厚煤层综放开采设备选型及配套探讨研究

纪文佳

（大同同煤集团 生产技术部， 014010）

摘要：在分析影响综采放顶煤工艺设备配套及选型因素的前提下，对厚煤层采用综采放顶煤技术的主要设备进行选型分析，确定出选型要求和原则，特别总结出了三种不同煤层地质条件（急倾斜特厚煤层、缓倾斜中硬厚煤层、倾斜厚煤层）综放开采液压支架的选型原则；阐述了综放工作面主要设备配套要求，可为厚煤层综放开采设备选型及配套提供参考。

关键词：厚煤层；综放；设备选型；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

在我国现有煤炭储量和产量中，厚煤层(厚度＞3．5m)的产量和储量均占45％左右，而且厚煤层是我国实现高产高效开采的主力煤层，具有资源储量优势，由于其煤层厚度大，对其开采可以有多种方法进行选择^[1]。综放是开采厚煤层、建设高产高效矿井的最有效的技术途径，是近几年来我国煤矿开采技术上的一项重要突破，它具有投入少、产出多、产量大、效率高、成本低、效益好的优点，是当前开采厚煤层最具有活力的开采技术^[2]。对于厚煤层，放顶煤开采实现安全高产高效生产的先决条件是其设备合理选型与综合配套。由于综放开采是用采煤机割煤和利用放顶煤液压支架的一种新的厚煤层采煤方法，有其特有的特点和规律。这些特别的规律导致了这类煤层综放在设备配套技术层面上有很大难度^[3]。因此，特厚煤层采用综采放顶煤在设备配套层面很复杂的，必须进研究探讨得以完善，以达到安全高效生产。

1综放开采设备选型配套影响因素

综放开采设备选型配套受多方面综合因素的影响和制约，主要有下面三个影响因素^[3]：①煤层赋存和开采条件影响因素：地质构造及其成因，煤层厚度、倾角，煤层硬度，煤层的层理、节理发育程度(这些因素反映煤的可放性)，以及煤层顶底板岩性、直接顶厚度及垮落情况，工作面矿压显现规律及煤层中瓦斯含量、自然发火期等；②采煤工艺影响因素：采煤与放煤高度，工作面长度与走向长度，采煤、放煤的方法与步骤，放煤速度及放煤方式等。③综放设备配套还要考虑国家对煤炭资源回收率的要求，并是还要对各种配套设备的主要技术性能、可靠性程度等进行全面综合考虑。

2选型的基本要求及原则

厚煤层综采放顶煤设备选型应保证：在工作面采、运、支和放煤四个主要环节有最佳的匹配，达到协调全面可靠生产，提高生产集中程度，提高技术经济效益。为保证取得最佳综合效果，实现厚煤层高效开采，对其设备配套应满足以下6项基本原则^[3.4]：

① 综采放顶煤工艺选型设备设备配套的第一大原则是年设计能力，它是综放工作面总体规划中的重要参数，并且应协调中长期目标与实际生产的关系；遵守设备投资费用最佳原则，注意不能配套设备价格高而降档次；设备选型配套应与工作面参数相适应，工作面参数是工作面生产能力的综合体现。

②第二大原则是主要总体设备配合要达到最优的技术性能，确保正常合理的生产，

③第三大原则是主要科学合理配置设备的空间位置，确定最优的设备连接尺寸。

④第四大原则是根据煤层赋存及矿井条件因地制宜选型配套，应对配套进行综合适应性评价分析。

⑤第五大原则是优先选择国内类似配套设备，对同类设备的使用情况及技术参数进行考察，综合评价设备的稳定度及适宜性。当国内配套设备不能满足要求时，可考虑引进某些关键设备，以满足整体配套要求。择优选厂订货，不同生产厂家生产出的设备质量有差异，应做好调查择优选厂订货。

⑥第六大原则是配套设备要能实现采放工序平行作业。巷道设备及外运系统能力也应相互匹配，使工作面设备效能得以充分发挥，避免现“瓶式”配置，造成窝工降效。

2.1采煤机选型

2.1．1选型原则

采煤机是机械化采煤工作面的主要机械设备，承担着落煤和装煤的任务，是在放顶煤开采过程中直接截割煤壁的设备。由于放顶煤开采时在开采厚度范围内先采底层煤，然后主要通过顶板对顶煤的压力作用破煤并通过一定的方式放出，因此采煤机采高不必太大，只要保证有足够的作业空间和通风面积以及能够保证高产、高效即可。对采煤机选型的原则是要符合煤层赋存条件，满足生产能力的要求，以及与刮板输送机和液压支架相匹配的要求。选型时应考虑如下几点原则：

