设备选型配套和工作面管理克服。

[参考文献]

[1]王国法.放顶煤液压支架与综采放顶煤技术[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[2]刘绪玉.不连沟煤矿高产高效开采设计及设备选型配套[J].煤炭科学技术，2013，41(8)：4-7.

[3]庞义辉.凉水井矿中厚煤层年产6Mt工作面国产设备选型[J].煤炭工程，2014，46(11):4-7.

[4]罗善明.高产高效综放工作面设备选型特点分析 [J].煤矿机械，2003，24(3)：28-30.

[5]张宇.国投塔山煤矿石炭系巨厚煤层开采设计研究[A].中国煤炭学会第九届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C].北京：中国煤炭学会，2014.

[6]范苑.国投大同塔山煤矿近距离特厚煤层的开采方法研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2014.

[责任编辑：徐亚军]

Key Techniques of Equipment Selection and Matching of Fully Mechanized Top Coal Caving Face with Close Distance and Giant Thickness Coal Seam in Guotou Tashan Coal Mine

[收稿日期]2015-11-06[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.014

[作者简介]张豫龙(1978-)，男，山西昔阳人，工程师，现任天地科技股份有限公司经营管理部副主任。

[中图分类号]TD355.44

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2016)03-0052-03

[引用格式]张豫龙，刘新华.国投塔山矿近距特厚煤层综放工作面设备选型与配套关键技术[J].煤矿开采，2016，21(3)：52-54，142.