γ——煤的容重，取1.35t/m3； Kg——采煤机割煤回收率，取0.98 3.2.5 采煤机装机功率
1）采煤机最大割煤速度 Vmax=KC×V=1.5×4.0=6.0m/min
式中：KC—采煤机割煤不均匀系数，取KC=1.5 2）按采煤机单位能耗法计算功率为： N=Kb×60×B×H×Vmax×Hw 式中：
Kb——备用系数，取Kb=1.4
Hw——采煤机割煤单位能耗，一般为0.6~0.8 kwh/m3，因本矿煤质较硬，因此
取Hw=0.8kwh/m3
代入后得
N=1.4×60×0.8×1.35×6.0×0.8=435.5kW 3.2.6 采煤机的选型
根据上述核算结果及选型原则，，选用MG250/560-WD型电牵引采煤机能够满足生产的要求，其主要参数及技术性能如下： 采煤机型号 最大截割高度(m) 截深(m) 滚筒直径(mm) 牵引力(kN) 牵引速度(m/min) 滚筒转速(r/min) 摇臂长度（mm） 最大不可拆卸件（mm） 牵引型式 机面高度（mm） 装机功率（kW） 电压（V） 机重 MG250/560-WD 1.2~2.4 0.8 Φ1200；Φ1250；Φ1400 435 0-6.32-10.5 44.22；51.19 2111 2740×1380×780 交流电牵引 870 2×250+2×20+10 1140 ~28t 3.3 工作面刮板输送机选型 3.3.1 刮板输送机能力核算
运输机的最大运输能力应满足Qy1≥Ky1Qm 式中：Qy1——运输机的最大运输能力；
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Ky1——运输机的装载不均匀系数，取1.4 Qy1=1.4×342.9=480.06t/h
因此，运输机的运输能力应大于480.06t/h。 3.3.2 刮板输送机选型
按能力核算、工作面长度等选型原则，选用SGZ730/2×160型刮板机能够达到生产能力的需求，其主要技术参数如下：
卸载方式 输送量(t/h) 设计长度（m） 链速（m/s） 中部槽规格（mm） 刮板链型式 圆环链规格（mm） 装机功率(kW) 端卸式 700~900 180 0.9~1.1 1500×688×260 中双链 Ф26×92 2×160 3.4 顺槽转载机的选型 3.4.1 转载机选型原则
1）、转载机的运输能力应大于工作面输送机的能力，它的溜槽宽度或链速一般应大于工作面输送机。
2）、转载机的机型即机头传动装置及电动机和溜槽类型应尽量与工作面输送机一致，以便于日常维修及配件管理。
3）、转载机机头搭接胶带输送机的连接装置，应与胶带输送机机尾结构以及搭接重叠长度相匹配，搭接处的最大高度要适应顺槽动压后的支护高度。
下面公式计算： Qn≥KN×Qm 式中：
KN——不均衡系数，取1.4
Qm——刮板机运输能力，480.06t/h； 代入后，Qn=1.4×480.06=672.08t/h； 因此，运输机的运输能力应大于672.08t/h。 3.4.2 转载机选型
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根据工作面生产能力和选型原则选用SZZ730/160即可满足要求，其主要技术特征和参数如下：
项目 设计长度 输送能力 中部槽内宽 中部槽结构 链速 电机功率 刮板环链型式 圆环链规格 单位 m t/h mm m/s kW mm 参数及特征 30~50 750~1000 688 整体焊接厢式 1.1~1.5 160 中双链 Ф26×92 3.5 乳化液泵站的选型 根据生产能力的需要，选用RB315/31.5即能满足生产能力的需求。
4 工作面液压支架初步设计
4.1架型选择
液压支架的架型选择主要依照工作面煤层地质条件而定，对单一煤层开采，世界普遍采用两种架型，即二柱掩护式和四柱支撑掩护式，但从发展趋势看，包括中国在内特别是美国、澳大利亚、南非等采煤技术发达国家二柱掩护式占主导地位。
