龙王沟煤矿综放开采顶煤冒放性及设备选型分析

何振江

摘 要：本文针对龙王沟煤矿6#煤层地质赋存条件，进行综放开采顶煤冒放性分析，并对相应的综采设备选型进行分析，确定了液压支架合理架型和工作阻力，对采煤机、刮板输送机等设备功率、运输能力等技术参数进行计算，确定了相应设备型号。龙王沟煤矿现场生产实践表明：6#煤层顶煤冒放性好，液压支架工作阻力选择合理，各个设备间协同运转正常。

关键词：特厚煤层;综放开采;顶煤冒放性;设备选型

中图分类号：TD823.49 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0088-03

Abstract： This paper according to the geological deposit condition of 6# coal seam in Longwanggou coal mine， carried on the analysis of the capping coal of the comprehensive mining， reasonable support type and working resistance of hydraulic support were determined， and determined the rational frame type and working resistance of the hydraulic support. The technical parameters such as power and transportation capacity of coal mining machine and scraper conveyor were calculated， and the corresponding equipment models were determined. The field production practice of Longwanggou coal mine shows that： 6 # coal seam top coal discharge ability is good， the working resistance choice of hydraulic support is reasonable， and the coordination operation between various equipment is normal.

Keywords： extra thick seam;fully mechanized caving mining;caving property of top coal;equipment selection

1 煤层地质赋存条件

龙王沟煤矿主采6#煤层，为近水平煤层，倾角约5°，煤层厚度14.5～23.4m，平均20.6m，埋深平均423.4m，煤层赋存稳定，全区可采。煤层构成复杂，含夹矸0～30层，夹矸总平均厚度2.8m，多为砂质泥岩及泥岩。直接顶板主要为砂质泥岩及粉砂岩，厚度平均约为25.1m，直接底板主要为砂质泥岩与泥岩，厚度平均约为8.7m，泥岩具有遇水软化的特性。6#煤层密度为1.43t/m3，普氏系数f=1.65。

2 顶煤冒放性分析

顶煤冒放性是决定放顶煤开采适用性的最基本也是最关键的因素。顶煤具有良好的冒放性才能顺利放出，保证顶煤的采出率。因此，在选择综放开采方式前，需要对顶煤冒放性进行分析评价。影响顶煤冒放性的因素有煤层埋深、煤体强度、煤层厚度、煤层结构、夹矸厚度、裂隙指标和直接顶充填系数等[1-3]。龙王沟煤矿煤层赋存条件各因素对顶煤冒放性的影响分析如下。

2.1 煤体强度

6#煤层整体强度普氏系数f值为1.65，强度不高，冒放性好。

2.2 煤层埋深因素

煤层赋存深度直接影响原岩应力大小，同时影响工作面超前支承压力峰值。因此，煤层埋深因素决定了顶煤是否能在超前支承压力的作用下破坏。煤体强度与埋深影响因素关系如式（1）所示：

[H≥RcγK-λ×1+φ2+φ1-φ2-φ]                             （1）

式（1）中：[φ]为煤体内摩擦系数;[γ]为煤体密度，t/m3;[λ]为侧压系数;K为应力集中系数;[Rc]为煤体单轴抗压强度。

计算得[H≥]313.5m。

6#煤层平均埋深约423.4m，能够满足顶煤在超前支承压力作用下破坏的条件，顶煤冒放性较好。

2.3 裂隙因素

6#煤层顶煤节理裂隙较发育，对顶煤冒放性有利。

2.4 夹矸影响

煤层夹矸对顶煤冒放性的影响比较复杂，其影响程度与夹矸层的岩性、层厚、层数及空间位置有关。龙王沟煤矿6#煤层含矸层数多，但夹矸平均抗压强度15.8MPa，与煤体强度相近，因此，夹矸层对顶煤冒放性影响不大。

