华苑煤业薄煤层开采设备选型研究

张望元

（太原煤气化山西灵石华苑煤业有限公司，山西 灵石 031300）

薄煤层一般是指厚度在1.3m以下的煤层。薄煤层开采过程中，采高较低，作业空间较小，给生产带来了一定的困难，为保障工作面安全高效生产，选择合理的开采设备十分重要[1-2]。华苑煤业位于山西省灵石县附近，2001年投产，生产能力为0.9Mt/a，现主要开采7、9、10号煤层，其中，9号煤层属于薄煤层开采，如何实现薄煤层的合理高效生产是目前丞待解决的问题。本文以该矿实际地质条件为工程背景，通过理论分析，选择合理的开采设备，为矿井正常生产奠定基础。

1 地质概况

华苑煤业9号煤层位于太原组下部，煤层厚度为0.92～1.40m，平均1.12m，煤层倾角为5°左右，煤层厚度变化不大，不含夹矸，为结构简单的全区可采煤层。9号煤层上距7号煤层24.80m左右，直接顶为6.8m厚的石灰岩，下距10号煤层4.35～6.21m，平均5.3m，底板岩性以泥岩和砂质泥岩为主。针对薄煤层的开采，作业空间较小，机械设备维修困难，下面针对华苑煤业9号煤层实际情况，根据矿井地质条件和产量需求，结合三机配套原则，对工作面液压支架、采煤机和刮板运输机进行选型研究。

2 液压支架选型

液压支架的合理选择对工作面生产有着十分重要的影响，支架的选择必须保证支护强度、高度与采面相适应，同时也要与采煤机、输送机等设备相匹配，是开采设备选型的关键一环[3]。

2.1 支架高度的确定

考虑矿井实际条件，采用二柱掩护式支架，该支架对围岩适应性更强，伸缩比大，可靠性高，适合本矿的实际应用。

支架高度与煤层采高有着直接关系，根据本矿实际情况，考虑局部有伪顶存在冒落的危险，支架最大高度应为：

式中：

Hmax-支架最大高度，mm；

Mmax-煤层采高，取1400mm。

支架最小高度应为煤层最小采高减去一定的富余量，再考虑工作面部分区段有泥岩伪顶，支架最小高度为：

式中：

Hmin-支架最小高度，mm；

Mmin-煤层最小采高，取920mm；

d-伪顶厚度，取200mm。

将数据代入式（1）、（2），可得支架高度为：

由此可知，支架高度应在1020～1600mm范围内。

2.2 支架强度的确定

（1）载荷估算法

根据载荷估算法，支架的支护强度约为8倍最大采高的覆岩重量，即：

式中：

P-支架支护强度，MPa；

γ-顶板平均密度，取2500kg/m3；

g-重力系数，取9.8N/kg。

将数据代入式（3），可得支架支护强度P=274.4kPa。

（2）根据顶板分类

液压支架强度与煤层顶板分类有着直接关系，根据我国MT554-1996 《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》标准，华苑煤业9号煤层顶板为Ⅰ级顶板，平均采高为1.12m，则支架的支护强度应为395kPa。

综合两种方法计算结果，认为9号煤层支架支护强度应为334.7kPa。

2.3 支架工作阻力的确定

确定支架支护强度后，可根据式（4）求出支架的额定工作阻力：

式中：

F-支架工作阻力，kN；

Lk-支架最大控顶距，取4.7m；

B-支架宽度，取1.5m；

η-支架支护效率，取0.95。

将数据代入式（4），可得支架的工作阻力为2483.83kN。

2.4 确定支架供液压力

支架供液压力与初撑力有一定关系，支架初撑力可根据工作阻力进行估算，约为支架工作阻力的80%，有[4]：

支架供液压力可表示为：

式中：

P'-支架所需泵站供液压力，MPa；

S'-支架立柱活塞断面积，取0.066m2；

K-泵站供液效率，取80%。

将数据代入式（5），可得支架所需泵站供液压力为18.82MPa。

2.5 确定支架型号

根据前面的计算分析结果，为9号煤层选择ZY3400/10/24型两柱掩护式支架，其基本参数如表1所示。

表1 支架基本参数

由表1所示参数可以看出，该型液压支架完全满足实际生产的需求。

3 采煤机选型

3.1 确定机面高度

采煤机机面高度应与支架高度相适应，一般来讲，机面高度应为支架最小高度减去一定的余量，以避免煤层起伏变化。

式中：

hc-采煤机机面高度，mm；

ξ-采煤机与支架之间的余量，取150mm；

ld-支架顶梁厚度，取200mm。

将数据代入式（6），得采煤机的机面高度为650mm。

3.2 确定采煤机功率

按照实际生产需求，9号煤层产量应保证在0.25Mt/a，则采煤机每日需推进的距离如下式所示[5]：

式中：

lr-每日推进距离，m；

Q-月产量，取2.08万t；

M-9号煤层平均采高，取1.12m；

D-月生产天数，取25d；

L-工作面长度，取180m；

C-回采率，取0.95；

ρ-煤层密度，取1.4t/m3。

代入数据可得，采煤机每日需推进3.10m。采煤机截深d取0.6m，则每日需完成n=5.2个循环，每个循环所需时间为：

式中：

t-每个循环所需时间，min；

T-每班工作时间，取6h。

则，每个循环的时间为207.69min。

由此可以计算出采煤机的牵引速度为：

式中：

V-牵引速度，m/min；

t1-辅助工作时间，取5min。

计算得到采煤机牵引速度V=0.89m/min。

则采煤机的采煤能力为：

式中，各符号含义与前面相同。代入数据，得采煤机生产能力为Q=47.73t/h。

因此，采煤机的功率可表示为：

式中：

P-装机功率，kW；

Hw-单位能耗，一般可取0.8kW•h/t。

则可计算出采煤机的功率应为P=38.18kW。

3.3 确定采煤机型号

根据前面的计算分析结果，为9号煤层选择MG100/238-BWD型采煤机，其基本参数如表2所示。

表2 采煤机基本参数

由表2可以看出，该型采煤机完全满足实际生产的需求。

4 刮板运输机选型

4.1 确定刮板运输机的运煤能力

运输机选型要考虑与采煤机和液压支架相匹配，运输机的运输能力与采煤机采煤能力有关，表达式为：

式中：

Qy-刮板运输机的运煤能力，t/h。

计算得到Qy≥52.48t/h。

4.2 确定刮板运输机型号

考虑运输机的运煤能力，结合三机配套原则，推荐使用SGZ-630/150型双中心链可弯曲刮板输送机，其主要参数如表3所示。

表3 刮板运输机主要参数

由表3可以看出，该型刮板运输机完全满足实际生产的需求。

5 结论

根据华苑煤业9号薄煤层实际地质条件，对工作面开采设备进行合理选型，选择ZY3400/10/24型液压支架、MG100/238-BWD型采煤机和SGZ-630/150型刮板输送机，在实际生产中，满足了矿井生产需求，为工作面的安全高效生产奠定了基础。