古城煤矿N1303综采工作面设备选型及配套设计

付 鹏

(潞安集团 古城煤矿，山西 长治 046100)

古城煤矿是潞安集团新建的一座现化化矿井，设计生产能力800万t/a，采用斜立混合开拓方式，主副井工业场地分开布置。井田内含煤地层发育3、14和15-3号等3层可采煤层，矿井先期开采3号煤层。井田总体为一走向近南北，倾向西、倾角 4°左右的单斜构造，结构简单，水文地质类型为中等，煤尘具有爆炸危险性，为不易自燃煤层，属高瓦斯矿井。

1 采煤方法及工艺

国内外多年生产实践证明，单一长壁采煤法为目前效率、回采率、机械化程度最高的采煤方法，在条件适合时应首选。

本矿井主要开采的3号煤层为近水平煤层，厚度5.15～8.70 m，平均6.40 m。煤层变异系数Cr=0.14，属稳定性煤层。区内褶曲使煤层倾角局部发生变化，同时已发现的断层较少，从整体上看煤层赋存状态对工作面沿煤层走向或倾向推进影响不大，适合单一长壁式采煤法开采。

对于特厚煤层目前的开采工艺主要有大采高一次采全厚、综采放顶煤和分层开采工艺。在现有技术装备下，煤层厚度在3～6 m时应优先采用大采高一次采全厚综采采煤工艺；煤层厚度在6～10 m时可采用放顶煤一次采全高开采工艺；当煤层厚度大于10 m时可采用分层开采和放顶煤开采两种工艺。其选择的依据主要取决于煤层的可放性[1]。

结合国内外高产高效矿井生产实践经验，综合考虑潞安集团内部兄弟矿井设备通用互换性和工人操作使用习惯，设计采用放顶煤采煤工艺。

2 设备选型

2.1 采煤机

1)工作面日进刀数。工作面日进刀数按下式计算：

式中：n为工作面日进刀数，刀；Q年为工作面设计生产能力，400万t/a；330为年工作天数，d；K为不均衡系数，0.9；Q刀为工作面一刀产量，Q刀=B·H·L·C·γ；B为采煤机截深，0.8 m；H为工作面煤层平均厚度，6.34 m；L为工作面长度，302 m；C为工作面煤的回收率，93%；γ为煤的容重，1.43 m3/t。

经计算，Q刀=2 040 t/刀；n=6.6刀，设计取7刀。

2) 采煤机平均牵引速度。平均牵引速度按下式计算：

式中：Vc为正常条件下割煤时采煤机平均牵引速度，m/min；n为采煤机日进刀数，7刀；L为工作面长度，302 m；L1为进刀长度，30 m；T为工作面生产班时间，18 h；t1为每循环进刀时间，0.25 h；K为采煤机开机率，0.6。

经计算，采煤机平均牵引速度Vc=3.51 m/min。

3) 采煤机平均生产能力。按下式计算：

Qm=60·Hg·B·Vc·γ·Cg

式中：Qm为正常条件下采煤机平均生产能力，t/h；Hg为工作面割煤高度，3.80 m；B为采煤机滚筒截深，0.8 m；Vc为正常条件下割煤时采煤机平均牵引速度，3.51 m/min；γ为煤的容重，1.43 t/m3；Cg为工作面割煤回收率，97%。

经计算，采煤机平均生产能力Qm=888 t/h。

4) 采煤机设计最大生产能力。按下式计算：

Qmax=Kc·Qm

式中：Qmax为采煤机设计最大生产能力，t/h；Kc为采煤机割煤不均衡系数，取1.5；Qm为采煤机平均生产能力，888 t/h。

经计算，采煤机设计最大生产能力Qmax=1 332 t/h。

5) 采煤机装机功率。按下式计算：

N=60·Kb·B·Hg·Vmax·γ·Hw

式中：N为采煤机截割功率，kW；Kb为备用系数，1.2；B为采煤机滚筒截深，0.8 m；Hg为工作面割煤高度，3.80 m；γ为煤的容重，1.43 t/m3；Hw采煤机单位能耗，0.55 kW·h/t；Vmax为采煤机最大割煤速度，Vmax=K·Vc；K为采煤机割煤速度不均匀系数，1.3。

经计算，采煤机截割功率N=785 kW。

结合潞安集团邻近矿井工作面设备配备及使用情况，设计选用MG400/930-WD型采煤机，其主要技术参数见表1。

表1 采煤机技术特征

2.2 液压支架

根据邻近余吾煤业以及高河能源的生产经验，初步选定液压支架中心距为1.5 m的ZF8500/22/42型液压支架，以下从多角度对其进行校核计算。

1) 支架结构高度。

Hmax=Mmax+0.2

Hmin=Mmin-(0.25～0.35)

式中：Hmax为支架最大高度，m；Hmin为支架最小高度，m；Mmax为煤层最大采高，3.80 m；Mmin为煤层最小采高，3.80 m。

经计算，支架最大高度Hmax=4.0 m，支架最小高度Hmin=3.45～3.55 m。

ZF8500/22/42型液压支架支护高度2.2～4.2 m，满足要求。

2) 支架支护强度。支架支护强度采用倍重系数估算法按下式进行计算：

P=n·M·γ

式中：P为支架支护强度，kN/m2；n为岩重倍数，根据地质报告，3号煤层顶板为半坚硬-坚硬岩层，取9；M为采高，3.80 m；γ为上覆岩层容重，27.0 kN/m3。

