色连二矿综采工作面综采设备的选型与应用研究

孙树亮 冯建平

摘 要：色连二矿12412工作面采用“110工法”，针对该工作面煤层赋存条件差、产量高及推进长度大等特殊开采条件，本文通过对综采工作面的采煤机、液压支架和刮板输送机等主要设备的理论计算和工程经验分析，确定了12412工作面的主要综采设备型号，并结合主要设备确定了其他配套设备的型号。开采实践证明，工作面选取的综采设备及其配套设备科学合理，适用于“110工法”回采工艺的安全生产。

关键词：110工法;综采工作面;设备选型;配套原则

中图分类号：TD823.97文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0074-03

Study on the Selection and Application of Fully Mechanized Equipment

for Fully Mechanized Mining Face in Selian No. 2 Mine

SUN Shuliang FENG Jianping

（Ordos Zhongbei Coal Chemical Co.， Ltd.，Ordos Inner Mongolia 017000）

Abstract： The "110 construction method" was adopted in the 12412 working face of Selian No. 2 Mine， aiming at the special mining conditions such as poor coal seam occurrence conditions， high output and long advance length in this working face， through theoretical calculations and engineering experience analysis of major equipment such as shearers， hydraulic supports and scraper conveyors in fully mechanized mining faces， This paper had determined the main fully mechanized mining equipment models of the 12412 working face， and combined the main equipment to determine the models of other supporting equipment. The mining practice has proved that the fully mechanized mining equipment and its supporting equipment selected at the working face are scientific and reasonable， and are suitable for safe production of the "110 construction method" mining process.

Keywords： 110 construction method;fully mechanized mining face;equipment selection;supporting principles

随着科学技术的不断发展，煤矿开采方法也由炮采到普采再到综采，不断发生转变，煤炭开采正朝着机械化、自动化、大型化的方向发展[1]。但是，煤层赋存条件复杂，为了保证煤炭资源被安全、高效地开采出来，人们必须保证工作面各种机械设备的型号及其协同配套使用。因此，众多科研人员对工作面机械设备的选型和配套进行研究。郗飞[2]通过理论计算和工业试验对马兰矿28307工作面设备选型进行研究，确定了合理的综采设备型号。刘清宝[3]通过地质条件分析和煤岩物理力学参数测定，采用数值模拟、现场实践等方法对红柳煤矿6 m大采高工作面設备选型进行优选。尽管目前众多科研工作者对综采设备进行了详细的研究[4]，但在“110工法”条件下，综采设备的选择依然以工程经验为主要依据。本文对色连二矿12412综采工作面“三机”设备及其他配套设备选型进行研究，确保综采设备安全高效运行，降低设备故障率，以提高工作面的生产效率。

1 概况

色连二矿12412工作面东邻辅助运输大巷，西至井田边界保护煤柱线，上部为12313采空区，煤层层间距为49.98 m，工作面布置如图1所示。12412工作面走向长度为240 m，倾向长度为2 890 m，煤层厚度为3.20～4.00 m，平均厚度为3.52 m，平均倾角为1°，工作面内发育9条正断层，如图1所示。

本工作面采用“110工法”回采工艺进行回采，即1个工作面只掘1条顺槽，实现0煤柱开采。其间通过爆破预裂切顶，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，使顶板沿切缝垮落，作为留巷段巷旁支护体。留巷段加强支护采用门式支架+恒组锚索支护方案。

2 综采工作面设备选型

2.1 采煤机选型

采煤机参数应与煤层地质条件相适应，并能满足“三机”几何配套要求。同时，采煤机的实际生产能力应大于工作面设计生产能力的10%～20%。

2.1.1 采煤机割煤速度。采煤机割煤速度影响整个工作面的产量，其计算公式如下：

[V=n（L-L1）60×k20-t1-nt2]                      （1）

式中：[k]为开机率，取60%;[L]为工作面长，取240 m;[L1]为工作面的斜切进刀长度，取52 m;[t1]为工作面准备时间，取0.5 h;[t2]为每截一刀的辅助时间，取0.2 h;[n]为刀数，取10。

带入数据可得，采煤机割煤速度为4.84 m/min。考虑到工作面产量不均衡性，采煤机最大割煤速度按式（2）进行计算。

[Vmax=VKc]                                      （2）

式中：[V]为采煤机割煤速度，m/min;[Kc]为采煤机割煤速度的不均匀系数，取1.5。

带入数据可得，[Vmax]值为7.26 m/min，选型时，采煤机割煤最大速度按8 m/min计算。

2.1.2 采煤机装机功率。设计时根据能耗系数法估算采煤机装机功率，计算公式如下：

[N=60BHgVmaxrHw]                           （3）

式中：[N]值为采煤机装机功率，kW;[Hg]为采煤机割煤高度，m，取3.52 m;[B]為采煤机截深，m，取0.865 m;[r]为煤层容重，t/m3，取1.28 t/m3;[Hw]为比能耗值，取0.7 （kW·h）/t。