2.5 煤层厚度

6#煤层厚度较大，平均约20.6m，且夹矸层较多，建议适当增加工作面采煤机割煤高度，提高液压支架支撑高度，增加顶煤松动和冒放空间，使顶煤顺利放出，按采放比1∶3计算，采煤机割煤高度应在5.0m左右。因此，要求支架最大支撑高度为5.0m左右。

综上分析，龙王沟煤矿大采高综放开采顶煤冒放性较好。

3 设备选型配套

龙王沟煤矿综放工作面总体设备配套按年产1 000万t原煤进行选型配套，要求各设备满足基本的生产参数要求，且各运输设备的运输能力逐級增大。

3.1 液压支架选型

3.1.1 合理液压支架工作阻力计算。由于支架工作阻力由顶板覆岩结构所决定，且覆岩运动复杂，难以进行精确计算，故主要采用载荷估算法和经验估算法进行计算[4-6]。

①载荷估算法。该计算方法的理论基础是工作面液压支架工作阻力能承受直接顶和顶煤的载荷，并平衡基本顶失稳时对支架的冲击动载，支护强度计算公式为式（2）：

[q=Kd×qd+qcqd=γd×hqc=γc×Mch=0.75MKp-1]                             （2）

式（2）中：[q]为工作面支架所需支护强度;[Kd]为基本顶失稳时的动载系数，一般取1.1～1.5，此处取1.2;[qd]为直接顶自重应力;[γd]为直接顶岩层容重，2 400kg/m3;[h]为直接顶垮落充填高度，m;[qc]为支架上方顶煤自重应力;[γc]为煤层容重，1400kg/m3;[Mc]为支架上方顶煤高度，15.6m;[M]为煤层一次采出厚度，20.6m;[Kp]为直接顶垮落碎涨系数，一般取1.3～1.5，此处取1.4。

通过计算可得，支架的合理支护强度应大于1.46MPa。

②经验估算法。工作面液压支架工作阻力下限F可按式（3）进行计算。

[F=72.3M+4.5LB+78.9L-10.2N-62.1×cosβ×BL/η]（3）

式（3）中：[M]为机采割煤高度，5m;[L]为控顶距，5.45m;[LB]为基本顶来压步距，23m;[B]为支架中心距，2.05m;N为充填系数，0.8;[η]为支架支撑效率，90%;[β]为煤层倾角，5°。

计算得[F]=10 227kN，考虑到综放开采的特殊性和复杂性，为增强液压支架的承载能力，取支架工作阻力冗余系数1.4，可得支架工作阻力应大于14 317.5kN。

3.1.2 液压支架架型选择。目前，国内使用较多的放顶煤液压支架为四柱支撑掩护式和两柱掩护式放顶煤液压支架。虽然四柱支撑掩护式液压支架工作阻力大、发展时间长，但两柱掩护式放顶煤液压支架具有控制系统简单、平衡千斤顶易调节支架合力作用点位置、切顶能力强等优点，且近年来具有更高工作阻力的两柱掩护式强力放顶煤液压支架使用和推广较多，故液压支架采用两柱掩护式放顶煤液压支架，支架型号及参数如表1所示。

3.2 采煤机选型

根据生产工艺要求，采煤机应具有双滚筒、双向采煤自开缺口功能。对反映采煤机生产能力的主要参数讨论如下。

3.2.1 截深。對于大采高工作面采煤机截深一般为0.8m或1.0m，由于放顶煤工作面顶板为破碎的顶煤，过大的截深不利于工作面顶板端面的控制，故此处选为0.8m。

3.2.2 滚筒直径。工作面采高最大值大于5.0m，滚筒直径一般为最大采高的0.55～0.60倍。为提高采煤机滚筒的卧底量及装煤效率，可适当增大滚筒直径，故采煤机滚筒直径为2.7～3.0m。