二柱掩护式支架的突出优点是：
1）、提供了良好的沿工作面的运输通道； 2）、所有元件简单，容易维修； 3）、液压元件很少发生故障；
4）、提供的合力靠近工作面，在控制不稳定顶板、易于跨落的工作面证明是有效的； 5）、顶梁短，控顶距小；
6）、掩护式支架的几何形式在阻止顶板运动和减少支架在前移过程中存在的问题方面提供了很稳定的结构；
7）、采空区完全与工作面隔开；
8）、使用大伸缩液压支架，能适应煤厚的变化；
9）、立柱受力状态好，调高范围大、结构较简单、安装方便、抗水平力较强。 因此对于致富煤矿综采工作面，按其地质条件采用二柱掩护式液压支架是合适的。
4.2 支架工作阻力的确定
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综采工作面液压支架受力，主要是受上覆可垮落下位岩层(直接顶)的静压力和上位岩层(老顶)来压时的动压力的影响。为安全起见，煤层开采后，可及时垮落的上岩层形成对支架的静压力一般按煤层开采后所需的垮落高度来计算。煤层开采后，上位岩层最大可垮落高度为：
式中：
——可及时垮落的上覆岩层厚度(m)； ——直接垮落后未经压实的碎胀系数，——煤层最大采高，
=1.35m。
，取=1.15；
尽管直接顶和部分老顶能够随采随冒，但是上位岩层周期性断裂时，仍然对支架有一定的动载荷。支架支护强度可按下式估算：
式中：
——老顶来压时动载荷系数，考虑浅埋煤层动载荷较大，因此k=2； ——可及时垮落的上覆岩层厚度，H1=9m； ——岩层容重，=26kN/m3。
根据实际情况，考虑一定的富裕度，支护强度p可暂按0.468MPa来计算。 支架工作阻力的确定
确定支架的支护强度之后，即可根据支架的控顶范围和支架的结构型式，确定支架的工作阻力。
P=n×LK×LD×B×p/(η1×η2)
=1.4×（4131+351）×1.5×0.468/(0.85×0.95) ＝5455kN 式中：
B——架间距，B＝1.5m； η1——支护效率，取η1＝0.85； η2——安全阀波动系数，取η2=0.95； p——支护强度，0.468MPa； LK——空顶距，351mm；
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LD——顶梁长度，4131mm； n——安全系数，取1.4。
根据以上工作阻力的计算及结合该矿区的实践经验，确保矿井安全生产，保证工作面正常运行，设计选用ZY6800/09/18型两柱式掩护液压支架。根据我国行业标准中工作阻力系列，按我国煤矿支护设备缸径系列，缸径选定为Φ320mm，泵站工作压力为31.5MPa时初撑力为2533KN×2=5066KN，相当于工作阻力6800KN的74.5%。
4.3 ZY6800/9.5/19液压支架主要参数
1）支架
⑴ 型式： 两柱掩护式支架 ⑵ 型号： ZY6800/9.5/19
⑶ 工作阻力： 6800KN（P=42.28MPa） ⑷ 初撑力： 5066KN（P=31.5MPa） ⑸ 宽度： 1430~1600mm ⑹ 中心距： 1500mm ⑺ 高度： 950～1900mm ⑻ 支护强度： 0.84MPa(平均) ⑼ 泵站压力： 31.5MPa ⑽ 操纵方式： 邻架手动操纵 2）立柱（2根）
型式： 双伸缩
外缸径/中柱径/中缸径/柱径： Φ320/Φ290/Φ230/Φ210mm 行程： 763mm
初撑力： 2533KN(P=31.5MPa) 工作阻力： 3400KN(P=42.28MPa) 3）推移千斤顶（1根）
型式： 正装差动 缸径/杆径： Φ140/Φ85mm
推力(推溜)/拉力（移架）： 179/306KN（P=31.5MPa） 行程： 900mm 4）平衡千斤顶（2根）
缸径/杆径 Φ140/Φ85mm
