大倾角薄煤层综采工作面配套优化设计

李 刚

（贵州省煤矿设计研究院，贵州 贵阳 550000）

贵州省松河煤业位于贵州省六盘水市，地理坐标为东经104°35′38″～104°45′5″，北纬26°2′30″～25°57′45″。该矿井为煤与瓦斯突出矿井，矿井通风方式为分区式，通风方法为抽出式，设计能力240万t/a[1]。矿井自投产以来，一直采用综合机械化采煤的回采工艺方式。基于矿井煤田的地质条件及煤层赋存特征，煤层倾角约为30°，根据矿井巷道掘进布置方式，采煤工作面选择单一走向长壁后退式采煤方式，顶板管理采用部分人工冒落法。根据该矿区煤层赋存特征，参与三机配套及选型设计，优化方案如下。

1 采煤机设计选型

1.1 采煤机选型原则

（1）由于采煤机长期处于额定功率会引起电机烧损，该矿区地质构成复杂，存在较多的隐伏小断层，因此应有足够大的电机功率，适用的煤质硬度范围为略大于煤及煤矸石的硬度系数f。

（2）在空间与机械关系上，采煤机应与刮板输送机、转载机、液压支架相配套。

（3）为了适应回采面煤层厚度的变化，应配备各种规格直径的滚筒，并采用双滚筒。

（4）该矿区根据设计年生产能力及井下工作面接替安排，采煤机的选型应同时考虑其他主采煤层的开采，保证生产能力。

1.2 采煤机选型

根据采煤机选型的主要原则，为保证所选采煤机适应主采煤层的开采，并保证主采煤层生产能力。(3号煤层工作面采煤机均按150万t/a）

（1）生产能力选型

采煤机每小时生产能力为：

综采工作面采煤机小时生产能力Qh（t/h）为648t/h。

（2）综采工作面采煤机平均牵引速度V（m/min）

11采区3号煤综采工作面采煤机平均牵引速度：V=3.9m/min，12采区3号煤综采工作面采煤机平均牵引速度：V=5.07m/min。

（3）计算工作面采煤机所需装机功率N（kW）

工作面采煤机所需装机功率包括截割电动机、牵引电动机、破碎机电动机、液压泵电动机、机载增压喷雾泵电动机等所有电动机功率总和[2]。装机功率与比能耗HW和采煤机小时生产率有关。

N=Qh×HW

式中：

N-采煤机所需装机功率，kW；

Qh-采煤机小时生产率，t/h；

HW-截割比能耗，根据该矿区煤质硬度系数及夹矸情况选取HW=0.5。

3#煤综采工作面采煤机功率N=324kW。

（4）采煤机截割阻抗分析

采煤机截割阻抗，即抗切削强度α标志着煤岩的力学特征，是选取采煤机装机功率的基本依据，该矿区为肥煤、焦煤、瘦煤，属中硬煤，f=1.5～3.0，α在1.8～3.6kN/cm之间。11、12采区3号煤层平均厚分别为2.55m、2.05m，经计算采煤机生产能力最大为11.7t/min。根据以上分析和采煤机装机功率推荐值要求，采煤机装机功率必须大于450kW以上。

（5）采煤机所需牵引力的确定

影响采煤机牵引力的因素很多。煤质越坚硬，牵引速度越高，采煤机越重，工作面倾角越大则牵引力就越大。据经验统计，采煤机的牵引力数值为装机功率数值的0.5倍左右。

（6）确定滚筒直径

滚筒直径一般按最大采高的0.6倍来考虑，本矿井煤层厚度变化较大，11、12采区3号煤层平均厚分别为2.55、2.05m，最大采高考虑在3.3m之内，则该矿区可选用1.6m标准滚筒直径，采高范围在1.6～3.2m，能满足要求。

根据采煤机小时生产能力、功率、牵引速度的计算结果及采煤机所需牵引力、截割阻抗、滚筒直径的计算分析，3号回采面采煤机选型最终定为电频电牵引AWD-400/930型。

