磁窑沟煤矿13号煤层工作面综放开采三机设备选型研究

杜伟剑，田海喜

（山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036500）

1 概 况

随着煤炭开采技术以及采煤设备的不断发展，综合机械化开采已在我国的煤矿生产中广泛应用。与传统采煤方法比较，综合机械化开采无论是在生产效率还是支护效果上都有很大优势。综采工作面“三机”在开采中发挥着核心作用，对于不同地质构造条件以及煤层赋存情况的工作面，选择合理可行的“三机”配套设备十分重要。本文针对磁窑沟煤矿13号煤层工作面地质条件、煤层赋存条件，在分析总结“三机”配套原则的基础上，通过理论计算，对磁窑沟煤矿13号煤层工作面“三机”配套选型进行研究。

2 工程情况

磁窑沟煤业有限公司位于河曲县城东南方向18 km，西距黄河6.5 km，行政区划属河曲县鹿固乡所辖。井田地理坐标东经111°18′03″～111°20′15″，北纬39°16′29″～39°18′31″。

2.1 工作面

井田内13号煤层位于太原组下部，最低底板标高为+792 m，煤层厚2.90～19.40 m，平均11.58 m，在井田北部、东部有分叉现象。分层区内煤层的厚度2.90～19.40 m，平均10.25 m，上距13-1号煤层0.85～9.05 m，平均3.03 m；合并区内煤层厚度9.12～19.40 m，平均12.25 m，上距11号煤层2.45～51.80 m，平均26.89 m。13号煤层为稳定的全区可采煤层，煤层结构简单—极复杂，含夹矸0～9层。顶板为泥岩、砂质泥岩、细砂岩；底板为泥岩，局部为砂质泥岩。井田东部有少许剥蚀区，13号煤层曾经开采过，采空区主要位于井田东部，煤层东部存在采（古）空积水区1处，积水量138 011 m3

2.2 地质构造

煤矿位于河东煤田河保偏矿区内中东部，地层倾角4°～9°。总体为一走向近南北向，倾向向西的单斜构造，并伴有宽缓的褶曲和小规模断层。煤矿断层不发育；发育缓波状褶皱，但对煤层厚度变化无大的影响；煤矿内目前尚未发现岩浆岩。

2.3 采煤方法

根据国内外特厚煤层开采技术发展现状，结合磁窑沟煤矿13号煤层厚度及煤层特点，对13号煤层采煤方法和工作面合理布置方式研究得出，13号煤层厚度变化大，分层布置工作面进行回采，投入产出低，安全性差，工程量大，投资回收周期较长，在很大程度上限制了矿井发展。因此，13号煤适宜大采高综放整层开采，采用走向长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法。

2.4 采高确定

根据统计井田钻孔数据得出，磁窑沟煤矿13号煤层总厚2.9～19.4 m，平均厚11.58 m。由于煤质中硬，采高较大时容易造成片帮冒顶，威胁工作面作业安全。鉴于磁窑沟煤矿的实际开采经验，当采高增大到4 m以上时容易发生片帮冒顶，因此，最终确定合理的割煤高度为4 m。

3 综采三机配套原则

采煤中的“三机”为采煤机、液压支架以及刮板运输机，三者相互配合、适应，共同构成整个综采工作面的采煤机械系统。因此，工作面的“三机”配套是采煤工艺的重要根据，也是其中单机设计的依据。合理“三机”配套不仅可以提高工作面的生产能力，还可以减小机械故障率。

