厚煤層綜放開采設備選型及配套探討研究
紀文佳
（大同同煤集團 生產技術部， 014010）
摘要：在分析影響綜采放頂煤工藝設備配套及選型因素的前提下，對厚煤層采用綜采放頂煤技術的主要設備進行選型分析，確定出選型要求和原則，特別總結出了三種不同煤層地質條件（急傾斜特厚煤層、緩傾斜中硬厚煤層、傾斜厚煤層）綜放開采液壓支架的選型原則；闡述了綜放工作面主要設備配套要求，可為厚煤層綜放開采設備選型及配套提供參考。
關鍵詞：厚煤層；綜放；設備選型；配套
Thick coal seam on fully-mechanized sublevel caving mining equipment selection and matching
MENG Guosheng
（1.Mining Engineering College，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China；）
Abstract: In fully-mechanized sublevel caving mining equipment selection supporting the influence factors on the basis of analysis of thick coal seam fully-mechanized sublevel caving mining equipment selection of form a complete set, determine the selection principle, special requirements and summarizes three different coal seam geological conditions (urgent tilt specially thick coal seam, slowly inclined hard thick coal seam in thick coal seam, the tilt) fully mechanized top-coal caving hydraulic support's selection principles; Expounds the main equipment of fully mechanized coal face related demand, can be thick coal seam fully-mechanized sublevel caving mining equipment selection and related to provide the reference.
Key words: Thick coal seam; Fully-mechanized sublevel caving;Equipment selection; Supporting
0引言
在我國現(xiàn)有煤炭儲量和產量中，厚煤層(厚度＞3．5m)的產量和儲量均占45％左右，而且厚煤層是我國實現(xiàn)高產高效開采的主力煤層，具有資源儲量優(yōu)勢，由于其煤層厚度大，對其開采可以有多種方法進行選擇[1]。綜放是開采厚煤層、建設高產高效礦井的最有效的技術途徑，是近幾年來我國煤礦開采技術上的一項重要突破，它具有投入少、產出多、產量大、效率高、成本低、效益好的優(yōu)點，是當前開采厚煤層最具有活力的開采技術[2]。對于厚煤層，放頂煤開采實現(xiàn)安全高產高效生產的先決條件是其設備合理選型與綜合配套。由于綜放開采是用采煤機割煤和利用放頂煤液壓支架的一種新的厚煤層采煤方法，有其特有的特點和規(guī)律。這些特別的規(guī)律導致了這類煤層綜放在設備配套技術層面上有很大難度[3]。因此，特厚煤層采用綜采放頂煤在設備配套層面很復雜的，必須進研究探討得以完善，以達到安全高效生產。
