鄭傳哲，王　維

(山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)，山東 新泰 271200)

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沙章圖礦井大傾角工作面設(shè)備選型解析

鄭傳哲，王維

(山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)，山東 新泰 271200)

[摘要]介紹沙章圖礦井1905S大傾角大采高煤層條件下工作面綜采設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)的確定，指出大傾角大采高配套問題及配套設(shè)備數(shù)據(jù)的互換性，分析大傾角大采高支架的防滑調(diào)整要求，在大傾角工作面情況下，MG650/1710-WD采煤機(jī)通過加大牽引電機(jī)功率、行走機(jī)構(gòu)齒軌輪節(jié)距、改進(jìn)導(dǎo)向滑靴和齒軌輪來提高行走機(jī)構(gòu)的可靠性。

[關(guān)鍵詞]大傾角；大采高；液壓支架；采煤機(jī)；配套

[引用格式]鄭傳哲，王維.沙章圖礦井大傾角工作面設(shè)備選型解析[J].煤礦開采，2015，20(6)：37-40.

山東能源內(nèi)蒙公司針對(duì)所屬礦井大傾角、大采高等復(fù)雜難采煤層，進(jìn)行了幾個(gè)綜采工作面探索和嘗試，積累了經(jīng)驗(yàn)，效果明顯。

1煤層賦存情況

首采區(qū)1905S運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷等地點(diǎn)揭露9煤，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，9煤采高在4.32～4.8m之間，平均采高4.6m，含夾矸1～2層，其中回風(fēng)巷開門處夾矸2層，夾矸厚度0.09～0.45m，純煤厚4.13～4.51m，平均4.28m。1905S運(yùn)輸巷普遍含0.2～0.5m的泥質(zhì)粉砂巖偽頂，偽頂較破碎，在截割掘進(jìn)迎頭時(shí)一起冒落。根據(jù)相鄰煤礦調(diào)查，南鄰礦井北翼現(xiàn)已連續(xù)開采3個(gè)工作面，揭露9煤為結(jié)構(gòu)復(fù)雜煤層，煤層分為上、下分層，其中分層界限為厚0.05～0.27m的砂巖，為主要標(biāo)志層。上分層平均厚度1.31m，下分層平均厚度3.1m，平均采高4.52m(含夾矸)，夾矸1～5層。

工作面標(biāo)高+666～+550m，地面標(biāo)高+1248m，最大埋深698m，最淺埋深582m。工作面走向長(zhǎng)度2150m；傾斜長(zhǎng)度320m，傾角44°，工作面地質(zhì)儲(chǔ)量4.061Mt。首采區(qū)共計(jì)18個(gè)見煤鉆孔，9煤頂板為石灰?guī)r(四灰)，厚度 1.5～3.81m，平均3.0m，局部含厚0.1～0.5m的泥巖偽頂；底板以泥質(zhì)粉砂巖為主，厚1.95～4.65m，局部為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。結(jié)合1905S工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷揭露9煤煤厚，首采區(qū)采高4.15～5.21m，平均采高4.6m，含夾矸1～5層，厚0.16～1.15m；純煤厚3.5～4.8m，平均3.99m。

首采區(qū)南翼有9個(gè)見煤鉆孔，結(jié)合3個(gè)井檢孔和1905S工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷揭露9煤煤厚，采高4.15～5.15m，平均采高4.59m，含夾矸1～4層，厚0.16～1.15m；純煤厚3.5～4.56m，平均3.98m。

2液壓支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算及工作阻力確定

2.1經(jīng)驗(yàn)估算法

支架與圍巖之間是相互作用力學(xué)體系。支架受圍巖作用力分為兩部分：首先是基本頂作用于支架的載荷Q2(通過直接頂施加)，還有直接頂?shù)妮d荷Q1，其受力狀況可簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1　回采工作面的頂板壓力