3.1 配套总原则

综采面“三机”配套应遵循的原则有：①与工作面地质条件适应；②“三机”之间的尺寸、强度以及连接方式相互适应；③单机工作能力符合生产要求；④“三机”寿命应一致。

3.2 生产能力配套

（1）保证采煤机生产能力大于工作面产能规划产量。

（2）刮板机运输能力要大于采煤机生产能力，防止落煤不能及时运出。

（3）液压支架的移动速度应与采煤机的牵引速度相适应。

3.3 性能配套

综采面的“三机”性能配套的目的是降低采掘成本、减小开采中的安全风险以及提高开采效率。

（1）采煤机与运输机的配套。采煤机的机构与运输机的机构应相互适应，如工作面中端头三角煤是采煤机架在运输机上割采。

（2）运输机与液压支架的配套。液压支架和运输机稳定性能与煤层倾角相匹配，液压支架与运输机中部槽连接稳定。

（3）采煤机与液压支架的配套。采煤机高度与液压支架支护高度匹配，采煤机开采深度与支架移动步距匹配。

“三机”配套平面图如图1所示。

图1 “三机”配套平面图Fig.1′Three machines′matching

图1中，A为采煤机切割深度，B为铲间距，C为采煤机滚筒最大卧底值，D为过煤高度，S为运输机中部槽内部宽度，a为运输机铲煤板宽，b为电缆线槽宽，F为留设空顶宽度，G为支护高度，H为电缆线槽至支架立柱距离。

3.4 寿命配套

工作面的综采工作是一个系统工程，“三机”的统一正常运行是保证采煤工作的关键。寿命配套指的是液压支架、刮板运输机以及采煤机等主要设备的大修周期的匹配。假若工作面主要设备发生交替损坏或带故障运行，必定会影响采煤工作效率。

4 液压支架

磁窑沟煤矿13号煤层硬度中硬，两柱与四柱适应性差别较小，由于两柱实现自动化难度低，因此，13号煤层首采综放工作面选用两柱掩护式放顶煤支架。

4.1 液压支架参数

（1）支架高度。

磁窑沟煤矿13号煤层支架最大及最小高度：

式中：Hmax为最大支护高度，mm；Hmin为最小支护高度，mm；Mmax为最大采高，mm；Mmin为最小采高，mm；S1为最大伪顶垮落厚度，mm；S2为顶底板下沉量与沉矸厚度之和，mm；K为液压支架伸缩比。

（2）支护强度。

支护强度为支架受到的工作阻力与支护面积的比值，支护强度越大，顶梁长度越小，且支架稳定性越强，重量越轻。顶板支护强度由顶板等级与煤层厚度确定：

式中：q为支架支护强度，MPa；K为顶板岩石厚度系数；ρ为平均岩石密度，kg/m3。

（3）工作阻力。

工作阻力是在液压支架支撑时顶板对其的压力形成的：

式中：R为支架工作阻力，N；F为支护面积，m2；L为支架的顶梁长度，m；C为顶梁端距离，m；B为顶梁宽，m；K为支架间距离，m。

（4）支架中心距与宽度。

液压支架的中心距离为工作面一节溜槽的长度，支架中心距与采高有关，根据磁窑沟煤矿13号煤层13101工作面平均采高，其中心距离为1.75 m。

根据液压支架的工作原理与结构特点，支架宽度即为顶梁的宽度。一般情况下，中心距为1.5 m的支架宽度为1 680～1 880 mm。

（5）初撑力。

初撑力是液压支架支护性能的重要指标，初撑力越大，支架的支护性能越好，达到工作阻力所需的时间越短，顶板支撑效果越好，支架成本越高。初撑力计算：

式中：Pc为支架初撑力，kN；D为支架立柱的油缸直径，m；Pb为泵站工作压力，MPa；n为单个支架立柱个数；α立柱与顶板垂线夹角。

（6）支架选型。

根据磁窑沟煤矿13号煤层实际情况，通过以上公式对液压支架参数进行计算，结果见表1。

表1 液压支架参数计算Table 1 Calculation of hydraulic support parameters

基于以上液压支架参数计算结果，初选ZFY 15000/24/43D放顶煤液压支架。

（7）顶板控制。

①支架布置。根据以上要求，选择ZFY15000/24/43D型放顶煤液压支架、ZFG15000/27/42D型过渡液压支架、ZTZ20000/24/45型端头支架。