1綜放開采設備選型配套影響因素
綜放開采設備選型配套受多方面綜合因素的影響和制約，主要有下面三個影響因素[3]：①煤層賦存和開采條件影響因素：地質構造及其成因，煤層厚度、傾角，煤層硬度，煤層的層理、節(jié)理發(fā)育程度(這些因素反映煤的可放性)，以及煤層頂?shù)装鍘r性、直接頂厚度及垮落情況，工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及煤層中瓦斯含量、自然發(fā)火期等；②采煤工藝影響因素：采煤與放煤高度，工作面長度與走向長度，采煤、放煤的方法與步驟，放煤速度及放煤方式等。③綜放設備配套還要考慮國家對煤炭資源回收率的要求，并是還要對各種配套設備的主要技術性能、可靠性程度等進行全面綜合考慮。
2選型的基本要求及原則
厚煤層綜采放頂煤設備選型應保證：在工作面采、運、支和放煤四個主要環(huán)節(jié)有最佳的匹配，達到協(xié)調全面可靠生產，提高生產集中程度，提高技術經濟效益。為保證取得最佳綜合效果，實現(xiàn)厚煤層高效開采，對其設備配套應滿足以下6項基本原則[3.4]：
① 綜采放頂煤工藝選型設備設備配套的第一大原則是年設計能力，它是綜放工作面總體規(guī)劃中的重要參數(shù)，并且應協(xié)調中長期目標與實際生產的關系；遵守設備投資費用最佳原則，注意不能配套設備價格高而降檔次；設備選型配套應與工作面參數(shù)相適應，工作面參數(shù)是工作面生產能力的綜合體現(xiàn)。
②第二大原則是主要總體設備配合要達到最優(yōu)的技術性能，確保正常合理的生產，
③第三大原則是主要科學合理配置設備的空間位置，確定最優(yōu)的設備連接尺寸。
④第四大原則是根據煤層賦存及礦井條件因地制宜選型配套，應對配套進行綜合適應性評價分析。
⑤第五大原則是優(yōu)先選擇國內類似配套設備，對同類設備的使用情況及技術參數(shù)進行考察，綜合評價設備的穩(wěn)定度及適宜性。當國內配套設備不能滿足要求時，可考慮引進某些關鍵設備，以滿足整體配套要求。擇優(yōu)選廠訂貨，不同生產廠家生產出的設備質量有差異，應做好調查擇優(yōu)選廠訂貨。
⑥第六大原則是配套設備要能實現(xiàn)采放工序平行作業(yè)。巷道設備及外運系統(tǒng)能力也應相互匹配，使工作面設備效能得以充分發(fā)揮，避免現(xiàn)“瓶式”配置，造成窩工降效。
2.1采煤機選型
2.1．1選型原則
采煤機是機械化采煤工作面的主要機械設備，承擔著落煤和裝煤的任務，是在放頂煤開采過程中直接截割煤壁的設備。由于放頂煤開采時在開采厚度范圍內先采底層煤，然后主要通過頂板對頂煤的壓力作用破煤并通過一定的方式放出，因此采煤機采高不必太大，只要保證有足夠的作業(yè)空間和通風面積以及能夠保證高產、高效即可。對采煤機選型的原則是要符合煤層賦存條件，滿足生產能力的要求，以及與刮板輸送機和液壓支架相匹配的要求。選型時應考慮如下幾點原則：
⑴機采設計高度和采煤能力要達標，生產能力要大于工作面設計能力。
⑵采煤機功率能滿足實際生產要求，要可靠穩(wěn)定。處理端部底煤，刮板輸送機的端部能切割到，能自動便捷開切眼，各工序間的輔助時間要少。要有適宜的牽引速度，與刮板輸送機相匹配的牽引機構。截割部應配備強力有效的噴霧滅塵裝置。采煤機的挑頂及臥底性能應能達到生產要求。
⑶盡可能雙向裝煤，裝煤效果要好。當煤的塊度過大時，應考慮采用破煤裝置。要由完善合理的操縱系統(tǒng)，應將隨機手動控制、集中控制合理結合以控制采煤機正常生產，要配備先進的保護裝置。