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推力/拉力 485/306KN（P=31.5MPa） 工作阻力 591/374KN 4）侧推千斤顶（3根）
缸径/杆径 Φ63/Φ45mm
推力/拉力 98/48KN（P=31.5MPa） 行 程 170mm 5）抬底千斤顶（2根）
缸径/杆径 Φ100/Φ80mm
推 力 247KN（P=31.5MPa） 行 程 130m
5结论
致富煤矿薄煤层综采设备的成功配套选型与应用，保证了矿井生产安全，稳定了矿井产量，促进了经济发展。充分显示了薄煤层综采技术在煤炭企业经济活动中的重要作用和发展前景。在目前煤炭事业日益进取、科学技术飞速发展的今天，只有大力发展采煤机械化，才能够从根本上解决安全生产上的压力； 解决人力资源短缺、安全生产被动、经济效益滑坡的不良局面；才是实现矿井安全生产、保证煤炭企业可持续性发展、增强企业发展后劲的唯一出路。
作者简介：李勇，1973年生，男，2010年毕业于山东科技大学采矿工程专业，采矿工程师，现为山东东泰能源集团采矿工程公司总工程师。
联系电话：18248137178
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薄煤层综采工作面设备选型配套研究
山东东泰矿业有限公司 李勇 史钢德 纪华栋
关键词 薄煤层综采设备 选型 配套 研究
前言：随着致富煤矿采掘不断延伸，井下煤层赋存条件越来越差，薄煤层也越来越多。为适应矿井发展需要，提高资源回收率，进行薄煤层开采迫在眉睫。为了研究薄煤层开采技术、工艺，促进矿井长远发展，致富煤矿与山东东泰矿业公司共同研究，合作开采矿井薄煤层。
1 工作面基本地质条件
1.1地理位置
内蒙鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇，包府公路边贾线从矿南部通过。 致富井田东西长2.4km，南北宽1.0km，面积为2.36km2，开采深度为﹢1146m至﹢1131m标高。
1.2地质条件
致富煤矿为技改整合矿井，致富井田为一盘区，主采煤层6#煤层，2008年技改，2009年综采投入生产，一盘区的6#煤上层煤4个工作面已经采完，现在准备采6#煤下层煤。煤层硬度系数为f=4~5，煤层厚度为0.9~1.7米，煤层倾角为1°~3°，
煤层顶板和底板为砂质泥岩或粉砂岩，稳定性较差。
工作面的长度为162m，走向长度为1200m。上下顺槽断面均采用拱形U钢支护，其规格为，宽×高=4×2.8米
2工作面技术经济指标的确定
2.1工作面生产能力的确定
根据致富煤矿的规划年产量，其产量为50万t/a。
2.2 综采工作面参数的确定
2.2.1 工作面截深确定
目前，国内外综采工作面采煤机截深为0.6（0.63）、0.8、1.0几档，工作面截深取决于工作面煤层地质条件和工作面设备，主要是采煤机和液压支架的性能。
1）、工作面煤层地质条件：工作面顶板的破碎程度影响工作面截深。如果工作面顶板破碎，过大的截深将导致顶板冒落、片帮严重，顶板管理困难；工作面煤体硬度影响采煤机的截割能力，在采煤机截割功率一定的条件下，煤质过硬、过粘，煤层中含有夹矸等因素都将限制工作面截深过大；煤层的瓦斯含量也影响工作面的生产能力和截深。
2）、工作面设备能力：采煤机机械强度、装机功率等因素是影响截深的重要因素；截深加大导致工作面控顶距离增加，液压支架的支护强度和防护性能降低。
根据致富煤矿的煤层地质条件、国内采掘机械技术发展现状及规划产量，采煤机截深定为0.8m。 2.2.2工作面长度
合理确定采煤工作面长度，应充分考虑工作面的煤层地质条件及技术上的先进性、合理性，因地制宜地进行优化，增加生产时间，减少故障工时，提高设备开机率。加大工作面长度可以相对减少工作面端部进刀时间。因此，提高工作面设备开机率和作业时间的有效方法之一就是加大工作面长度。
影响工作面长度的因素主要有以下几种：
⑴ 地质因素：煤层地质条件是影响工作面长度的重要因素之一。凡在工作面长度方向有较大地质变化(如断层、褶曲、煤层厚度、倾角、夹矸等)时，应依此为界限划分工作面。
