宋銀林，于忠厚，劉新華

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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同煤集團(tuán)千萬噸礦井單面年產(chǎn)15Mt綜放工作面設(shè)備選型

宋銀林1，于忠厚1，劉新華2

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

為進(jìn)一步提高千萬噸礦井綜放工作面單面年產(chǎn)量和頂煤回收率，依托千萬噸礦井已成熟的設(shè)備選型基礎(chǔ)和使用經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化設(shè)備選型和應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，提高工作面推進(jìn)速度和頂煤回收率，實(shí)現(xiàn)千萬噸礦井綜放工作面單面年產(chǎn)量達(dá)到15Mt的目標(biāo)，項(xiàng)目成功實(shí)施后將推廣應(yīng)用到其他千萬噸礦井，為集團(tuán)公司的產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)揮更大作用。

單面年產(chǎn)15Mt；綜放工作面；設(shè)備選型

同煤集團(tuán)作為我國重要煤炭能源生產(chǎn)基地，規(guī)劃建設(shè)11個(gè)千萬噸礦井，經(jīng)過十多年時(shí)間，已建成投產(chǎn)數(shù)個(gè)千萬噸礦井。按照當(dāng)初的礦井設(shè)計(jì)能力，投產(chǎn)的千萬噸礦井單面年產(chǎn)量多為10Mt左右。為進(jìn)一步提高頂煤回收率和單面產(chǎn)量，從而有效降低噸煤成本，集團(tuán)公司計(jì)劃在已成熟的千萬噸綜放工作面設(shè)備選型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)部分設(shè)備優(yōu)化選型設(shè)計(jì)和應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單面年產(chǎn)量達(dá)到15Mt，項(xiàng)目試驗(yàn)成功后將在其他千萬噸礦井推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)工作面概況

二盤區(qū)3-5號(hào)煤層8404工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾層巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖及高嶺質(zhì)泥巖，煤體結(jié)構(gòu)為碎裂煤，煤層總厚15.75～25.07m，平均厚度19.59m。煤層傾角較緩，在1～7°之間，平均傾角4°。 工作面基本頂為粗砂巖、中細(xì)砂巖，厚度5.71～12.54m，平均厚度8.34m，巖性特征為灰白色；直接頂為泥巖、細(xì)砂巖，厚度1.79～6.18m，平均厚度3.81m；偽頂為炭質(zhì)泥巖、泥巖，厚度0～0.43m，平均厚度0.21m；直接底為高嶺質(zhì)泥巖、泥巖，厚度1.15～3.49m，平均厚度2.13m；老底為粉砂巖、細(xì)砂巖，厚度4.05～8.92m，平均厚度5.84m。

試驗(yàn)工作面參數(shù)：傾向長度為220m(實(shí)體煤)，切眼寬度9.2m，高度3.7m；運(yùn)輸巷走向長度4485m，寬度5.4m，高度3.6m；回風(fēng)巷走向長度4351m，寬度5.2m，高度3.7m；采煤機(jī)截深865mm，最大采高4m，平均放煤厚度15.59m，采放平行作業(yè)。

2 工作面生產(chǎn)能力估算

(1)割一刀煤產(chǎn)量

Qg=L·Bg·Hg·γ·Kg

式中，Qg為割一刀煤產(chǎn)量；L為工作面長度；Bg為采煤機(jī)截深；Hg為采煤機(jī)平均割煤高度；γ為煤容重；Kg為采煤機(jī)割煤回收率。

則：Qg=220×0.865×4×1.34×0.95=969(t)

(2)放一次頂煤產(chǎn)量

Qf=L·Bf·Hf·γ·Kf

式中，Qf為放一次頂煤產(chǎn)量；Bf為放煤步距；Hf為平均放煤高度；Kf為平均放煤回收率。則：

Qf=220×0.865×15.59×1.34×0.75=2981(t)

(3)割一刀煤與放一次頂煤總產(chǎn)量

Qx=Qg+Qf=969+2981=3950(t)

(4)采煤機(jī)割一刀煤所需時(shí)間

割煤速度6m/min時(shí)，割一刀煤所需時(shí)間為37min，端頭部輔助時(shí)間為18min，割一刀煤共需時(shí)間為55min，采煤機(jī)開機(jī)率約為80%，采用“三八制”作業(yè)，則每天可割煤14刀。

(5)工作面年產(chǎn)量

年工作時(shí)間276d，采放平行作業(yè)，則年產(chǎn)量為：

Q=14×276×3950=1.526×107(t)。

3 15Mt綜放工作面設(shè)備選型

3.1 前后部運(yùn)輸機(jī)與巷道運(yùn)輸設(shè)備選型

3.1.1 前部運(yùn)輸機(jī)選型

為節(jié)約投資和項(xiàng)目的推廣應(yīng)用，占綜采裝備總投資60%以上的中部液壓支架主要參數(shù)不變，即工作面最大采高4m不變，即前部運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)其功率與能力均可不變。前部運(yùn)輸機(jī)功率2×1050kW，內(nèi)寬1000mm，運(yùn)輸能力2500t/h。