⑷總體要有良好的性能，能可靠工作，要由健全的保護功能，便于長期使用和減少維修工作。
2.1．2采煤機參數(shù)確定
采煤機的參數(shù)主要有7個：采高、截深、牽引速度、牽引力、截割速度、功率和實際生產能力，在選型時必須確定[5]。采煤機實際生產能力主要取決于牽引速度、采高、截深以及工作時間利用系數(shù)。采高由滾筒直徑、調高形式和搖臂擺角等決定，采高范圍應包含煤層的采高范圍也就是采煤機最小采高小于煤層最小采高，采煤機最大采高大于煤層最大采高。采高調節(jié)主要靠調節(jié)滾筒直徑來實現(xiàn),同一種采煤機有不同種類的滾筒直徑,其調節(jié)采高要滿足最大采高及臥底量要求。確定截深，必須考慮煤質軟硬、頂板巖性、移架步距以及煤層厚度等影響因素。由截割部傳動比、滾筒轉速和滾筒直徑確定滾筒截齒在齒尖割煤時圓周切線的速度,進一步確定截割速度。它的合理與否直接影響裝煤效果、煤塵大小、煤的塊度和采煤機的功率消耗。通過借組對滾筒最大切削厚度和液壓支架移架追機速度驗算確定的初選牽引速度。牽引力是由外部載荷決定,由于影響因素（煤質、采高、導向機構的結構和摩擦系數(shù)、牽引速度、工作面傾角及機身自重等）多，沒有精確的計算公式, 通常取采煤機電機功率消耗量的10%~25%,如等,。滾筒采煤機電機功率通常用單齒比能耗法或類比法計算,結合煤層硬度及生產任務等因素確定。
2.2刮板輸送機選型
綜放工藝的關鍵性設備是刮板輸送機。由于放頂煤開采支架架型不同，以及煤厚、采放比不等，在綜放工作面總體配套設計中對刮板輸送機的選型應按照以下6個原則[3.4.5]：
⑴輸送能力應該滿足綜放工作面設計生產能力，且與液壓支架放煤能力及采煤機生產能力相匹配，前部輸送機能力應與配套的采煤機生產能力匹配，后輸送機應與頂煤放煤能力相匹配；還應與采區(qū)順槽、運輸大巷等的運輸能力相匹配。
⑵為便于雙輸送機放頂煤工作面過渡支架的配套設計和輸送機的維護選用短機頭和短機尾輸送機，這樣便于首尾過度支架的配套規(guī)劃及輸送機的使用。
⑶工作面輸送機應能適應工作面傾角、頂?shù)装寮懊嘿|要求，傾角大時應配備有防滑裝置，應具有限制煤炭向下滑滾的能力。
⑷其結構性能應能確保采煤機總體配套要求，保證采煤機發(fā)揮穩(wěn)定性生產;還應滿足轉載機配套要求，即對卸載方式的配套要求。
⑸輸送機鏈條數(shù)目要根據刮板鏈的負荷量計算確定，選擇鏈子結構形式時要考慮煤質硬度因素。能適應煤的不同塊度要求，能清理機道浮煤，并具有一定的可彎曲性，雙邊鏈適合用在煤質較硬、塊皮較大的煤層巷道中，煤質較軟煤層可選用雙中心鏈，也可選單鏈。
⑹輸送機控制應安全、可靠,能在左、右工作面均能使用。;
2.3液壓支架選型
綜放開采設備的核心設備是放頂煤液壓支架，它是所有配套設備中有本質特征的特殊設備，明顯區(qū)別于普通綜采設備。不同的煤層地質條件下，頂煤對支架的舍力作用位置不同，由此，針對不同煤層地質條件，支架選型原則不同[4]。
2.3．1急傾斜特厚煤層放頂煤液壓支架的選型
急傾斜特原煤層綜放開采，是指煤層傾角在45°以上、煤層厚度在20m以上的地質條件下，把煤層沿水平分成高6~12m分段，使用以液壓支架為主體的綜采設備開采的放頂煤采煤法。鑒于該種地質條件下礦壓小、工作面短、巷道斷面也較小的特點，應選擇工作阻力較小、體積小、重量輕、推進較快的架型。
2.3．2緩傾斜中硬厚煤層放頂煤液壓支架的選型
緩傾斜中硬厚煤層綜放開采，是指煤層傾角＜15°、煤質較軟(硬度系數(shù)f＝l~3) 、頂煤中間沒有不易冒落的夾石層及煤層，煤層厚度在5~10m的地質條件下進行的放頂煤采煤法。