2 刮板输送机设计选型

2.1 刮板输送机选型原则

（1）设计输送能力应大于同采面采煤机的预期生产能力；

（2）与工作面长度相适应的运输机实际铺设长度，并能够保证实时调整输送能力；

（3）尺寸应与其他机械配套设备要求相适宜，溜槽强度能够承受采煤机工作所产生的动压力和静压力。

2.2 刮板输送机运输能力计算

刮板输送机运输能力按下式计算：

Q=60×V×h×b×γ×K1×K2×K3

11采区3号煤综采面刮板输送机的运输能力Q=784t/h，12采区3号煤综采面刮板输送机的运输能力Q=771t/h。

据以上计算，刮板输送机与采煤机的小时生产能力比：

784/648～771 /648=1.21～1.19

因采煤机计算功率只需3号煤324kW，则刮板输送机装机功率P=392kW。

2.3 确定刮板输送机的设计长度

3#煤层综采工作面长度为180m，故刮板输送机的设计长度为180m。根据以上分析，3号煤层综采工作面均选用SGZ800/400型可弯曲刮板输送机，输送量为1000t/h，满足采煤机生产能力与设计生产要求。

3 液压支架设计选型

3.1 液压支架选型原则

（1）顶板级别：直接顶和基本顶的分类、级别和性质一定程度上决定了架型及液压支架的工作方式、支护强度[3]。掩护式或带有护帮装置的支架应用较为广泛；

（2）底板强度或软硬程度决定了支架承载底座的结构和面积，分为整体刚性结构、分式刚性结构、左右分体结构。同时支架底板支护阻力、底板的允许比压以及矿压相适宜；

（3）煤层倾角：主要决定了液压支架选型的稳定性。《煤矿安全规程》规定：倾角大于12°，支架应采取防滑装置；倾角大于18°时，应同时装有防滑、防倒装置；

（4）煤层厚度：直接决定了支架的伸缩范围，是支架选型的重要指标。采高小于1.3m时，选择掩护式或支撑掩护式，主要考虑其通风断面及作业空间；

（5）瓦斯：西南地区喀斯特地貌条件下，井田多属于煤与瓦斯突出矿井，支架选型多采用通风断面大的结构形式，如支撑式和支撑掩护式支架。

3.2 煤层顶、底板分类

参照直接顶分类指标及参考要素，暂将3号煤顶板划分为Ⅱ类Ⅱa型顶板，即煤层顶板中等稳定[4]。该矿区3号煤底板多为泥岩或粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩。根据地质报告提供的物理力学试验指标，参照回采工作面底板分类指标，暂将3号煤底板划分为Ⅳ类，即底板中硬。

3.3 液压支架支护强度

选择合理的液压支架，能够避免因支护强度过大而增加支架重量和设备资金投入，同时能够减少搬运、安装时不必要的困难。而选型强度过小则会造成其维护困难，导致顶板过早破碎、离层、冒落，给煤矿生产安全带来隐患。经验计算法确定3号煤层支架的支护强度：

P=a×M×γ＝0.55～0.73MPa

式中：

P-液压支架的支护强度，t/m2或MPa；

a-顶板中等稳定，范围6～8，取8计算；

M-最大采高，m；

γ-顶板岩石容重，2.64t/m3。

3.4 支架结构高度的选择

该矿区各煤层厚度变化较大，适于综采工作面最大采高3.4m。最小采高1.4m，液压支架最大及最小工作高度按下式确定：

H大=M大-S1+200=3.5mH小=M小-S2-a-c=1.1m

3.5 液压支架选型分析

该矿区首采面3#煤平均厚度在2m以上，结合计算结果，应采用型号为ZZ4000/16/34型的支撑掩护式支架[6]，特点是支撑强度较大，通风断面大。

4 结语

大倾角薄煤层综采工作面的三机配套及选型表明：

（1）煤层倾角较大的采面选用的液压支架是近水平液压支架工作阻力的1.1～1.3倍，适当的提高液压支架的工作阻力，可以保证液压支架和采面刮板输送机不会下滑。

（2）采面刮板输送要选用底板带防滑条的封闭式刮板输送机，刮板输送机的功率根据煤层的厚度和采面的倾角，要选择动力部功率比近水平工作面功率小0.1～0.3倍。

（3）采煤机的选型不仅要结合煤层的厚度，还要关注煤层的构造及质量，确保采煤机能够适应本煤层的回采速率和采面的工程质量。