经计算，支架支护强度P=923 kN/m2=0.93 MPa。

ZF8500/22/42型液压支架支护强度为1.10 MPa>0.93 MPa，满足要求。

3) 支架工作阻力校核。根据ZF8500/22/42型液压支架的技术参数，对其工作阻力进行校核。

F=P·S

式中：F为支架工作阻力，kN；P为支架支护强度，923 kN/m2；S为支架支护的顶板面积，S=L×B；L为支架顶梁长度，5.385 m；B为支架宽度，1.5 m。

经计算，F=7 455 kN，ZF8500/22/42型液压支架工作阻力为8 500 kN>7 455 kN，满足要求。

4) 选型结果。经校核，ZF8500/22/42型液压支架满足要求，设计推荐采用该型号液压支架。另外，在工作面上下端头处各布置4架ZFG12000/25/42型四柱支撑掩护式过渡支架，在工作面上端头过渡支架外侧与端头空档连接处布置1组ZTF25000/25/55型机巷端头支架。液压支架主要技术参数见表2。

表2 液压支架技术特征

2.3 刮板输送机

1) 前部刮板输送机。同时满足以下两种计算公式，并取其最大值。

Q运≥K1·K2·K3·Qm

(1)

式中：Q运为前部刮板输送机运输能力，t/h；Qm为采煤机平均生产能力，888 t/h；K1为输送机装载不均匀系数，取1.5；K2为采煤机与刮板输送机同向运动时的修正系数，取1.05；K3为煤层倾角及运输方向的系数，取1.3。

经计算得：刮板输送机运输能力Q运≥1 818 t/h。

Q运≥K·Qmax

(2)

式中：Q运为前部刮板输送机运输能力，t/h；K为能力富裕系数，1.2；Qmax为采煤机设计最大生产能力，1 332 t/h。

经计算，刮板输送机运输能力Q运≥1 598 t/h。

综合比较，前部刮板输送机运输能力Q运≥1 818 t/h。

2) 后部刮板输送机。工作面平均放顶煤能力：

Qf=60·Hf·B·m·γ·Cf·(1+Cg)·Vf

(3)

式中：Qf为工作面平均放顶煤能力，t/h；Hf为综放工作面平均顶煤厚度，2.54 m；B为采煤机截深，0.8 m；m为放煤步距与采煤机截深之比，1；γ为煤的容重，1.43 t/m3；Cf为顶煤回收率，87%；Cg为放出顶煤的含矸率，10%；Vf为沿工作面平均放煤速度，3.51 m/min。

经计算，工作面平均放顶煤能力Qf=581 t/h。

后部刮板输送机运输能力：

Q运≥Kf·Ky·Qf

(4)

式中：Q运为后部刮板输送机运输能力，t/h；Kf为放煤流量不均匀系数，2.0；Ky为考虑运输方向及倾角系数，1.3；Qf为工作面平均放顶煤能力，581 t/h。

经计算，后部刮板输送机运输能力Q运≥1 511 t/h。

3) 选型结果。综合考虑计算结果、设备及备件的互换性、设备运行可靠性等因素，前、后部刮板输送机设计均选用SGZ1000/2×1000型刮板输送机，采用变频启动，其主要技术参数见表3。

表3 刮板输送机技术特征

2.4 转载机和破碎机

1) 转载机运输能力。

式中：Q转为转载机的运输能力，t/h；Qm为采煤机平均生产能力，888 t/h；Qf为工作面平均放顶煤能力，581 t/h；Kf为放煤流量不均匀系数，2.0；Kc为采煤机割煤速度不均衡系数，1.5。

经计算，转载机运输能力Q转≥2 050 t/h。

2) 选型结果。综合考虑计算结果、设备配套及运行可靠性等因素，设计选用SZZ1200/525型装载机(含MY800转载机自移系统)及PLM3500型破碎机，其主要技术参数见表4和表5。

表4 转载机技术特征

表5 破碎机技术特征

2.5 乳化液泵站和喷雾泵站

乳化液泵站要保证其液压系统与所选择的液压支架系统相匹配，满足移架速度要求，设计配备1套BRW400/31.5型乳化液泵站，三泵(两用一备)一箱，工作压力31.5 MPa，公称流量400 L/min，同时为延长液压支架使用寿命，减少检修维护量，提高生产效率，配备1套乳化液自动配比装置。

喷雾泵站设计选用1套BPW400/16型喷雾泵站，两泵(一用一备)一箱，公称压力16 MPa，公称流量400 L/min。

乳化液泵站和喷雾泵站主要技术参数见表6和表7。

表6 乳化液泵站技术特征

注：表中为单个泵参数

表7 喷雾泵泵站技术特征

注：表中为单个泵参数

2.6 可伸缩带式输送机

巷道可伸缩带式输送机要与工作面推进长度及生产能力相适应，经计算，选用DSJ140/200/3×450型可伸缩带式输送机，其主要技术参数见表8。

表8 可伸缩带式输送机技术特征

2.7 工作面设备配套

综合上述，N1303综采工作面设备配套明细如表9。

3 结 语

经过后期安装配套及运行来看，证明前期设备选型配套符合规范和标准，符合古城矿生产实际需求。在设备运行过程中，有以下几点值得总结和借鉴：

1) 采用工作面自动化控制系统，实现了综采工作面设备的集中控制功能；

2) 采用智能型采煤机，可检测主要工况数据并实现数据上传功能；

3) 前后刮板输送机、胶带机启动方式采用变频驱动，大大改善了大功率设备的启动性能，延长了设备使用寿命，减少了检修工作量；

4) 采用自移式单轨吊液压移动装置和自移式胶带机尾，有效解决了转载机头电缆吊挂乱的问题和提高了移动胶带机尾的安全性，减轻了工人的劳动强度；

5) 采用乳化液自动配比、远程供液系统，车场配液站与列车液箱之间实现实时通讯，自动供液，并可将乳化液浓度数据上传。