复杂条件下薄煤层安全高效综采设备配套技术研究

杨 都 姚精明

(1.重庆渝新能源公司打通一矿，重庆 401445； 2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

我国薄煤层资源丰富，分布广泛，占全国煤炭储量的20%以上[1]。但是薄煤层产量仅占全国总产量的10.4%左右[2]。综采是薄煤层安全高效开采技术之一，河北邢台显德汪[3]、峰峰集团有限公司小屯矿[4]、山东枣庄田陈矿[5]、黑龙江七台河桃山煤矿[6]、安徽淮南谢一矿[7]、四川广能李子垭矿[8]等矿井进行了薄煤层综采的研究，并取得了一定的成绩，促进了薄煤层综采在我国的推广。但是上述研究还需要进一步改进和完善，存在的问题主要表现在：

1)采煤机单向割煤；2)采煤机过煤高度太低；3)“三机”功率太低，导致故障率高和回采效率低；4)采煤机机面高度太大而被顶板压死；5)液压支架顶梁太厚，导致采煤机过机高度太低；6)综采设备主要在厚度1.2 m以上的煤层中应用，1.0 m以下煤层适应性较差，回采效率低。

本文采用理论分析、数值模拟实验和现场试验相结合的方法，研究了顶板破碎条件厚度1.0 m以下薄煤层综采设备选型，以实现薄煤层安全高效生产，增加薄煤层开采的社会经济效益，为我国相似条件下的薄煤层开采提供实践价值和理论意义。

1 工程概况

2 薄煤层安全高效综采设备配套研究

2.1 采煤机选型

2.1.1采煤机的机身布置方式

薄煤层采煤机机身布置主要有爬底板、骑输送机和悬臂三种方式，其中悬臂式具有机面高度低、过煤高度大、能消除爬底板采煤机对底板要求高的缺点，但较难保持机身稳定和平衡。考虑到21041工作面煤层薄、顶板破碎的实际情况，决定采用悬臂布置方式。

2.1.2采煤机割煤速度

采煤机理论生产率[9]：

Qt=60BHvmaxρ

(1)

其中，Qt为采煤机理论生产率，t/h；H为工作面平均采高，取0.85 m；B为采煤机有效截深，取0.6 m；vmax为采煤机割煤时可能的最大牵引速度，m/min；ρ为煤的密度，取1.45 t/m3。

采煤机实际年生产能力为：

Qy=330Qtk1k2T

(2)

其中，Qy为采煤机实际生产能力，t/年，某矿21041综采工作面的设计生产能力为20万t/年，故Qy=200 000 t/年；k1为采煤机技术上可能达到的连续工作系数，一般k1=0.5～0.7；k2为采煤机在实际工作中的连续工作系数，一般k2=0.6～0.65;T为采煤机每天工作时间，按“两采一准”作业方式考虑，T=16 h。

代入数据，由式(1)，式(2)可得：

vmax≥2.85 m/min

(3)

2.1.3采煤机装机功率

采煤机截割功率为[10]:

P=60KbBHmaxvmaxHw

(4)

其中，P为采煤机截割功率，kW；Kb为备用系数，取1.2；Hmax为工作面最大采高，取1.10 m；Hw为采煤机割煤单位能耗，由煤层的硬度、煤的粘性确定，kWh/m3，根据该矿在相似条件工作面的观测，Hw近似为2.1 kWh/m3。

把数据代入式(4)得：P=285.0 kW。

由于是双滚筒采煤机，故每个滚筒采煤机的切割功率为P/2=142.5 kW，考虑到薄煤层高产高效采煤机单个滚筒切割功率不小于150 kW，故采煤机切割功率为2×150=300 kW。

采煤机的牵引力应能保证采煤机不打滑，显然，当采煤机上行割煤时，采煤机最易下滑。对采煤机上行割煤进行力学分析，如图1所示。

采煤机上行割煤的稳定条件是：

N01+N02+f2≤F-G1sinθ

(5)