3.1.2 后部運(yùn)輸機(jī)選型

通過對(duì)千萬噸礦井綜放工作面設(shè)備運(yùn)行情況和開采現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析，單面年產(chǎn)由10Mt提高到15Mt，最經(jīng)濟(jì)可行的辦法是進(jìn)一步提高工作面推進(jìn)速度和頂煤回收率，而頂煤放出時(shí)間一直是制約推進(jìn)速度的主要原因，縮短頂煤放出時(shí)間和提高頂煤回收率最有效的辦法是加大后部運(yùn)輸機(jī)寬度和提高后部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力。

3.1.2.1 滿足放煤速度的后部運(yùn)輸機(jī)能力確定

與采煤機(jī)割煤速度相適應(yīng)的平均放煤速度：

式中，Vf為沿工作面平均放煤速度，m/min；Vc為采煤機(jī)平均割煤速度；m為放煤步距與采煤機(jī)截深比；Dd為端頭作業(yè)影響時(shí)間。

Qh=60·m·Bf·Hf·Kf·(1+Ck)·γ·Vf

式中，Qh為工作面平均放煤量；Ck為煤中含矸率。

則Qh=60×1×0.865×15.59×0.75×(1+0.1)×1.34×4.41=3945(t/h)

滿足工作面放煤的后部輸送機(jī)的輸送能力為：

Qy≥Kb·Qh=1.2×3945=4734(t/h)

式中，Kb為放煤量不均衡系數(shù)，取1.2。

綜上，圓整后后部運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸能力不小于5000t/h。

3.1.2.2 后部運(yùn)輸機(jī)裝機(jī)功率的確定

刮板輸送機(jī)電機(jī)功率可按下式確定：

式中，η為傳動(dòng)裝置效率；K為電機(jī)功率備用系數(shù)，一般取1.1～1.3；K1為鏈條繞過鏈輪時(shí)的附加阻力系數(shù)；K2為拉后溜時(shí)中部槽彎曲附加阻力系數(shù)；q0為鏈條每米重量，取177kg/m；f1為鏈條運(yùn)行阻力系數(shù)，一般取0.25～0.35；β為工作面傾角； f2為煤在槽中運(yùn)行阻力系數(shù)，一般取0.6～0.8；q為每米中部槽煤量，q=Qy/(3.6·Vl)，取902kg/m；v1為刮板鏈速,1.54m/s。

將各參數(shù)代入可得：

N={1.2×1.1×1.1×[2×177×0.3×cos4°+902×(0.65×cos4°-sin4°)]×1.54×220}/(102×0.95)=3188(kW)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果同時(shí)考慮工作面不確定因素，確定總功率應(yīng)不小于3200kW。

最終確定后部運(yùn)輸機(jī)能力不小于5000t/h，裝機(jī)功率不小于3200kW，槽寬1400mm。

3.1.3 轉(zhuǎn)載機(jī)選型

轉(zhuǎn)載機(jī)的功能是把前后部運(yùn)輸機(jī)卸載的原煤轉(zhuǎn)運(yùn)到膠帶機(jī)上，為實(shí)現(xiàn)采煤與放煤平行作業(yè)從而提高工作面推進(jìn)速度，綜合考慮巷道寬度、巷道支護(hù)、膠帶機(jī)能力、工作面年產(chǎn)量等最終確定轉(zhuǎn)載機(jī)能力。轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力按下式計(jì)算：

式中，Qz為轉(zhuǎn)載機(jī)能力；Qm為采煤機(jī)平均落煤能力，取正常割煤速度為6.0m/min時(shí)的落煤能力，1057t/h；Kc為采煤機(jī)割煤速度不均勻系數(shù)，1.2。

則

Qz=1057+3945+

計(jì)算確定轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸能力不小于6000t/h，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)載機(jī)裝機(jī)功率800kW，轉(zhuǎn)載機(jī)內(nèi)寬1600mm，鏈速1.97m/s。

3.1.4 破碎機(jī)選型

為不使破碎機(jī)成為運(yùn)煤系統(tǒng)中的瓶頸，破碎機(jī)功率確定為700kW。

3.1.5 自移機(jī)尾與膠帶運(yùn)輸機(jī)選型

與1.6m轉(zhuǎn)載機(jī)和1.6m巷道膠帶機(jī)配套使用，自移機(jī)尾選用型號(hào)為SMB-1600/3500。

巷道膠帶運(yùn)輸機(jī)帶寬確定為1.6m，運(yùn)輸能力5000t/h，帶速4.5m/s,帶強(qiáng)2000N/mm，電壓等級(jí)3300V，裝機(jī)功率4×855kW，電機(jī)選用變頻一體機(jī)，頭部與中部各安裝兩驅(qū)動(dòng)。