(1)直接頂載荷Q1

Q1=Σh·L1·γ

式中，L1為懸頂距；Σh為直接頂厚度；γ為體積力。

整個(gè)懸頂距L1作用于支架頂梁上，由頂梁分擔(dān)，視為支架控頂距L，則Q1=Σh·L·γ

其載荷為：q1=Σh·γ

(2)基本頂載荷Q2

實(shí)踐中常常依據(jù)直接頂載荷倍數(shù)關(guān)系推算基本頂載荷大小，這種方法在粗算確定支護(hù)強(qiáng)度時(shí)經(jīng)常用到。根據(jù)礦井綜采一般工作面礦壓測(cè)定可得，周期來壓時(shí)的載荷不超過平時(shí)載荷的2倍。因此可以得出下式關(guān)系：

p=q1+q2=n·Σh·γ

式中，p為考慮直接頂及基本頂來壓時(shí)的支護(hù)強(qiáng)度；n為基本頂來壓與平時(shí)壓力強(qiáng)度的比值，稱為增載系數(shù)，取2。

K值一般取頂板破碎時(shí)碎脹系數(shù)1.25～1.5，可得：

p=2×(2~4)M·γ=(4~8)M·γ

根據(jù)礦井煤層賦存條件，綜采面最大采高M(jìn)為5.2m；頂板巖層平均密度取2600kg/m3，γ=ρg=26000kg/(s·m)2；由于頂板巖層為灰?guī)r，堅(jiān)硬，來壓強(qiáng)度較大，其附加系數(shù)取8，支架的合理支護(hù)強(qiáng)度為：

p=8×4.8×26000=0.998(MPa)

此方法確定的支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于0.998MPa。

2.2基于頂板分類的支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)家煤炭行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT554-1996)附錄D《頂板分類對(duì)液壓支架額定支護(hù)強(qiáng)度的要求》來確定支架所需支護(hù)強(qiáng)度下極限值。

基本頂?shù)姆旨?jí)指標(biāo)是基本頂初次來壓當(dāng)量Pe，其值由基本頂初次來壓步距Lf，直接頂充填系數(shù)N和煤層采高h(yuǎn)m按下式關(guān)系確定：

Pe=241.3lnLf-15.5N+52.6hm

直接頂充填系數(shù)N為：N=h/hm

式中，h為直接頂厚度。

礦井綜采面采高為5.2m，根據(jù)CS4號(hào)鉆孔，直接頂為2.66m的灰?guī)r，基本頂初次來壓步距約為45m，根據(jù)2005年西安理工大學(xué)進(jìn)行的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，基本頂為粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為32.54～70.95MPa，巖石強(qiáng)度較大，得出基本頂?shù)某醮蝸韷寒?dāng)量：

Pe=241.3×ln45-15.5×2.66/4.8+52.6×4.8=1162.44(kN/m2)

根據(jù)表1的基本頂分級(jí)指標(biāo)可對(duì)基本頂進(jìn)行分級(jí)，得出該煤層基本頂為Ⅳb級(jí)頂板，基本頂來壓應(yīng)屬于非常強(qiáng)烈。

表1　基本頂分級(jí)指標(biāo)

根據(jù)各級(jí)基本頂?shù)念~定支護(hù)強(qiáng)度下限公式，計(jì)算綜采液壓支架支護(hù)強(qiáng)度下限為：

Ps=(241.31×lnLf+52.6×hm-15.5×N-455)·Ck

式中，hm為采高，取5.2m；Lf為基本頂初次來壓步距，取45m；N為充填系數(shù)，N=2.66/4.8=0.554；Ck為備用系數(shù)，Ⅳb級(jí)基本頂取1.4～1.6。則

Ps=(241.31×ln45+52.6×4.8-15.5×0.554-455)×1.6=1.16(MPa)

