薄煤层开采设备选型

张骁亚

（西山煤电集团官地矿， 山西 太原 030022）

引言

在我国，薄煤层资源储量丰富，但其开采工艺却相对落后，煤炭产量低，经济效益差，给薄煤层开采技术的推广应用带来较大困难。对薄煤层开采技术的研究，为我国减少薄煤层资源浪费，延长矿井服务年限有着十分重要的作用，其中，对工作面开采设备的选型配套研究，是工作面安全高效生产的基础[1-2]。

1 工程背景

某矿3号煤层为其主采煤层，煤层埋深平均为220 m，厚度为 1.05～1.40 m，平均 1.20 m，煤层倾角为0～3°，平均仅1°，属于近水平薄煤层，煤层厚度稳定，结构简单，不含夹矸，属于全区可采煤层。煤层普氏系数为1.5～2.5，平均为2，属于中硬煤层，直接顶岩性以粉砂岩为主，岩层厚度平均2.2 m，基本顶岩性以细砂岩为主，岩层厚度平均7.0 m，底板岩性以中砂岩为主，岩层厚度平均2.7 m。煤层瓦斯含量较低，属于低瓦斯矿井，有煤尘爆炸的危险，自燃倾向为Ⅰ类，属于易自燃煤层。根据该矿实际地质条件，确定工作面液压支架、采煤机和刮板运输机的基本参数，并进行选型研究。

2 采煤机选型

对于采煤机的选型，不仅要考虑煤层的实际赋存条件还要满足矿井生产需求，并与其他开采设备相互配套。

2.1 确定滚筒直径

工作面采高与煤层厚度有着直接关系，根据地质资料，煤层厚度为1.05～1.40 m，考虑工作面部分区段存在少量伪顶，设计工作面最小采高为1.1 m，最大采高为1.5 m。由此可确定采煤的滚筒直径应大于0.75 m。

2.2 确定采煤机型号

通过上述分析，考虑到薄煤层开采过程中会不可避免的遇到破岩的情况，要求采煤机的功率要高、质量要大，以提高采煤机的稳定性，因此，推荐该矿使用MG350/811-WD型采煤机，其基本参数见表1。

表1 采煤机基本参数

该型采煤机主要有以下优点：

1）截割功率相对较高，有较强的破岩能力，重量大，稳定性好，截割岩层时所受影响较小。

2）采煤高度为 1.0～1.98 m，满足工作面 1.1～1.5 m的采高要求。

3）整体采用桥式布置，机身较高，过煤高度较大，有效解决了上行采煤时刮板运输机运煤困难的问题。

4）变频器、液压系统采用进口设备，性能优异，可靠性好，故障率低，操作界面均为中文标志，简单易懂。

因此，认为采用该型采煤机完全满足工作面需求。

3 刮板运输机选型

刮板运输机的选型要满足采煤机的生产能力，且其外形尺寸要与采煤机相匹配[3]。

3.1 确定刮板输送机的输送能力

刮板运输机的输送能力一般为采煤机的1.2～1.4倍，在此取1.4倍，其表达式为

式中：Qy为刮板运输机输送能力，t/h；Qc为采煤机最大割煤能力，t/h；Vmax为采煤机最大割煤速度，m/min；Mmax为工作面最大采高，m；B为采煤机截深，m；γm为煤层容重，t/m3。

4.3 社会效益 “双珍”树种资源是重要的战略资源，不仅具有显著的经济效益和生态环境效益，而且对于科学技术进步、社会精神文明建设等都具有十分重要的现实意义。发展林下经济“双珍”模式，对调整林业产业结构、提升林业产业的效益和科技含量、提高林地高附加值、带动农民脱贫致富等方面都具有重要意义，可解决农村富余劳动力就业，推动种植业、加工业、贸易业、旅游业、运输业等行业持续共同发展。

根据矿井地质情况和表1所示参数，取Vmax为4.5 m/min，Mmax为 1.5 m，B 为 0.63 m，γm为 1.43t/m3。将数据代入式（1）可得，刮板运输机的输送能力应大于510.8 t/h.