3.2 液壓支架選型

3.2.1 中部液壓支架選型

在成套綜采設(shè)備中，液壓支架投資約占總投資的60%以上，而中部支架占成套液壓支架總投資的90%以上，已建成投產(chǎn)的千萬噸礦井，中部支架型號(hào)為ZF15000/27.5/42，該型號(hào)支架在千萬噸礦井成功推廣應(yīng)用多年，為節(jié)約投資和便于項(xiàng)目的推廣應(yīng)用，中部支架僅在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足15Mt項(xiàng)目4485m超長走向工作面的采煤需求，同時(shí)保持與原有設(shè)備的互換性，方便管理和降低設(shè)備的使用成本。中部支架與采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)配套斷面見圖1。

圖1 中部斷面三機(jī)設(shè)備配套

3.2.2 機(jī)頭機(jī)尾過渡支架選型

因配套要求，過渡支架控頂面積增加，為不降低支護(hù)能力，過渡支架工作阻力確定為14000kN。為加大過渡支架尾梁后部的支護(hù)空間以滿足后部運(yùn)輸機(jī)電機(jī)、減速器外形尺寸增加后的支護(hù)需求，過渡支架最小高度確定為2900mm，過渡支架型號(hào)確定為ZFG14000/29/42型正四連桿過渡支架，支護(hù)強(qiáng)度1.16MPa，機(jī)頭、機(jī)尾過渡斷面配套見圖2。

圖2 機(jī)頭機(jī)尾過渡斷面三機(jī)設(shè)備配套

3.2.3 特殊中部支架選型

為減少投資和項(xiàng)目推廣應(yīng)用，中部支架只進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，支架外形尺寸和配套尺寸不變，但后部運(yùn)輸機(jī)減速器與電機(jī)外形尺寸的增加導(dǎo)致機(jī)頭機(jī)尾過渡段前后部運(yùn)輸機(jī)配套中心距7750mm與中部斷面前后部配套中心距6900mm相差太大，導(dǎo)致靠近過渡支架的部分中部架尾梁不能完全掩護(hù)后部運(yùn)輸機(jī)，且后部運(yùn)輸機(jī)彎曲段半徑太小會(huì)導(dǎo)致磨損增加、使用壽命降低。為了解決這個(gè)難題，綜合各種因素，最終確定在機(jī)頭機(jī)尾過渡架與正常中部架之間分別布置6架加長型中部架。加長型中部架型號(hào)為ZF17000/27.5/42，該支架立柱與正常中部架立柱完全相同，其安全閥調(diào)定壓力提高為P=41.78MPa，主要區(qū)別是根據(jù)配套需求加長頂梁與底座長度，其支護(hù)強(qiáng)度與正常中部架相當(dāng)。加長型中部架配套圖中前后部運(yùn)輸機(jī)中心距為7350mm(圖3)，與過渡斷面配套中心距7750mm相差400mm，其值在合理范圍之內(nèi)。

圖3 加長型中部支架三機(jī)設(shè)備配套

3.2.4 端頭支架選型

提高工作面推進(jìn)速度直接導(dǎo)致端頭支護(hù)范圍內(nèi)受采動(dòng)影響更加劇烈；后部運(yùn)輸機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)外形尺寸的增加，導(dǎo)致端頭支架控頂長度和控頂面積增加。同時(shí)綜合原有端頭支架使用經(jīng)驗(yàn)，端頭支架工作阻力確定為26000kN，立柱采用320mm缸徑，推移采用250mm缸徑。端頭支架架型為兩架一組式，轉(zhuǎn)載機(jī)布置在兩架底座中間位置，工作面端頭設(shè)備配套見圖4。

3.3 采煤機(jī)選型

千萬噸礦井綜放工作面使用的采煤機(jī)全部為SL500型采煤機(jī)，其采高范圍為2.5～5.24m，總裝機(jī)功率為1915kW，最大生產(chǎn)能力3200t/h，截割電機(jī)功率2×750kW，牽引電機(jī)功率2×90kW，最大牽引速度可達(dá)30.75m/min，機(jī)面高度約2340mm，滾筒直徑2300mm。因工作面最大采高不變，故采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)均不變。