瓦斯相对涌出量较大的工作面长度受通风和瓦斯管理限制较大，瓦斯绝对涌出量是限制工作面长度的重要因素。
⑵ 技术因素：地质条件一定时，工作面设备是影响工作面长度的主要因素，其中刮板输送机是影响工作面长度的重要因素。工作面长度的增加需要刮板输送机有更大的功率、机械强度、使用寿命和可靠性。另外，液压支架对工作面顶板管理的有效、可靠性也是决定工作面长度的重要因素。
⑶ 经济因素：从经济角度考虑，工作面存在一个产量和效率最高、效益最好的长度。可以根据工作面产量和长度的关系，应用数学分析法，给出经济上的最佳长度。此外还可以综合考虑工作面设备的使用寿命、维修费用、巷道掘进费用、工作面搬家费、出勤人员及其工资等求出满足目标函数的最佳工作面长度。
工作面长度加大，不仅能提高工作面单产，降低巷道掘进率，有利矿井实现集中生产，提高矿井资源回收率，但也不能过长，过长对设备装备水平及投入总量及总功率过大，投资亦很大，因此要有一个合理的长度，一般在地质赋存条件较稳定的情况下可按下列公式核算：
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L＝k·Qr/（n×H×B×r×C） 式中：
L——工作面长度，m； k——产量不均衡系数，1.1
Qr——工作面日产量，500000/300=1666.7t/d n——日循环数，取n＝8； H——煤平均厚度，1.35m ； B——循环进尺一刀B＝0.8m； r——煤体容量，1.35t/m3 C——工作面回采率，98%
则L＝1.1×1666.7/（8×1.35×0.8×1.35×0.98）＝160.4m
因此为保证达到日产1666.7吨即年产50万吨能力，工作面长度取162m能够达到要求。
2.2.3工作面平均日推进尺
按工作面年产50万t/a，年工作日300天计算，平均日产为1666.7t/d，工作面日进度为：
S= Q/（L×H×r×C）
式中：S——工作面平均日进度； Q——工作面日产量按1666.7t/a； L——工作面长度，162m；(煤壁对煤壁) H——煤层平均厚度，1.35m； r——煤体容量，1.35t/m3； C——工作面回采率，98%；
所以，S=1666.7/(162×1.35×1.35×0.98)=5.76m 日循环次数取8，循环进尺一刀0.8m则实际日进尺： S=8×0.8=6.4m。 2.2.4工作面日产量
Q=S×H×L×r×C
式中：Q——工作面日产量，t；
S——工作面日进尺，6.4m； H——煤层平均厚度，1.35m；
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C——工作面煤炭回收率，98%； L——工作面长度， 162m； r——煤体容量，1.35t/m3； 故，Q=6.4×1.35×162×1.35×0.98=1851.8t 2.2.5 工作面月产量和年产量
每月工作天数按25日计算，则工作面理论月产量为1851.8×25=46294.4t，理论年产量为46294.4×12=555533t。
由以上计算可知工作面日产量及年产量可满足煤矿50万t/a的要求。
3综采工作面设备配套选型
3.1工作面设备选型的基本思路
工作面综采设备的选型和配套是实现计划产量的重要物质基础，直接关系工作面年产目标的顺利实现，关系到综采设备的稳定性和可靠性。工作面“三机一架”选型包括采煤机、刮板输送机、转载机和液压支架的选型。其中，液压支架的选型是核心，采煤机和刮板输送机的选型是实现工作面能力的保证。
致富煤矿工作面综采设备的选型配套主要原则：
1）、主要立足于国内先进、成熟可靠设备，能够满足年产50万吨能力的需要。 2）、通过合理配套，保证工作面整个系统高产、高效、高安全生产的能力。 3）、保证各机配套形式、技术性能及尺寸的合理性，各设备的优化配置。 4）、提高成套设备的可靠性，保证工作面生产系统的确定性、协调性。以工作面设备能力为基础，形成一条配套生产能力由工作面向外的“喇叭口”煤流系统，用综采设备的协调性来保证工作面快速推进的需要。