⑴机采设计高度和采煤能力要达标，生产能力要大于工作面设计能力。

⑵采煤机功率能满足实际生产要求，要可靠稳定。处理端部底煤，刮板输送机的端部能切割到，能自动便捷开切眼，各工序间的辅助时间要少。要有适宜的牵引速度，与刮板输送机相匹配的牵引机构。截割部应配备强力有效的喷雾灭尘装置。采煤机的挑顶及卧底性能应能达到生产要求。

⑶尽可能双向装煤，装煤效果要好。当煤的块度过大时，应考虑采用破煤装置。要由完善合理的操纵系统，应将随机手动控制、集中控制合理结合以控制采煤机正常生产，要配备先进的保护装置。

⑷总体要有良好的性能，能可靠工作，要由健全的保护功能，便于长期使用和减少维修工作。

2.1．2采煤机参数确定

采煤机的参数主要有7个：采高、截深、牵引速度、牵引力、截割速度、功率和实际生产能力，在选型时必须确定^[5]。采煤机实际生产能力主要取决于牵引速度、采高、截深以及工作时间利用系数。采高由滚筒直径、调高形式和摇臂摆角等决定，采高范围应包含煤层的采高范围也就是采煤机最小采高小于煤层最小采高，采煤机最大采高大于煤层最大采高。采高调节主要靠调节滚筒直径来实现,同一种采煤机有不同种类的滚筒直径,其调节采高要满足最大采高及卧底量要求。确定截深，必须考虑煤质软硬、顶板岩性、移架步距以及煤层厚度等影响因素。由截割部传动比、滚筒转速和滚筒直径确定滚筒截齿在齿尖割煤时圆周切线的速度,进一步确定截割速度。它的合理与否直接影响装煤效果、煤尘大小、煤的块度和采煤机的功率消耗。通过借组对滚筒最大切削厚度和液压支架移架追机速度验算确定的初选牵引速度。牵引力是由外部载荷决定,由于影响因素（煤质、采高、导向机构的结构和摩擦系数、牵引速度、工作面倾角及机身自重等）多，没有精确的计算公式, 通常取采煤机电机功率消耗量的10%~25%,如等,。滚筒采煤机电机功率通常用单齿比能耗法或类比法计算,结合煤层硬度及生产任务等因素确定。

2.2刮板输送机选型

综放工艺的关键性设备是刮板输送机。由于放顶煤开采支架架型不同，以及煤厚、采放比不等，在综放工作面总体配套设计中对刮板输送机的选型应按照以下6个原则^[3.4.5]：

⑴输送能力应该满足综放工作面设计生产能力，且与液压支架放煤能力及采煤机生产能力相匹配，前部输送机能力应与配套的采煤机生产能力匹配，后输送机应与顶煤放煤能力相匹配；还应与采区顺槽、运输大巷等的运输能力相匹配。

⑵为便于双输送机放顶煤工作面过渡支架的配套设计和输送机的维护选用短机头和短机尾输送机，这样便于首尾过度支架的配套规划及输送机的使用。

⑶工作面输送机应能适应工作面倾角、顶底板及煤质要求，倾角大时应配备有防滑装置，应具有限制煤炭向下滑滚的能力。

⑷其结构性能应能确保采煤机总体配套要求，保证采煤机发挥稳定性生产;还应满足转载机配套要求，即对卸载方式的配套要求。

⑸输送机链条数目要根据刮板链的负荷量计算确定，选择链子结构形式时要考虑煤质硬度因素。能适应煤的不同块度要求，能清理机道浮煤，并具有一定的可弯曲性，双边链适合用在煤质较硬、块皮较大的煤层巷道中，煤质较软煤层可选用双中心链，也可选单链。

⑹输送机控制应安全、可靠,能在左、右工作面均能使用。;

2.3液压支架选型

    综放开采设备的核心设备是放顶煤液压支架，它是所有配套设备中有本质特征的特殊设备，明显区别于普通综采设备。不同的煤层地质条件下，顶煤对支架的舍力作用位置不同，由此，针对不同煤层地质条件，支架选型原则不同^[4]。

2.3．1急倾斜特厚煤层放顶煤液压支架的选型

    急倾斜特原煤层综放开采，是指煤层倾角在45°以上、煤层厚度在20m以上的地质条件下，把煤层沿水平分成高6~12m分段，使用以液压支架为主体的综采设备开采的放顶煤采煤法。鉴于该种地质条件下矿压小、工作面短、巷道断面也较小的特点，应选择工作阻力较小、体积小、重量轻、推进较快的架型。