據統(tǒng)計，緩傾斜條件下采用放頂煤工藝的比例是最大的，而且由于煤層條件差異，所以合理的架型可有多種。選擇架型時，一般根據以下要求：
⑴保證放煤效果
能否把煤放下、放好，是緩傾斜中硬厚煤層開采最突出的問題，也是液壓支架選型的關鍵。保證好的放煤效果，應合理選擇放煤口的大小和形式。通常優(yōu)選使頂煤更易松動下放的低位綜采放頂煤液壓支架。
⑵保證放煤的運輸空間
放煤過程中時常出現(xiàn)大塊煤或殲石，處理不好，可能堵塞運輸通道，損壞設備和管路，這對雙輸送機放頂煤支架尤為重要。另外，空間太小，也影響設備維修、人員通行和安全。根據生產實踐，要求過煤高度(即在放煤狀態(tài)時，輸送機中心位置從底板到支架的空間高度)不小于700mm。
⑶確定合理的工作阻力
目前我國已投入使用的放頂煤液壓支架的工作阻力最小為1600kN。礦壓觀測表明，放頂煤綜采支架和普通綜采支架相比，在相同的地質條件下，工作阻力相差不大，有的工作阻力還很小，似乎不必強調增大支護強度。但根據老項巖性、來壓方式、直接項厚度、垮落特征等因素，以及目前在放頂煤液壓支架設計中采用并不成熟的支架受力模型方面看，還應適當加大工作阻力，以避免支架損壞和提高設備的工作可靠性。
⑷確定合理的初撐力
提高初撐力，可減少項板下沉量，有利于端面項煤的維護。但對端面頂煤完好的煤層，支架初撐力不宜過高，以利于頂煤的離層、垮落。
2.3．2傾斜厚煤層放頂煤液壓支架選性
適于綜放開采的傾斜厚煤層傾角為20°~35°，在煤的硬度相同時，其冒放性比緩傾斜厚煤層更好，且礦壓較小，對煤壁和端面頂煤的維護更為有利。但是由于工作面傾角大，液壓支架等工作面設備有下滑趨勢，給工作面管理帶來困難。另外，坡度較大的放頂煤工作面與緩傾斜和近水平煤層工作面不同，其放煤橢球體和放煤漏斗曲線不再是對稱垂直于水平面的軸線，而是向傾斜上方偏斜，因而松動的頂煤在放出過程中除了他垂直于層面的運動外，還有一個沿傾斜方向的運動，并將向下的橫向力施加在液壓支架上，使支架產生傾倒的趨勢。因此，傾斜厚煤層綜放開采時液壓支架的選型原則如下：
⑴抗扭性好和支架穩(wěn)定性好原則
從國內使用生產經驗看，優(yōu)選用底座與掩護梁相連的四連桿機構的架型，適當加大各主要聯(lián)結部位的銷軸和耳座的強度，減小銷軸與孔間的間隙，掩護梁的抗扭強度要高，要能確保在大傾角條件下正常合理工作。
⑵支架防滑、防滑性能要好原則
下端頭設置端頭支架，定位全工作面的支架，預防支架的下滑下傾。端頭支架要有較大的工作阻力和移架力，要有可靠的放煤機構，以保證穩(wěn)定放煤。實踐表明，端頭支架的適度放煤，不但提高了煤炭回收率，而是減輕了端頭支架的壓力，有利于端頭移架，減少端頭事故。工作面下部排頭三架一組支架間設置底座前、后防滑千斤項和項梁防例千斤頂，其余每兩架一組底座間設置防滑千斤頂。 前輸送機推移千斤頂?shù)耐茥U設計成寬而長的箱型結構，抗彎剛度好，并增加與輸送機
連接強度，以控制前輸送機下滑和支架的下滑。
2.4順槽運輸設備選型
采煤機割下的煤及支架放落的頂煤需要靠順槽運輸設備運出區(qū)段，可單獨分別運出也可將這些煤炭同時運出?？芍倏s帶式輸送機、破碎機、轉載機是順槽內部的主要承擔運輸工作的設備。這些設備選型基本原則是保證工作面設計的原煤輸出能力。要能實現(xiàn)實現(xiàn)采、放同時作業(yè)，達到高產高效生產。無論是單輸送機還是雙輸送機，順槽運輸設備的輸送能力都應大于放煤和采煤兩套生產工序的生產能力總量。轉載機是制約綜采放頂煤工作面安全高效生產的主要環(huán)節(jié)，所以轉載機的輸送能力一定要足夠大，必須大于工作面中最大輸送量的輸送機。對于雙輸送機的綜放面，轉載機的輸送轉載能力應是工作面最大輸送能力輸送機能力的1.2倍。
3綜放工作面主要設備配套要求