綜上所述，基于頂板分類法確定的支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于1.16MPa。

2.3數(shù)值模擬計(jì)算方法

支架與圍巖的關(guān)系,一方面表現(xiàn)在圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定著支架載荷的變化規(guī)律,另一方面表現(xiàn)在支架性能與結(jié)構(gòu)影響著圍巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

根據(jù)這個(gè)理論，依據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)條件，采用3DEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行工作面開挖模擬，建立了數(shù)值計(jì)算模型，確定支護(hù)強(qiáng)度臨界點(diǎn)。分別進(jìn)行了支護(hù)強(qiáng)度為0.5MPa，0.7MPa，0.9MPa，1.0MPa，1.1MPa，1.2MPa，1.3MPa，1.4MPa等數(shù)值模擬計(jì)算，得出支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量曲線，如圖2所示。

圖2　支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量關(guān)系曲線

由圖2可以看出，支護(hù)強(qiáng)度大于1.2MPa時(shí)，頂板下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度增加沒有明顯減小，因此確定支架的合理支護(hù)強(qiáng)度為1.2MPa左右較為合適。

2.4經(jīng)驗(yàn)類比法

福城煤礦與沙章圖礦井相鄰，同樣開采9號(hào)煤層，煤層厚度及賦存條件與1905S工作面相似，該礦井采用ZQY9000/24/50型大采高支架，曾發(fā)生過支架壓死情況，且福成煤礦1901S工作面最大長(zhǎng)度為240m，平均埋深僅為280m，遠(yuǎn)小于沙章圖礦井工作面長(zhǎng)度320m及礦井埋深582～698m，因此，通過經(jīng)驗(yàn)類比分析，認(rèn)為支架工作阻力9000kN偏小，考慮類似條件工作面礦壓顯現(xiàn)狀況，建議支架工作阻力增大至11000kN以上較合適。

3采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的校核

MG650/1710-WD采煤機(jī)，原配套牽引功率為2×110kW，行走機(jī)構(gòu)齒軌節(jié)距147mm，適應(yīng)開采煤層傾角≤35°及工作面走向≤10°的工作面。在煤層傾角為35～40°，局部45°，工作面走向8～10°開采過程中，行走機(jī)構(gòu)銷軌輪頻繁損壞,造成制動(dòng)下滑，采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性無法實(shí)現(xiàn)，需要解決采煤機(jī)的防滑、防倒、采煤機(jī)與輸送機(jī)相互配合的行走機(jī)構(gòu)部分以及殼體的耐磨程度的提高。

3.1采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)采煤機(jī)下滑，將牽引電機(jī)由原來的110kW增大到150kW,采煤機(jī)上行受力如圖3所示。

圖3　采煤機(jī)上行受力

采煤機(jī)設(shè)計(jì)最大牽引力F牽=1318kN(牽引電機(jī)150kW,牽引速度0～11.6～ 23.2m/min)。

采煤機(jī)上行開采時(shí)，需要克服的上行阻力F下滑力，F(xiàn)正摩擦力，F(xiàn)側(cè)摩擦力和滾筒割煤阻力Fz分別計(jì)算如下。

(1)煤層傾角40°時(shí)引起的下滑力

F下滑力=G·sin40°=120×0.64×9.8=752.64(kN)

式中，G為采煤機(jī)重量，120t。

(2)采煤機(jī)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的正摩擦力

F正壓力=G·cos40°·cos8°=95(t)

F正摩擦力=n·F正壓力×9.8=139.65(kN)

式中，n為摩擦系數(shù)，取0.15；煤層走向傾角±8°。

(3)采煤機(jī)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向摩擦力

F側(cè)壓力=G× cos40 °×sin8°=12.8(t)

F側(cè)摩擦力=F側(cè)壓力×0.15×9.8=18.82(kN)

(4)滾筒割煤阻力Fz(包括裝煤阻力)