其中，F为圆环链对采煤机作用的牵引力，kN；θ为工作面倾角，按采煤机最易下滑考虑，取30°；N01,N02分别为煤壁对前、后滚筒沿工作面方向的推进阻力，kN，一般计算比较复杂，常采用下式近似估算[11]：

N01+N02=F(47～59)%/(1+K2)

(6)

f2为采煤机上行时输送机对采煤机产生的沿工作面方向的摩擦力，其计算为：

f2=(G1cosθ+N21)μ

(7)

其中，K2为前后滚筒的截割阻力之比，一般为0.2～0.8，薄煤层取小值为0.2；μ为采煤机与输送机间摩擦系数，取0.2。

由式(5)～式(7)可得:F≥273.0 kN。

考虑到采煤机过断层时能够提供较大的牵引力，根据采矿设计手册，可选用2×55 kW的牵引电机，该电机可以提供2×240 kN牵引力。

此外，还应考虑采煤机调高电机功率，类比该矿其他薄煤层采煤机情况，一般为2×5.5 kW，因此，采煤机装机功率为：2×150+2×55+2×5.5=410 kW。

由于薄煤层空间狭小，为了减小采煤机机面高度，采煤机采用外牵引布置方式，牵引部布置在工作面输送机的机头、机尾处。

2.2 刮板输送机选型

2.2.1刮板输送机机构

双中心链刮板输送机能够较好地解决在弯曲段受力分配不均、整体强度不高的问题，且运行阻力较小，不容断链，结合21041工作面开采条件和工作面生产能力，选用双中心链刮板输送机。

2.2.2刮板输送机功率[12]

刮板输送机运输能力Qg应满足如下条件：

Qg≥1.1Qt=139 t/h

(8)

刮板输送机单位长度的装煤量为：

q=Qg/3.6v

(9)

刮板链在重载和空载直线段的运行总阻力分别为：

Wz=(qω+q1ωl)Lgcosβ-(q+q1)Lgsinβ

(10)

Wk=q1Lg(ωlcosβ+sinβ)

(11)

其中，q为输送机单位长度的装煤量，kg/m；v为刮板链运行速度，取1 m/s;Wz为重载直线段的总阻力，N；Wk为空载直线段的总阻力，N；q1为刮板链单位长度的质量，采用φ26×92-C级圆环链时，约为36.3 kg/m；L为刮板输送机的设计长度，按180 m考虑；ω为煤在槽内运行的阻力系数，取0.8；ωl为刮板链在槽内运行的阻力系数，取0.4；g为重力加速度，取9.8 m/s2；β为刮板输送机的铺设倾角，按开采区域煤层倾角0°～30°考虑。

代入数据得：q=83.3 kg/m～138.9 kg/m；Wz=143 213.3 N～22 163.3 N；Wk=25 613.3 N。

电动机最大功率和最小功率分别为：

Nmax=W0v/1 000η

(12)

Nmin=1.1q1Lωlgcosβv/1 000η

(13)

电动机等效功率为：

(14)

刮板输送机电动机总功率为：

N0=kdNd′

(15)

其中，Nmax为刮板输送机电动机满负荷时电动机的最大功率，kW；Nmin为刮板输送机电动机空载时电动机的最小功率，kW；η为传动装置效率，取0.8；kd为备用系数，取1.2。

代入数据后得N0=214 kW～298 kW。因此，可采用两台160 kW的双速电动机驱动。

2.3 液压支架选型

2.3.1液压支架结构

2.3.2液压支架移架速度

为了保证采煤机生产能力充分发挥，液压支架移架速度应大于采煤机牵引速度。即:

ve≥vp=2.85 m/min

(16)

2.3.3液压支架初撑力和工作阻力

液压支架的初撑力支护强度可以通过经验公式计算[13]：

qz=200K×Kc/1 000

(17)

其中，qz为初撑力支护强度，MPa；K为富裕系数，K=1.2；Kc为悬顶系数，取1.0～1.5，考虑到21041工作面顶板为已经垮落充分的破碎顶板，Kc取1.2。