3.2 确定刮板运输机的铺设长度

为采煤机端头割三角煤时方便运输，刮板运输机的两端通常布置在工作面回采巷道内，则刮板运输机的铺设长度为：

式中：L为刮板运输机铺设长度，m；L1为工作面长度，取160 m；lt为机头在回采巷道内的长度，取4 m；lw为机尾在回采巷道内的长度，取4 m。因此，可得刮板运输机的铺设长度应为168 m。

3.3 确定刮板运输机的功率

刮板运输机的功率可由下式计算得出：

式中：N为刮板运输机功率，kW；K为电动机功率富裕系数，取1.3；K1为刮板两侧链轮附加阻力系数，取1.1；K2为运输机中部弯曲附加阻力系数，取1.1；q0为运输机空载时每米质量，取18 kg/m；f1为刮板链运行时的阻力系数，取0.35；β为煤层倾角，取1°；q为运输机运煤时每米煤的质量，取120 kg/m；f2为刮板运输机运行时煤在槽中的阻力系数，取0.7；v1为刮板链速，取1.28 m/s；η为运输机传动效率，取 0.9。

将数据代入式（3）可得，刮板运输机的功率最小应为348 kW。

3.4 确定刮板运输机型号

通过上述分析，推荐该矿使用SGZ700/400型中双链刮板运输机，其基本参数如表2所示。

表2 刮板运输机主要参数

4 液压支架选型

液压支架的合理选型是保障工作面安全生产的重要因素，液压支架的选型主要是确定合理的支架高度和工作阻力。

4.1 确定支架高度

支架的高度主要取决于工作面的采高，由前面分析可知工作面最小采高为1.1m，最大采高为1.5m，支架高度应与采高之间留有一定余量，以适应煤层的起伏，综合考虑，确定支架最小高度不大于0.9 m，最大高度不小于1.7 m。

4.2 确定支架工作阻力

1）由矿井地质报告可知，工作面基本顶为7.0 m厚的细砂岩，其自身载荷为：

式中：q1，1为基本顶岩层的自身载荷，kPa；γ1为基本顶岩层容重，取26 kN/m3；h1为基本顶岩层厚度，取7 m。代入得基本顶自身载荷为182 kPa。

2）基本顶上为8 m后的粉砂岩，其对基本顶的载荷为：

式中：q1，2为粉砂岩对基本顶所产生的载荷，kPa；E1为基本顶弹性模量，取24 GPa；E2为粉砂岩弹性模量，取 21 GPa；γ2为粉砂岩容重，取 25 kN/m3；h2为粉砂岩岩层厚度，取8 m。代入数据得基本顶上粉砂岩对基本顶的作用载荷为165.6 kPa。

可见 q1，2＜q1，1，说明细砂岩层不受粉砂岩层的作用，即基本顶所受载荷只有其自身载荷182 kPa。

3）根据固支梁理论，基本顶的初次来压步距为：

式中：Lc为基本顶初次来压步距，m；R为基本顶单轴抗拉强度，取2.08 MPa；q1为基本顶所受载荷，取0.182 MPa；h1为基本顶岩层厚度，取7 m。代入数据得基本顶初次来压步距为33.5 m。

4）基本顶周期来压步距为：

式中，Lz为基本顶周期来压步距，m；R为基本顶单轴抗拉强度，取2.08 MPa；q1为基本顶所受载荷，取0.182 MPa；h1为基本顶岩层厚度，取7 m。代入得基本顶周期来压步距为13.6 m。则基本顶平均来压当量为：

式中：Pe为基本顶平均来压当量，kPa；N为直接顶充满系数，N=hz/M；hz为直接顶厚度，取2.2 m；M为煤层采高，取1.2 m。代入数据得Pe=664.56 kPa。

5）按照基本顶分类标准，3号煤层属于Ⅰ级来压不明显顶板。依据国家对采场顶板分类建议的支护强度下限[4]，采高1.2 m时Ⅰ级顶板支护强度最小为P=410 kPa。

6）支架的工作阻力为：

式中：F为支架工作阻力，kN；Lk为支架控顶距，取4.5 m；b为支架宽度，取1.5 m；Kz为安全系数，取1.3。代入数据得支架阻力为3 597 kN。

4.3 确定支架型号

通过上述分析，推荐该矿使用ZY7000/09/18D型掩护式支架，其基本参数如表3所示。

表3 支架基本参数

4.4 端头支架选型

端头支架除要满足中部支架相关要求外，还需适当增加支架高度，满足巷道高度，结构配件与操作系统等与中部支架尽量一致，侧护板适当加长，保证端头有效支护。因此推荐ZYG7000/13/26D型液压支架作为工作面端头支架。

5 结语

根据某矿3号薄煤层实际地质条件，通过理论计算对工作面开采设备进行合理选型，最终选择MG350/811-WD型采煤机、SGZ700/400型刮板运输机、ZY7000/09/18D型液压支架和ZYG7000/13/26D型端头支架。实际生产中，采用该型号开采设备有效保障了工作面生产需求，维护简单，故障率低，为矿井安全高效生产奠定了基础。