②控顶距。

控顶距由液压支架顶梁长度（L1）、端面距（L2）、及采煤机截深S决定。

最大控顶距：

最小控顶距：

计算可得，工作面最大控顶距为5 430 mm，最小控顶距为4 630 mm。

4.2 强度验算

综采工作面顶板传递压力：

计算可得，顶板压力为1.03 MPa，所选液压支架强度为1.63 MPa，满足支护要求。

5 采煤机

在采煤机的选型中，采煤机的电机功率、截采高度、深度等相关参数应根据工作面规划生产能力而确定。采煤机的生产能力可由采高、截深、工作时间利用率等因素决定。

5.1 采煤机参数

（1）截割高度。

截割高度是指采煤机作业底板以上空间的高度。采煤机的截割高度应随着煤层厚度的变化而变化。受浮煤和顶板下沉的影响下，生产时实际截高通常比煤层厚度小0.1～0.3 m。因此，截割范围为Hmax=4.5 m，Hmin=2.5 m。

（2）滚筒直径。

双滚筒采煤机一次采全高，因此，滚筒直径应大于最大煤层厚度一半，滚筒直径初步选择2.24 m。

（3）截深。采煤机滚筒截入煤壁的深度即为截深，采煤机截深初步确定为865 mm。

（4）滚筒转速。

工作面生产率随着滚筒转速的增加而增加，但随着转速的提高，工作面粉尘产出量、机械消耗量也会随之增加。磁窑沟煤矿13号煤层13101采煤工作面选择的采煤机滚筒转速为29.29 r/min。

（5）采煤机最小设计生产率。

磁窑沟13号煤层综放开采要实现年产400万t的要求，每年按330个工作日计算，工作面长度按240 m计算，当工作面采用端部斜切进刀双向割煤方式时，采煤机平均落煤能力：

式中：Qm为采煤机平均落煤能力，t/h；Qr为采煤工作面平均日产量，按12 121 t/d计算；L为工作面长度，取240 m；Ls输送机弯曲段长度，取35 m；Lf为工作面放煤长度，取215 m；Lm为采煤机两滚筒中心距，取14 m；γ为煤容重，取1.45 t/m3；C为工作面采煤机割煤回采率，取95%；Cf为顶煤回采率，取75%；Td为采煤机返向时间，取1 min；B为采煤机截深，取0.8 m；Hf为平均顶煤厚度，取7.58 m；T1为工作面采煤时间，取1 080 min（按18 h计算）；K为采煤机平均日开机率，取0.8；i为采煤机割煤速度Vc与空刀牵引速度Vk之比，取0.5。

（6）采煤机牵引速度。

采煤机沿着工作面移动的速度即为采煤机的牵引速度，其与采煤机生产率、牵引机电机功率、截割机功率成正比。采煤机牵引速度为：

（7）截割功率。

总装机功率包含有牵引机、液压泵电机、截割电机、喷雾电机、破碎机电机所有电机功率之和。运用比能耗法估算法预估电机功率：

式中：N为采煤机截割功率，kW；Kb为备用系数，为1.5；Hw为采煤机割煤单位能耗，13号煤层为中硬煤，取0.75 kWh/m3。

（8）牵引力。

牵引力为驱动采煤机行走的动力，牵引力通常为采煤机电机功率的一半，因此牵引力为2×400 kN。

通过计算得出，小时产量、割煤速度和功率分别为525 t/h、1.9 m/min和410 kW。因此，综放开采实现年产400万t，采煤机割煤功率应不小于410 kW。

5.2 采煤机选型

通过计算，可得采煤参数见表2。

表2 采煤机参数Table 2 Parameters of shearer

根据采煤机采煤机参数计算结果进行分析，选用双滚筒采煤机，型号为MGTY650/1620-WD。

6 刮板运输机

6.1 刮板运输机参数

根据不同采煤工作面倾角、长度的不同，需对刮板运输机的运输能力、电机功率以及连接强度进行计算。

（1）运输能力。

为实现综放工作面安全高效，工作面采煤机割煤和放顶煤工序应最大限度地平行作业，在选择综放工作面参数和设备能力时，应使采煤机平均循环割煤时间Tc与放顶煤平行循环时间Tf匹配，以减少2个工序的相互影响时间，提高工作面单产。