實(shí)際截割功率按滿負(fù)荷的80%計(jì)算，截割電機(jī)功率P=650kW；滾筒轉(zhuǎn)速n=29.76r/min；滾筒半徑R=2700/2=1350mm；滾筒扭矩T=9549×P×0.8/n=166850(N·m)；滾筒切割力F=T×1000/R=124kN。

主滾筒割煤時(shí)與煤體接觸包角取180°，則工作截齒系數(shù)取1，故主滾筒產(chǎn)生的割煤前進(jìn)阻力F主阻為：

F主阻=F×1=124(kN)

副滾筒割煤時(shí)與煤體接觸包角取180°，則工作截齒系數(shù)取1，故副滾筒產(chǎn)生的割煤前進(jìn)阻力F副阻為：

F副阻=F×1=124(kN)

Fz=F主阻+F副阻=124+124=248(kN)

其他阻力忽略不計(jì)，采煤機(jī)在傾角為40°工作面上行割煤時(shí)所需最小牽引力為：Fmin=F下滑力+F正摩擦力+F側(cè)摩擦力+Fz=1159.11kN，牽引力理論能滿足。采煤機(jī)在傾角為40°工作面上行空載時(shí)所需最小牽引力為：Fmin=F下滑力+F正摩擦力+F側(cè)摩擦力=911.11kN， 牽引力富裕。

3.2行走箱齒軌輪節(jié)距的選擇

采煤機(jī)原采用147mm節(jié)距的無鏈牽引系統(tǒng)，行走輪模數(shù)46.76mm，齒軌輪寬度75mm。齒形采用標(biāo)準(zhǔn)漸開線，齒形比較短而胖，齒根強(qiáng)度較大，對(duì)嚙合中心距的變化適應(yīng)性較差。176mm節(jié)距無鏈牽引系統(tǒng)使用漸開線復(fù)合齒形，模數(shù)56mm，齒寬90mm，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件適用性好。

3.3導(dǎo)向滑靴和齒軌輪的改進(jìn)

導(dǎo)向滑靴采用楔形結(jié)構(gòu)，橢圓安裝孔，可以適應(yīng)工作面水平彎曲±2°，垂直彎曲±10°的地質(zhì)條件，同時(shí)加長(zhǎng)導(dǎo)向滑靴導(dǎo)向面，使導(dǎo)向滑靴與輸送機(jī)銷排具有良好的適應(yīng)性。

齒軌輪組采用分體結(jié)構(gòu)形式，分別進(jìn)行熱處理，提高齒面硬度及韌性，以適應(yīng)不同嚙合情況，并解決齒形與磨齒工藝沖突，提高表面光潔度，加強(qiáng)耐磨性能，僅需更換易磨損的齒軌嚙合部分。齒軌輪組處調(diào)心滾子軸承改進(jìn)為免維護(hù)調(diào)心滾子軸承，內(nèi)置油脂潤(rùn)滑腔，改進(jìn)齒軌輪組重載軸承情況，提高了齒軌輪組的使用壽命。

3.4使用新材料，增強(qiáng)行走機(jī)構(gòu)使用壽命

殼體材料采用合金鑄鋼材料，通過優(yōu)化熱處理工藝，使殼體硬度達(dá)到HB>180，大幅延長(zhǎng)部件的使用壽命。采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)齒軌輪材料選用電渣重熔鋼材質(zhì)，極大提高了齒軌輪的耐磨性能。

4綜采支架液壓系統(tǒng)的改進(jìn)

1905S綜采面配套以KSW-1500EU1型采煤機(jī)為準(zhǔn)，其滾筒寬度為850mm，而國(guó)內(nèi)采煤機(jī)截深為865mm，為便于進(jìn)口采煤機(jī)與國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)互換配套，采用截深865mm的滾筒時(shí)，液壓支架只需調(diào)整不同的梁端距，即能保證配套設(shè)備不做改動(dòng)，就能滿足兩種采煤機(jī)互換要求。