代入数据得qz=0.288 MPa，因此，初撑力支护强度可取0.3 MPa。

由矿山压力理论可知，当工作面老顶来压时，工作面支架的工作阻力最大，因此，仅以工作面老顶初次来压的支架工作阻力作为支架选型标准。

根据我国薄煤层液压支架的几何参数和21041工作面采煤机布置特点，支架顶梁长度为3.9 m，宽度为1.75 m。利用FLAC数值模拟软件计算结果，顶梁前端、中部和末端的垂直应力分别为0.20 MPa，0.45 MPa和0.55 MPa，于是支架的支护强度为(0.20+0.45+0.55)/3=0.40 MPa，考虑到老顶旋转下沉的动载荷效应，上述计算结果应乘一个动载荷系数，动载荷系数一般为1.1～1.8，由于上分层开采后动载荷系数相对较小，取1.25，故支架支护强度为1.25×0.4=0.5 MPa。于是支架的工作阻力Pg为：Pg=0.5×3.9×1.75×1 000=3 400 kN。

2.3.4液压支架的支撑高度

由数值模拟计算可知，21041工作面顶板最大下沉量Δh=0.15 m。工作面最大采高Mmax=1.1 m，最小采高Mmin=0.59 m，综采卸载高度a一般为0.1 m，于是支架的最大支撑高度Hmax=Mmax+0.2=1.3 m，最小支撑高度为Hmin=Mmin-Δh-a=0.34 m。

因此，支架的支撑高度为0.34 m～1.3 m。显然，支架最小支撑高度小于采煤机机身高度，因此最小采高应为采煤机机面高度hj、顶板下沉量与卸载高度之和，即Hmin=hj+Δh+a=0.82 m，故支架的支撑高度为0.82 m～1.3 m。

考虑到21041工作面顶板压力较小，为了增加支护空间高度，将液压支架顶梁设计为板式结构，以增加回采空间，增大过机高度。

3 现场应用

根据上述研究结果，某矿21041工作面采用MG2×150/421-PFD型外牵引双滚筒采煤机、SGZ730/320-LT型工作面刮板输送机、ZY3400/6.5/14型工作面液压支架掩护式液压支架及其相关配套设备。

采煤机基本参数为：总功率421 kW。采高0.8 m～1.5 m，倾角不大于45°，机面高度570 mm，过煤高度300 mm，截深630 mm。有链电牵引，牵引动力安装在工作面运输机的机头机尾上，采煤机重量约14 t；刮板输送机基本参数为：功率2×160 kW，设计长度180 m，φ26×92 C级圆环链，中双链，中部槽规格为1 750 mm×690 mm×263 mm(长×内宽×高)，运输能力300 t/h。液压支架参数为：高度0.65 m～1.4 m，中心距1.75 m，初撑力2 046 kN～2 750 kN，工作阻力2 414 kN～3 245 kN，支护强度0.455 9 MPa～0.733 6 MPa，电液阀操作控制，重量10.6 t。

21041工作面于8月份投产，截止到10月底工作面共采原煤41 700 t，安全推进436 m，最大月推进219.6 m，平均月推进度达145 m，实现了该工作面的安全高效生产。回采期间，没有出现因过煤高度低煤块被卡住的情况，未出现采煤机或者支架被压死或者刮板输送机断链的设备事故，未发生人员伤亡事故，工人安全得到了保障，工人的劳动强度得到了降低。经计算，21041采用上述设备后，前3个月可以实现年利润560万元。

4 结语

通过理论分析、数值模拟分析，初步确定了21041工作面三机配套，即采用MG2×150/421-PFD型外牵引双滚筒采煤机、SGZ730/320-LT型工作面刮板输送机、ZY3400/6.5/14型工作面液压支架掩护式液压支架及其相关配套设备。现场实践证明，该配套设备能够有效实现薄煤层综采安全高效开采。