当综放工作面长240 m，采煤机平均循环割煤时间：

式中：Tc采煤机平均循环割煤时间，min。

式中：Tf为工作面平均放顶煤循环时间，min；Vf为沿工作面平均放煤速度，m/min；Lf为工作面放顶煤的长度，m。

因此与采煤机落煤能力相配套的工作面平均放煤能力为：

式中：Qf为工作面平均放顶煤能力，t/h；m为放煤步距与采煤机截深之比，一采一放时m=1；Cg为放出顶煤的含矸率，%；Hf为顶煤平均厚度，m。

满足工作面最大放煤流量的要求的后部刮板输送机能力：

式中：Kf为放煤流量不均匀系数，考虑到顶煤硬，出现大块的可能性大，瞬间煤流量大，取1.3；Ky为考虑运输方向及倾角系数，取1.0。

根据上述公式计算，当割煤高度为4.0 m时，后部刮板输送机运输能力应不小于1 276 t/h。

（2）运输机运行阻力。

刮板运输机运行工作受力有刮板链条、煤在溜槽中移动时的摩擦力以及煤与刮板链条重力在移动方向上的分力，如图2所示。

图2 运输机受力示意Fig.2 Force diagram of transporter

运输机单位长度重量为：

式中：q为运输机单位长度重量，kg/m；v为刮板链速，1.3 m/s。

刮板运输机满载运行时所受阻力：

刮板运输机空载运行时所受阻力：

式中：Wzh为满载运行时总阻力，kN；Wk为运输机空载运行时总阻力，kN；ω为运输机在溜槽内煤的阻力系数；ω1为链条运行时阻力系数；g为重力加速度，10 m/s2；β为刮板运输机倾角。

代入参数进行计算可得，q=185.4 kg/m，Wzh=493.7 kW，Wk=88.9 kW。

（3）刮板链条张力。

双链刮板运输机链条最小张力一般为3 000 N，且最小张力点位于主动轮分离点1，如图3所示，其余各点张力应用逐点张力计算：

图3 逐点张力法计算示意Fig.3 The schematic diagram of point by point tension method

刮板运输机的牵引力不仅需要考虑运输中阻力作用，还要考虑刮板机械自身运行中的摩擦阻力以及弯曲段的附加阻力，则总牵引力为：

式中：Wf为计算阻力系数，取1.1。代入计算得，总牵引力为704.9 kN。

（4）电机功率。

根据刮板运输机运行阻力以及牵引力，可计算电机功率：

式中：η为传动机效率，取0.8。

实际中，刮板运输机工作运行时，载货长度会随着采煤机的割采移动而改变，因此电机功率计算为：

式中：Nmax为运输机满载运行时电动机功率，kW；Nmin为运输机空载运行时电动机功率，kW。

刮板运输机的电动容量：

将相关参数代入可得，Nd=1 374.5 kW。

（5）链条强度。

运用最大张力验算刮板机链条强度，链条抗拉强度安全系数K：

式中：Sp为链条破断拉力，N；λ为双链负荷不均匀系数，取0.85。

代入求得，K=6.6＞3.5。6.2 刮板运输机选型

根据参数计算结果，选择SGZ1000/1400型刮板运输机，其技术特征见表3。

7 结 语

磁窑沟煤矿13号煤层为厚度达到10 m以上的特厚煤层，采用综放式开采。“三机”配套选型中，在总体原则的基础上，详细介绍了“三机”在生产能力、性能以及寿命方面的配套原则。根据磁窑沟煤矿13号煤层概况、地质构造条件及相关计算参数对“三机”配套参数进行理论理论计算，根据计算结果，选用ZFY15000/24/43D放顶煤支撑掩护式液压支架、MGTY650/1620-WD型双滚筒采煤机以及SGZ1000/1400型刮板运输机。

表3 刮板运输机技术特征Table 3 Technical characteristics of scraper conveyor