3.2.3 采煤机机面高度。通常，工作面最小割煤高度应比采煤机机面高度大0.5mm。由于采煤机最小采高为3.5m，支架顶梁厚度约为0.6m，故采煤机机面高度应小于2.4m。

3.2.4 采煤机生产能力。配套设备年生产能力取1 000万t，采煤机截深取0.8m，最大采高5.0m，按正常割煤速度5m/min，采煤机每小时的割煤量为：

[Qc=60×H×B×γ×Vc]                     （4）

式（4）中：[H]为采煤机割煤高度，5.0m;[B]为采煤机截深，0.8m;[γ]为煤体密度，1.4t/m3;[Vc]为采煤机割煤速度，5.0m/s。

计算得Qc=1 680t/h。

3.2.5 采煤机功率计算。采煤机理论装机功率可按下式进行计算：

[Nf=Hw×Qc×η/γ]                    （5）

式（5）中：[Hw]为滚筒采煤机的单位能耗，[Hw]=0.3～1.2kW·h/m3，此处结合煤体硬度取值1.05;[Qc]为采煤机小时割煤量，t/h;[η]为采煤机在遇断层等地质构造时需要割岩，需考虑1.3～1.5的割岩装机功率系数，此处取值1.4;[λ]为侧压系数，取值1.4。

由式（5）计算得，实际装机总功率应大于1 764kW。

3.3 刮板输送机、转载机和破碎机选型

综放工作面布置两台刮板输送机，前部刮板输送机用于运输采煤机割下的煤壁，后部刮板输送机用于运输支架尾梁放出的顶煤，其选型分析计算如下。

前刮板输送机的运输能力应不小于采煤机的最大割煤能力，即

[Qy≥Qmax×Ky×Kv×Kc]                            （6）

式（6）中：[Qmax]为采煤机的最大割煤能力，t/h;[Ky]为考虑刮板输送机运输方向及使用倾角的修正系数，1.05;[Kv]为考虑刮板输送机与采煤机同向运行时的修正系数，1.05;[Kc]为采煤机割煤不均匀系数，1.3。

计算得[Qy≥]2 407.9t/h。故前部刮板输送机运输能力可取为2 500t/h。后部刮板输送机主要运输支架后方放出的顶煤，顶煤单位时间放出量与具体的放煤工艺相关，因此没有固定的计算公式。参照相似综放工作面开采情况[7]，取后部刮板输送机输送能力为3500t/h。前部和后部刮板输送机型号如表2所示。

对于转载机和破碎机选型，按照输送能力逐级放大的方式，将转载机运输能力选为4 000t/h，转载机型号为SZZ1350/700，具体参数参如表3所示。破碎机的选择应与转载机配套，选择型号为PCM700的破碎机，破碎能力为5 000t/h，具体参数如表4所示。

4 结论

①顶煤冒放性分析表明：龙王沟矿采用5m大采高放顶煤，顶煤冒放性好。

②矿井生产实践表明：顶煤冒放性好，资源回收率高;液压支架架型和工作阻力选择合理，工作面围岩稳定性好;设备参数选型合理，协同运转正常，能保证工作面高效运转。

参考文献：

[1]巨江鹏.龙王沟矿特厚煤层综放面矿压规律研究[D].西安：西安科技大学，2015.

[2]程峰.龙王沟煤矿巨厚煤层开采工艺优选及设备选型[J].现代矿业，2017（12）：78-80，108.

[3]陈辉.放顶煤开采优化参数研究[D].青岛：山东科技大学，2005.

[4]赵明.麻家梁煤矿放顶煤工作面液压支架选型[J].煤矿开采，2011（4）：74-75，51.

[5]张云朝，吴士良，王建行.大采高综放工作面支架适应性评价[J].煤炭工程，2016（6）：12-14，18.

[6]苏林军，朱峰.放顶煤液压支架的创新与发展[J].煤炭科学技术，2011（4）：84-88，54.

[7]王家臣.厚煤层开采理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.