汾源煤业公司5-102工作面开采设备选型分析

梁国伟 马鹏飞 李先兴

（1.霍州煤电集团汾源煤业有限公司；2.山东科技大学智能装备学院）

汾源煤业公司隶属于山西霍州煤电集团，地处晋西北黄土高原，大部分为第四系黄土覆盖，沟谷零星，出露基岩地层。目前汾源煤业正在回采5#煤层的5-101工作面，根据工作面接替安排，5-101工作面的接替采面为5-102工作面，5-102工作面与5-101对侧布置且都为大倾角工作面。此外发现5-102工作面的煤层赋存条件相比于5-101工作面煤层倾角变缓，减小为平均23°，煤层厚度增加至平均15.93 m。根据地质钻孔资料分析，汾源煤业5号煤体的厚度很不稳定，自东向西煤厚逐渐减小，南北方向上，整体趋势为北部的首采面向南煤厚度逐渐增大，部分区域存在特厚煤层。因此根据实际条件对工作面的采煤方法及原综采设备的适用性进行论证、验算，并根据现有资料提出初步的采煤方法和设备配套的建议方案。

1 工作面开采环境分析

1.1 工作煤层倾角分析

根据工作面周边地质钻孔资料，结合轨道下山实际揭露煤岩层倾角综合分析，工作面煤层倾角为23～27°，平均为25°；5-102 1巷实测煤层倾角为13～28°，平均为19°；切巷0～10 m煤层倾角为6°，10～46 m煤层倾角为23°，46～62 m煤层倾角为25°，切巷揭露煤层底板顺巷为25°，真倾角为28°；

综合分析5-102工作面煤层倾角为13～28°，平均为23°。

1.2 工作煤层厚度

根据工作面周边地质钻孔资料，结合轨道下山实际揭露煤岩层倾角综合分析，工作面煤层，平均厚度为14.9 m；5-102 1巷掘进期间探煤厚平均为16.6 m；5-102切巷掘进期间探煤厚平均为17.5 m；综合分析5-102工作面煤层厚为9.2~23.3 m，通过加权平均计算，平均煤厚为15.93 m。

2 开采方案选择

根据矿井煤层赋存情况和汾源煤业发展现状，综合考虑工作面实际开采条件，从经济，安全等方面对分层综放开采和整层综放开采这2种方案进行分析。

2.1 经济方面分析

2.1.1 分层综放开采方案分析

采用分层开采时，主要存在以下问题。

（1）煤柱损失量大。为避免应力集中，留设煤柱采用内错或外错式布置方式增加了煤矿损失［1］，影响了煤层开采的经济性。

（2）巷道掘进率高。采用分层开采方式时，每个分层工作面均需要多掘进2条回采巷道、1条切眼，造成巷道掘进、支护及维护费用增加［1］。

（3）下分层开采困难。上分层开采完毕后，下分层煤体整体性会受到较大破坏，煤体将失去承载能力。可以预见在大倾角条件下（22～27°），将不能保证下分层的安全开采，无法进行回采，造成煤炭资源浪费。

2.1.2 整层综放开采方案分析

采用整层综放开采避免了厚度较大处顶煤及巷道之间煤柱的损失，降低了巷道掘进量，减少了采煤机割煤量，材料及电力消耗减少，吨煤生产成本大幅降低［2］，生产效率提高，实现高效集约化生产。同时有利于设备的维护与保养，延长设备使用寿命。相比于分层开采，整层综放开采相同产量煤炭的时间减少，设备及人工成本大幅降低。

2.2 安全要求分析

（1）分层综放开采方案分析。国内外的经验证明，在同样煤层条件下，分层开采自然发火的机率较大，且上煤层开采可能引起顶板破坏，不能形成规则“三带”，造成采空区漏风，在对上煤层采空区重新揭露后，采空区及巷道自然发火的危险性将大幅度增加。由于下层开采困难，若放弃开采下层，6 m多厚无法开采的5#煤，将大大增加煤层着火的风险。此外，受上部煤层采动影响，下部5#煤层的整体性和承载能力将会被破坏，开采下部煤层时工作面顶板和巷道管理难度将极大增加，易造成顶板冒顶伤人的事故［1-3］。