2.3．2缓倾斜中硬厚煤层放顶煤液压支架的选型

    缓倾斜中硬厚煤层综放开采，是指煤层倾角＜15°、煤质较软(硬度系数f＝l~3) 、顶煤中间没有不易冒落的夹石层及煤层，煤层厚度在5~10m的地质条件下进行的放顶煤采煤法。

据统计，缓倾斜条件下采用放顶煤工艺的比例是最大的，而且由于煤层条件差异，所以合理的架型可有多种。选择架型时，一般根据以下要求：

⑴保证放煤效果

能否把煤放下、放好，是缓倾斜中硬厚煤层开采最突出的问题，也是液压支架选型的关键。保证好的放煤效果，应合理选择放煤口的大小和形式。通常优选使顶煤更易松动下放的低位综采放顶煤液压支架。

    ⑵保证放煤的运输空间

    放煤过程中时常出现大块煤或歼石，处理不好，可能堵塞运输通道，损坏设备和管路，这对双输送机放顶煤支架尤为重要。另外，空间太小，也影响设备维修、人员通行和安全。根据生产实践，要求过煤高度(即在放煤状态时，输送机中心位置从底板到支架的空间高度)不小于700mm。

    ⑶确定合理的工作阻力

    目前我国已投入使用的放顶煤液压支架的工作阻力最小为1600kN。矿压观测表明，放顶煤综采支架和普通综采支架相比，在相同的地质条件下，工作阻力相差不大，有的工作阻力还很小，似乎不必强调增大支护强度。但根据老项岩性、来压方式、直接项厚度、垮落特征等因素，以及目前在放顶煤液压支架设计中采用并不成熟的支架受力模型方面看，还应适当加大工作阻力，以避免支架损坏和提高设备的工作可靠性。

    ⑷确定合理的初撑力

    提高初撑力，可减少项板下沉量，有利于端面项煤的维护。但对端面顶煤完好的煤层，支架初撑力不宜过高，以利于顶煤的离层、垮落。

2.3．2倾斜厚煤层放顶煤液压支架选性

适于综放开采的倾斜厚煤层倾角为20°~35°，在煤的硬度相同时，其冒放性比缓倾斜厚煤层更好，且矿压较小，对煤壁和端面顶煤的维护更为有利。但是由于工作面倾角大，液压支架等工作面设备有下滑趋势，给工作面管理带来困难。另外，坡度较大的放顶煤工作面与缓倾斜和近水平煤层工作面不同，其放煤椭球体和放煤漏斗曲线不再是对称垂直于水平面的轴线，而是向倾斜上方偏斜，因而松动的顶煤在放出过程中除了他垂直于层面的运动外，还有一个沿倾斜方向的运动，并将向下的横向力施加在液压支架上，使支架产生倾倒的趋势。因此，倾斜厚煤层综放开采时液压支架的选型原则如下：

⑴抗扭性好和支架稳定性好原则

从国内使用生产经验看，优选用底座与掩护梁相连的四连杆机构的架型，适当加大各主要联结部位的销轴和耳座的强度，减小销轴与孔间的间隙，掩护梁的抗扭强度要高，要能确保在大倾角条件下正常合理工作。

⑵支架防滑、防滑性能要好原则

下端头设置端头支架，定位全工作面的支架，预防支架的下滑下倾。端头支架要有较大的工作阻力和移架力，要有可靠的放煤机构，以保证稳定放煤。实践表明，端头支架的适度放煤，不但提高了煤炭回收率，而是减轻了端头支架的压力，有利于端头移架，减少端头事故。工作面下部排头三架一组支架间设置底座前、后防滑千斤项和项梁防例千斤顶，其余每两架一组底座间设置防滑千斤顶。 前输送机推移千斤顶的推杆设计成宽而长的箱型结构，抗弯刚度好，并增加与输送机

连接强度，以控制前输送机下滑和支架的下滑。

2.4顺槽运输设备选型

 采煤机割下的煤及支架放落的顶煤需要靠顺槽运输设备运出区段，可单独分别运出也可将这些煤炭同时运出。可仲缩带式输送机、破碎机、转载机是顺槽内部的主要承担运输工作的设备。这些设备选型基本原则是保证工作面设计的原煤输出能力。要能实现实现采、放同时作业，达到高产高效生产。无论是单输送机还是双输送机，顺槽运输设备的输送能力都应大于放煤和采煤两套生产工序的生产能力总量。转载机是制约综采放顶煤工作面安全高效生产的主要环节，所以转载机的输送能力一定要足够大，必须大于工作面中最大输送量的输送机。对于双输送机的综放面，转载机的输送转载能力应是工作面最大输送能力输送机能力的1.2倍。