带入数据可得，[N]为1 309 kW，采煤机装机功率应大于1 309 kW。

2.1.3 采煤机割煤循环产量。其主要取决于采煤机的主要参数和煤质，计算公式如下：

[Q=BHLCr]                                     （4）

式中：[B]为采煤机截深，m，取0.865 m;[H]为切割高度，m，取3.52 m;[L]为工作面长度，m，取240 m;[C]为煤的回收率，%，取93%;[r]为煤的容重，t/m3，取1.28 t/m3。

带入数据可得，[Q]值为869.88 t/刀，因此煤机的生产能力为1 739.76 t/h。

根据计算结果，色连二矿选用美国久益公司生产的7LS5B型采煤机，其主要技术参数如表1所示。

2.2 液压支架选型

由于采用“110工法”采煤工艺，爆破切顶后，顶板破碎，而液压支架最主要的参数是支护强度，因此必须与煤层地质条件相适应，其结构还需要保证工作面风量。

2.2.1 支护强度。支护强度计算公式如下：

[Pn=72.3H+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1]       （5）

式中：[H]为煤层采高，m，取3.52 m;[Lp]为基本顶周期来压步距，m，取30 m;[Bc]为支架控顶宽度，m，取4.6 m;[N]为充填系数，m，取0.74 m。

带入数据可得，[Pn]值为697.9 kN/m2，即0.698 MPa，因此支架支护强度应大于0.698 MPa。

2.2.2 支架工作阻力。其计算公式如下：

[FS=PnSc×BcKs]                                  （6）

式中：[Fs]为液压支架工作阻力，kN;[Sc]为液压支架中心距，m;[Ks]为液压支架的支撑率，取0.9。

带入数据可得，[Ks]值为6 243 kN，因此支架支护强度应大于6 243 kN。

2.2.3 底板比压验算。底板比压计算公式如下：

[Pd=FsL1×B]                                  （7）

式中：[Pd]为液压支架对底板的压力，MPa;[L1]为液压支架底座长度，m;[B]为工作面液压支架底座宽度，m。

经计算，工作面液压支架的底板比压处于实际底板比压范围（2.7～3.2 MPa）内。

根据计算结果并考虑支架阻力值富裕系数，色连二矿选择郑州煤矿机械集团股份有限公司生产的ZY15000/22/45D电液控制掩护式液压支架，技术参数如表2所示。

2.3 刮板输送机选型

刮板输送机的输送能力应适应工作面的生产能力，而且需要与采煤机和液压支架相配套。

2.3.1 刮板输送机能力。人们可以根据工作面生产能力来确定输送机能力，其计算公式如下：

[Qb=Qafhk]                                 （8）

式中：[Qb]为刮板输送机能力，t/h;[Qa]为工作面日产量，t/d，取13 918 t/d;[f]为输送机能力富余系数，取1.2;[h]为日工作时间，h，取16 h;[k]为开机率，取0.6。

带入数据可得，[Qb]值为1 740 t/h，因此刮板输送机的能力必须大于1 740 t/h才能满足生产需要。

2.3.2 刮板输送机功率。其计算公式如下：

[N=KaK0Lvq（f1cosα+sinα）+2q0f2cosα10]         （9）

式中：[N]为刮板输送机功率，kW;[Ka]为功率备用系数，取1.15;[K0]为刮板弯曲段阻力值，取1.12;[L]为铺送长度，m，取240 m;[v]为链条速度，取1.1 m/s;[q]为每米刮板输送机的负荷，kg/m，[q=Qb/3.63v]=435.8 kg/m;[q0]为每米刮板链的质量，kg，取50 kg;[f1]和[f2]为摩擦因素，分别取0.6和0.4;[α]为输送机的倾斜角度，°，取10°。

带入数据可得，管板输送机的功率为292.25 kW。

根据以上计算结果，色连二矿选用SGZ1000/3000型刮板输送机，其主要参数如表3所示。

2.4 其他配套设备选型

根据以上计算结果，考虑到12412工作面开采条件和整个回采系统的可靠性，本研究确定了其他配套设备的型号，其主要技术参数如表4所示。

3 工程应用效果分析

本文通过计算分析得出以上综采设备选型方案，12412工作面于2019年3月正式投产，生产实践证明，所选综采设备及其配套设备均可正常运行，质量可靠，性能稳定且故障率较低，能够满足该工作面安全、高效生產的要求，达到了预期效果。

4 结论

色连二矿12412综采工作面采用“110工法”采煤工艺，通过理论计算和工程经验分析，科学合理地选择了综采设备及其他配套设备。主要设备有7LS5B型采煤机、ZY15000/22/45D电液控制掩护式液压支架、SGZ1000/3000型刮板输送机、SZZ1200/525型转载机、PCM400型破碎机、BRW400G（400/37.5）型乳化液泵、BRW80/31.5型乳化泵以及顺槽输送机。

参考文献：

[1]张强.大采高综合机械化采煤工艺技术[J].中国石油和化工标准与质量，2020（14）：194-195.

[2]郗飞.马兰矿28307工作面设备选型设计与应用[J].能源与节能，2020（6）：31-32.

[3]刘清宝.红柳煤矿6 m大采高工作面开采技术及设备选型研究[D].西安：西安科技大学，2012：20.

[4]郭永昌.综采工作面设备尺寸自动配套系统研究[D].太原：太原理工大学，2009：17-18.