（2）整层综放开采方案分析。整层综放开采将减小易自燃煤层的管理难度，与分层开采相比，有利于煤层自然发火的防治［2］。但是由于整层综放开采时，一次采出煤厚较大，回采强度增大，回采影响范围较广，工作面冒顶片帮加剧，矿压显现较为强烈，甚至可能造成工作面支架压架等事故［1］。此外由于一次采出煤层厚度大，工作面开采强度较普通综放工作面要大很多，其工作面的瓦斯涌出量也较普通工作面要大。

2.3 开采方案确定

在经济方面整层综放开采较分层综放开采有较大的优势，但在安全方面整层综放开采顶板管理较为困难，瓦斯涌出量较大，但在摸清覆岩运移规律后，采用工作面顶板卸压等技术手段处理，可以减少影响，瓦斯涌出也可以通过加强通风管理进行防控。

因此，综合考虑对于5-102工作面的开采方法，建议工作面选用整层综放开采，采高为3.5 m，放煤高度为10.5 m，采放比为1∶3，符合《煤矿安全规程》规定。

3 开采设备的选型及主要参数

根据生产计划和工作面实际情况，结合在整层综放开采方案下顶板覆岩运移规律、矿压显现的预估，对5-102工作面的开采参数、设备选型进行专门研究。研究重点是对采煤机，支架，送煤机等主要设备的选型和参数进行分析。

3.1 采煤机选型及主要参数

5-102工作面是首采工作面的接替工作面，目前首采工作面采煤机型号为MG250/630-WD，采高为1.8～3.4 mm，截深为630 mm，滚筒直径为1.8 m。其采高与采煤方案所选用的整层综放开采所要求的3.5 m采高接近，考虑经济性，可通过更换滚筒直径实现采高要求，避免了更换设备所需的额外费用。其技术参数见表1。

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对5-102工作面工作能力验算如下。

（1）采煤机平均割煤速度。

式中，V为采煤机割煤速度，m/min；Qd为工作面日产量，3 636 t；L为工作面长度，取105 m；I为采煤机开缺口行程，取40 m；T为每班工作时间，取6 h；K为工作面开机率，取0.80；H为工作面平均采高，由于接替工作面煤层均厚14 m，此处取采煤机更换滚筒后的最大采高3.5 m；B为采煤机截深，取0.6 m；γ为煤体密度，1.38 t/m3。

经计算，V=2.03 m/min。

（2）采煤机最大割煤速度。

式中，Vmax为采煤机最大割煤速度，m/min；Kc为采煤机割煤不均衡系数，取1.3。

经计算，Vmax=2.64 m/min。

（3）采煤机割煤功率。当综放工作面日进尺为3.6 m时，采煤机单位能耗计算采煤机功率为

式中，N为采煤机截割功率，kW；Kb为备用系数，取1.3；Hw为采煤机割煤单位能耗，汾源煤业5号煤层取Hw=0.75 kWh/m3。

经计算，N=323.321 kW。

经计算，MG250/630-WD型大倾角采煤机将滚筒直径更换为2 m的后满足采高要求同时生产能力，也满足接替工作面的生产所需。

3.2 液压支架选型及主要参数

针对特厚煤层的整层综放开采，液压支架的选型应当遵循以下原则。

（1）综放支架支护强度大，并应与煤层赋存条件相适应。

（2）支架最大支护高度应大于工作面采高，具体支撑高度与实际相适应。

（3）随着支架强度和高度加大，吨位必然加大，因此推溜力和拉架力要与之相适应。

（4）支架的可靠性高，安全性好，此外由于一次采出厚度大，瓦斯涌出量加大，因此要求具有较好的通风性。

根据上文中的支架选型原则和采高3.5 m的要求，分析选择了ZF10000/23/37型放顶煤液压支架。其主要技术参数：支架结构高度为2 300~3 700 mm，支架宽度为1 410～1 590 mm，支架中心距为1 500 mm，初撑力为7 758 kN（P=31.5 MPa），支架工作阻力为10 000 kN（P=40.75 MPa），支护强度为1.121～1.183 MPa，移架步距为800 mm，泵站压力为31.4 MPa，质量约30 t，操纵方式可选电液控制。