ZQY12500/25.5/55液壓支架中心距1750mm，調(diào)架間隙160mm,為了保證調(diào)架后支架之間有足夠間隙，以免影響下面后續(xù)調(diào)整，頂梁設(shè)置了前后2個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)油缸，前獨(dú)立調(diào)節(jié)油缸(缸徑100mm)采用雙液控雙向鎖安全閥控制，要求頂梁側(cè)推油缸伸出時(shí)通過雙液控雙向鎖液控口能夠?qū)?個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)油缸解鎖，調(diào)節(jié)油缸被動(dòng)伸出。頂梁1片閥實(shí)現(xiàn)2個(gè)獨(dú)立調(diào)架油缸分開收回控制，防止誤操作引起相鄰架側(cè)護(hù)板之間發(fā)生憋卡，不能主動(dòng)供液。

在頂梁側(cè)護(hù)板伸出時(shí)，實(shí)現(xiàn)移架調(diào)架，這時(shí)頂梁上的穿越千斤頂被動(dòng)伸出，不發(fā)揮作用。在移架到位后頂梁升起，完全接頂密實(shí)之前，將頂梁側(cè)護(hù)板收回來，這時(shí)穿越千斤頂仍然保持和側(cè)護(hù)板伸出去一樣的狀態(tài)，和鄰架接觸，保證支架不下滑，待支架完全接頂后，分別收回前后穿越千斤頂，這樣為下部鄰架提供了調(diào)整空間和距離。

4結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)蒙能源公司在總結(jié)長(zhǎng)城一礦、二礦在三、九兩個(gè)煤層共采設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對(duì)液壓支架和采煤機(jī)使用中遇到的問題進(jìn)行改進(jìn)提高，開采煤層傾角在35～40°之間，局部45°，工作面走向8～10°，MG650/1710-WD采煤機(jī)改進(jìn)前牽引功率過小，開采使用過程中行走機(jī)構(gòu)銷軌輪頻繁損壞,出現(xiàn)制動(dòng)下滑事故，可靠性和穩(wěn)定性無法實(shí)現(xiàn)。采煤機(jī)通過加大牽引電機(jī)功率、改變節(jié)距、增大模數(shù)，以及齒軌輪和導(dǎo)向滑靴改進(jìn)，提高性能和使用壽命，解決了銷軌輪斷裂損壞和制動(dòng)下滑的問題，適用于大傾角煤層開采，解決了采煤機(jī)牽引、制動(dòng)困難和可靠性差的技術(shù)難題，避免了機(jī)組下滑所導(dǎo)致的安全問題。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

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Analysis on the Selection of Equipment for the Large Indined Coal-seam in Shazhangtu Mine

ZHENG Chuan-zhe，WANG Wei

(Shandong Energy Xinwen Mining Group Co.Ltd.,Xintai 271200，China)

Abstract：This paper concentrates mostly on the typical full mechanized coal mining equipments in large inclined and large mining height coal seam of the 1905S in Shazhangtu mine and introduces the characteristics of full mechanized mining equipments of similar coal seam，especially the the technical requirements on hydraulic powered support and coal shearer design is stated in this paper as well.In the case of large dip angle，for MG650/1710-WD coal shearer，the reliability of the walking mechanism is improved by increasing the traction motor power，the pitch of the traveling mechanism，the improvement of the guide roller and the gear wheel.

Key words：large inclination；large mining height；hydraulic powered support；coal shearer；full mechanized coal mining equipments

[作者簡(jiǎn)介]鄭傳哲(1964-)，男，山東新泰人，工程師，主要從事綜采、綜掘機(jī)電設(shè)備的開發(fā)、引進(jìn)，舊設(shè)備的改造升級(jí)工作。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家科技部資源技術(shù)領(lǐng)域重大項(xiàng)目(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA06A407)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.010

[收稿日期]2015-05-13

[中圖分類號(hào)]TD355.41

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0037-04