圖4 機(jī)頭端頭設(shè)備配套

4 新技術(shù)的應(yīng)用

集團(tuán)公司千萬噸礦井綜放工作面前后部運(yùn)輸機(jī)應(yīng)用兩種軟啟動(dòng)技術(shù)，JOY公司制造的刮板運(yùn)輸機(jī)采用德國WOITH公司的閥控充液式液力耦合器(即TTT技術(shù))，卡特彼勒公司制造的刮板運(yùn)輸機(jī)采用CST減速器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。雖然進(jìn)口設(shè)備軟啟動(dòng)技術(shù)提升了設(shè)備可靠性，但存在采購成本高、采購周期長、備件價(jià)格高且供應(yīng)周期長等問題，總之進(jìn)口設(shè)備后期使用和大修費(fèi)用較高，技術(shù)處于壟斷狀態(tài)，給設(shè)備維修保養(yǎng)增加了難度。

為降低噸煤成本提高競(jìng)爭(zhēng)力，集團(tuán)公司計(jì)劃逐漸提高千萬噸礦井綜采設(shè)備國產(chǎn)化水平。且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和煤礦裝備水平的不斷提高，變頻技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，國產(chǎn)變頻設(shè)備完全可以實(shí)現(xiàn)大功率運(yùn)輸機(jī)“軟啟動(dòng)”，國產(chǎn)變頻技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)為：

(1)有效降低無功功耗，節(jié)約能源。

(2)可提高煤礦安全生產(chǎn)系數(shù)。

(3)國產(chǎn)變頻技術(shù)性價(jià)比高。

(4)變頻技術(shù)功能完善，具有完備的保護(hù)功能和故障診斷功能，極大地減少了設(shè)備的故障和維護(hù)量，從而降低運(yùn)營成本。

(5)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車，延長設(shè)備使用壽命，也避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

(6)實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的平滑啟動(dòng)，對(duì)機(jī)械部件沖擊小，降低了設(shè)備故障的發(fā)生。

(7)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)模塊化設(shè)計(jì)，故障恢復(fù)時(shí)間較短，維修簡(jiǎn)便。

通過對(duì)比軟啟動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，15Mt項(xiàng)目后部刮板運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)確定采用減速器+限矩器+電機(jī)方式，控制采用變頻控制。采用變頻控制，驅(qū)動(dòng)單元簡(jiǎn)化、可靠性提高、外形尺寸變??；相比進(jìn)口設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用少，用電量減少，節(jié)約成本；變頻器布置于設(shè)備列車上，變頻器模塊化、插裝式設(shè)計(jì)，維修、維護(hù)方便；變頻技術(shù)在該項(xiàng)目成功應(yīng)用后將在其他千萬噸礦井推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語

同煤集團(tuán)特厚煤層大采高開采技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，必將為企業(yè)安全高效和降本增效做出貢獻(xiàn)，其良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，將會(huì)促進(jìn)同煤集團(tuán)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，也將更好地推進(jìn)中國煤炭工業(yè)安全高效生產(chǎn)。

[1]吳興利，劉大同，張東方.大同綜采40a綜合機(jī)械化裝備的研發(fā)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11)：1893-1897.

[2]張東方，吳興利.塔山礦1500萬t/a礦井設(shè)備選型研究[J].煤礦機(jī)電，2003 (5)：94-95，100.

[3]吳永平.特厚復(fù)雜煤層綜放開采技術(shù)研究[J].煤礦開采，2008，80(1)：18-20，89.

[4]王彪謀，高素英，杜忠孝.四柱放頂煤液壓支架支護(hù)能力技術(shù)研究[J].煤礦開采，2015，20(2)：27-29，55.

[5]石曉軍，田建設(shè)，劉俊峰，等.特厚較軟煤層綜放工作面設(shè)備選型配套及采煤工藝優(yōu)化[J].煤礦開采，2015，20(5)：19-22.

[6]陸文程，趙繼云，張德生，等.大功率刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(10)：68-73.

[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Equipment Selection of Fully Top Coal Caving Single Working Face with Annual Production 15Mt in Ten Million Ton Mine of Tong Coal Corporation

SONG Yin-lin1，YU Zhong-hou1，LIU Xin-hua2

(1.Datong Coal Mine Corporation Co.，Ltd.，Datong 037003，China； 2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to improve single face annual production and top coal recovery of fully top coal caving working face of ten million ton mine，based on matured equipment selection foundation and application experience of ten million ton mine，according optimal equipment selection and applied advanced techniques，then working face mining speed and top coal recovery were improved，then the aim that annual production 15Mt of single working face of fully top coal caving face of ten million ton mine，the experiences would be applied in other similar mine after successful，it would play an important effect for corporation industries upgrade.

annual production 15Mt in one working face；fully top coal caving working face；equipment selection

2016-06-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.012

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014CB046302)

宋銀林(1968-)，男，山西大同人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任同煤集團(tuán)副總工程師，主要從事煤礦機(jī)電管理、研究工作。

宋銀林，于忠厚，劉新華.同煤集團(tuán)千萬噸礦井單面年產(chǎn)15Mt綜放工作面設(shè)備選型[J].煤礦開采，2016，21(6)：42-45.

TD822

A

1006-6225(2016)06-0042-04