3.2.1 工作阻力验算

通过支架工作阻力构成分析对支架工作阻力进行估算，这种计算方法的基础是工作面支架工作阻力支撑冒落带顶板岩层和顶煤的质量，并平衡基本顶失稳时对支架的动载［4］，其计算公式为

式中，q为工作面支架所需支护强度，MPa；α为煤层倾角，取28°；Kd为基本顶失稳时的动载系数，根据综放工作面矿压观测结果，一般Kd=1.1～1.8，考虑5号煤层较软，此处取1.2；qm为冒落带岩层自重应力，MPa，q冒=gd×h，gd为顶板岩层容重，取25 kN/m3，根据煤层顶板结构，顶板岩石松散系数以及煤炭回收率分别按1.25、83.7%计算，5-102工作面顶板冒落高度h=3.7 m时方可充满采空区域；qd为支架上方顶煤自重应力，MPa，qd=γm⋅Md，γm为顶煤容重，取13.8 kN/m3。

代入值可以求得q=1139.7 kN/m2=1.14 MPa，支护强度取1.18 MPa。

3.2.2 工作阻力

根据上面支护强度的结果，接替综放工作面液压支架的支护强度确定为不小于1.2 MPa。再根据配套尺寸、支架顶梁长度、空顶距算出支架工作阻力［5］：

式中，P为支架工作阻力，kN；q为支架的支护强度，1.2 MPa；LK为空顶距，0.36 m；LD为顶梁长度，4.9 m；B为支架宽度，1.5 m。

代入值可以求得P=9 468 kN。

根据上述计算结果，支架工作阻力估算为9 468 kN，选型支架工作阻力为10 000 kN满足要求。

3.3 曲刮板输送机选型及主要参数

开采5-101工作面时，前、后刮板输送机选用SGZ764/315型可弯刮板输送机，该输送机功率315 kW，输送能力700 t/h，其主要技术参数见表2。

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考虑到经济效益，对5-102工作面前、后可弯曲刮板输送机选型首先考虑正在使用的机型，所以对SGZ764/315型在5-102工作面工作能力进行验算。

3.3.1 前部输送机能力验算

工作面刮板输送机的运输能力应当与采煤机的生产能力相适应，刮板输送机的运输能力验算如下。

式中，Qq为刮板输送机的运输能力，t/h；Qmax为采煤机的最大生产能力，t/h。

计算可知，前部输送机能力满足5-102工作面生产需求，可Qq≥478.96 t/h继续使用。

3.3.2 后部输送机能力验算

（1）与采煤机落煤能力相配套的工作面平均放煤能力验算如下。

式中，Qf为工作面平均放顶煤能力，t/h；Hf为放顶煤平均厚度，5-102工作面5#煤层取10.5 m；m为放煤步距与采煤机截深之比，取1；Cf为顶煤回收率，取75%；Cg为放出煤的含矸率，取10%；Vf为沿工作面平均放煤速度，取1 m/min。

经计算，Qf=451.8 t/h。

（2）满足工作面最大放煤流量要求的后部刮板输送机能力验算如下。

式中，Kf为放煤流量不均衡系数，取1.8；Ky为考虑运煤方向和倾角系数，取0.7。

经计算，Q≥569.3 t/h。

计算可知，后部输送机能力满足接替工作面生产需求，可在接替工作面继续使用，但由于煤层厚度加大，建议适当加宽中部槽至1 000 mm，有利于提高顶煤回收率。

4 结语

根据接替工作面煤层的赋存状况，通过经济、安全等方面的比较分析，确定采用整层综放的开采方法。并在此前提下对接替工作面所用到的主要综采设备确定其主要参数和选型分析。从经济方面考虑并经过工作能力验算，前后刮板输送机可以在适当加大后部输送机槽宽后继续采用原5-101工作面设备；采煤机改装2 m直径滚筒后也可继续使用；液压支架则以接替工作面特厚煤层的基本条件为选型基础，需重新订购一套，支架选型为ZF10000/23/37。由于矿井下工作面情况复杂多变，3种设备选型并非一成不变，同时综采工作面所需的其他设备可根据实际工作情况灵活选择。