3综放工作面主要设备配套要求

    综放工作面主要设备（采煤机，工作面前、后输送机，放顶煤液压支架，过渡支架及平巷端头支架）相互空间位置关系与联系尺寸之间关系要合理配套，要由协调各设备共同高效生产，要适宜煤层特点与巷道特性，各设备之间的生产能力配套是综放设备配套的重点问题^[4]。

3.1设备生产能力配套

   采煤机生产能力和支架放顶煤能力应能保证完成生产任务。对于高位放顶煤单输送机工作面，其输送机的输送能力一定要大于支架放煤能力与采煤机割煤装煤能力之和；对于中、低位放煤双输送机工作面，其后部输送机输送能力应大于液压支架放顶煤能力；前部输送机输送能力要大于采煤机生产能力；转载机的输送转载能力要大于采煤机生产能力与放煤能力之和，破碎机的破碎能力应满足能破碎生产过程中大块煤、岩^[6]，转载机的输送能力应小于带式输送机的输送能力。

3.2设备总体性能配套

    ⑴采煤机性能与输送机性能要配套：采煤机的结构形式、前部输送机的尺寸、结构形式、附件之间性能应互相配套。

    ⑵采煤机性能与液压支架性能要配套：液压支架最大、最小结构尺寸应与采煤机的采高合理范围想对应；采煤机截深与支架推移步距相协调；采煤机牵引速度、液压支架的放煤速度、移架速度三者要相互协调。

⑶输送机性能与液压支架性能要配套：液压支架前、后推移千斤顶连接装置与前、后输送机的中部槽配套，尤其是连接结构和间距之间要合理匹配；过渡支架、端头支架前、后推移连接装置的间距和连接结构与前、后输送机的机后架、机头架合理匹配。

⑷乳化液泵站与液压支架要配套：乳化液泵站输出的压力及流量应满足液压支架的初撑力要求及动作速度要求，这些都应合理匹配。

    ⑸工作面设备性能与移动变电站供电性能要配套：移动变电站的输出电压及功率满足工作面配套设备正常工作条件下的额定电压和功率。

    ⑹工作面设备性能与工作面通风性能相配套：工作面设备的需风量应与通风断面与通风总流量及分流量相适应。

3.3设备空间位置与几何尺寸配套

    ⑴为了防止采煤机的滚筒切割液压支架的顶梁，对于移架后的梁端距，液压支架前端通常取300mm。

    ⑵液压支架推移千斤顶行程应大采煤机截深100~200mm。

    ⑶为保证煤流能顺利通过采煤机底托架，采煤机过煤高度应大于250 mm。

    ⑷电缆槽与前柱应留150~200mm的间隙，一确保移架后支架的前柱与电缆不相碰，使采煤机司机能安全采煤。

    以上各类设备之间相互位置与配合关系应协调就位，否则将影响整个系统的安装、使用及维护。处于安全及经济考虑，购买配套设备后，应在矿区地面先进行组装并且调试，发现不合理的配套问题及其他综合问题应在地面上及时解决，然后采能用于井下生产。

4 结束语

由于受很多种因素影响和条件约束，对于厚煤层综采放顶煤工艺技术设备的合理选型与综合配套，实际上是运筹学中的求解最佳优化组合问题，也是矿业系统工程中的复杂问题。厚煤层综合机械化放顶煤是一个多工序、多环节的采煤过程，放煤、运煤及支护，构成了综合机械化放顶煤开采的最重要的几个环节。各设备之间的合理选型及配套将使综放面单产和效率显著提高，应根据煤层条件及矿井情况因地制宜选用稳定并且可靠的综放成套设备，以达到良好的使用效果。

参考文献：

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[2] 金智新, 于海湧. 特厚煤层综采放顶煤开采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2006.

[3] 来存良. 厚煤层高产高效开采实用技术[M]. 北京：煤炭工业出版社,2001.

[4] 张进安.王家山矿大倾角特厚煤层长壁综放面“三机”配套研究[D] . 西安：西安科技大学，2006⑹.

[5] 王君烨，孔祥义，纪良.综采工作面“三机”正确选型及合理配套的探讨[J] .煤矿安全，2006⑴.

[6] 吴向前. 深部矿井高效综放开采工作面设备配套技术研究[J] .工矿自动化，2008⑷.

作者简介：纪文佳，（1985-）山西大同县人，2009年获得太原理工大学采矿工程学士学位，现在山西同煤集团生产技术部。

联系电话：15034229410，邮箱：jiajia_nihaoma@126.com地址：山西同煤集团生产技术部计划科2315室邮政编码：037003。