5）、在技术先进、设备可靠、能力有余的基础上，充分降低投资成本。
3.2 采煤机选型及生产能力核定
3.2.1 选型原则
综采工作面生产能力主要取决于采煤机落煤能力，它与采煤机最大割煤牵引速度、无故障割煤时间、最大截深、采高、煤的容重等有关。无故障割煤时间取决于综采成套设备的可靠性、煤层赋存条件、回采工艺及作业方式等。而设备可靠性在很大程度上决定于装机功率和机械的性能。因此，采煤机选型应依据煤层赋存条件和工作面参数，生产能力能够达到综采工作面设计年产50万t的要求，并满足与刮板运输机、液压支架相配套。
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当采高与截深一定时，工作面生产能力即取决于采煤机的牵引速度或装机功率。因此，选择采煤机时，根据采高、截深、牵引速度和功率进行选型，同时采煤机应能满足并实现工作面两端斜切进刀自开缺口的要求。 3.2.2 采煤机滚筒的选择
根据工作面最大采高1.7m，滚筒直径一般为最大采高的0.55～0.7倍，选定滚筒直径D=Ф1000mm可满足生产要求。 3.2.3 采煤机开机率核算
依照致富煤矿综采工作面年生产能力50万吨，年工作日300天计；两班出煤、一班检修。
工作面进刀方式采取端部斜切进刀双向割煤方式，往返一次割两刀。移架推输送机采用分工、分段追机作业；采煤机割煤与其它工序尽量做到平行作业。
1）、采煤机的日切割总长度核算 LJ=n×(L+2L1)
LJ——采煤机切割总长度 L——工作面煤壁间长度，162m n——日切割刀数，8刀
L1——斜切进刀切割和返回长度25m 故LJ=8×（162+2×25）=1696m
采煤机的平均割煤速度4.0 m/min (MG250/560-WD电牵引采煤机最大牵引速度为6.32m/min)。
开机所需时间为1696÷4.0 =424min 开机率为μsr=（424/960）×100%=44.17%
在我国与该工作面相似条件开机率一般可达到50～70%，因此，可以确保该工作面进入正规循环后年产50万t。 3.2.4 采煤机小时理论生产能力核算
Qm=60B?H?V?γ?Kg
Qm=60×0.8×1.35×4.0×1.35×0.98=342.9t/h 式中：Qm——采煤机的落煤能力； B——采煤机截深，取0.8m； H——采煤机割煤高度，取1.35m； V——采煤机割煤牵引速度，取4.0m/min；
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推力/拉力 485/306KN（P=31.5MPa） 工作阻力 591/374KN 4）侧推千斤顶（3根）
缸径/杆径 Φ63/Φ45mm
推力/拉力 98/48KN（P=31.5MPa） 行 程 170mm 5）抬底千斤顶（2根）
缸径/杆径 Φ100/Φ80mm
推 力 247KN（P=31.5MPa） 行 程 130m
5结论
致富煤矿薄煤层综采设备的成功配套选型与应用，保证了矿井生产安全，稳定了矿井产量，促进了经济发展。充分显示了薄煤层综采技术在煤炭企业经济活动中的重要作用和发展前景。在目前煤炭事业日益进取、科学技术飞速发展的今天，只有大力发展采煤机械化，才能够从根本上解决安全生产上的压力； 解决人力资源短缺、安全生产被动、经济效益滑坡的不良局面；才是实现矿井安全生产、保证煤炭企业可持续性发展、增强企业发展后劲的唯一出路。
作者简介：李勇，1973年生，男，2010年毕业于山东科技大学采矿工程专业，采矿工程师，现为山东东泰能源集团采矿工程公司总工程师。
联系电话：18248137178
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