綜放工作面主要設備（采煤機，工作面前、后輸送機，放頂煤液壓支架，過渡支架及平巷端頭支架）相互空間位置關系與聯(lián)系尺寸之間關系要合理配套，要由協(xié)調各設備共同高效生產，要適宜煤層特點與巷道特性，各設備之間的生產能力配套是綜放設備配套的重點問題[4]。
3.1設備生產能力配套
采煤機生產能力和支架放頂煤能力應能保證完成生產任務。對于高位放頂煤單輸送機工作面，其輸送機的輸送能力一定要大于支架放煤能力與采煤機割煤裝煤能力之和；對于中、低位放煤雙輸送機工作面，其后部輸送機輸送能力應大于液壓支架放頂煤能力；前部輸送機輸送能力要大于采煤機生產能力；轉載機的輸送轉載能力要大于采煤機生產能力與放煤能力之和，破碎機的破碎能力應滿足能破碎生產過程中大塊煤、巖[6]，轉載機的輸送能力應小于帶式輸送機的輸送能力。
3.2設備總體性能配套
⑴采煤機性能與輸送機性能要配套：采煤機的結構形式、前部輸送機的尺寸、結構形式、附件之間性能應互相配套。
⑵采煤機性能與液壓支架性能要配套：液壓支架最大、最小結構尺寸應與采煤機的采高合理范圍想對應；采煤機截深與支架推移步距相協(xié)調；采煤機牽引速度、液壓支架的放煤速度、移架速度三者要相互協(xié)調。
⑶輸送機性能與液壓支架性能要配套：液壓支架前、后推移千斤頂連接裝置與前、后輸送機的中部槽配套，尤其是連接結構和間距之間要合理匹配；過渡支架、端頭支架前、后推移連接裝置的間距和連接結構與前、后輸送機的機后架、機頭架合理匹配。
⑷乳化液泵站與液壓支架要配套：乳化液泵站輸出的壓力及流量應滿足液壓支架的初撐力要求及動作速度要求，這些都應合理匹配。
⑸工作面設備性能與移動變電站供電性能要配套：移動變電站的輸出電壓及功率滿足工作面配套設備正常工作條件下的額定電壓和功率。
⑹工作面設備性能與工作面通風性能相配套：工作面設備的需風量應與通風斷面與通風總流量及分流量相適應。
3.3設備空間位置與幾何尺寸配套
⑴為了防止采煤機的滾筒切割液壓支架的頂梁，對于移架后的梁端距，液壓支架前端通常取300mm。
⑵液壓支架推移千斤頂行程應大采煤機截深100~200mm。
⑶為保證煤流能順利通過采煤機底托架，采煤機過煤高度應大于250 mm。
⑷電纜槽與前柱應留150~200mm的間隙，一確保移架后支架的前柱與電纜不相碰，使采煤機司機能安全采煤。
以上各類設備之間相互位置與配合關系應協(xié)調就位，否則將影響整個系統(tǒng)的安裝、使用及維護。處于安全及經濟考慮，購買配套設備后，應在礦區(qū)地面先進行組裝并且調試，發(fā)現(xiàn)不合理的配套問題及其他綜合問題應在地面上及時解決，然后采能用于井下生產。
4 結束語
由于受很多種因素影響和條件約束，對于厚煤層綜采放頂煤工藝技術設備的合理選型與綜合配套，實際上是運籌學中的求解最佳優(yōu)化組合問題，也是礦業(yè)系統(tǒng)工程中的復雜問題。厚煤層綜合機械化放頂煤是一個多工序、多環(huán)節(jié)的采煤過程，放煤、運煤及支護，構成了綜合機械化放頂煤開采的最重要的幾個環(huán)節(jié)。各設備之間的合理選型及配套將使綜放面單產和效率顯著提高，應根據煤層條件及礦井情況因地制宜選用穩(wěn)定并且可靠的綜放成套設備，以達到良好的使用效果。
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作者簡介：紀文佳，（1985-）山西大同縣人，2009年獲得太原理工大學采礦工程學士學位，現(xiàn)在山西同煤集團生產技術部。
聯(lián)系電話：15034229410，郵箱：jiajia_nihaoma@126.com地址：山西同煤集團生產技術部計劃科2315室郵政編碼：037003。
