王海栋

（西山煤电集团官地煤矿， 山西 太原 030023）

引言

目前煤炭资源虽然在我国能源消费比例略有下降，但在未来的很长一段时间内，仍占据着举足轻重的地位。随着科学技术的不断发展，煤矿工作面也朝着机械自动化、大型化的方向发展。为保证矿井工作面的安全高效开采，必须保证工作面机械设备的协调性和合理性[1-2]。因此，工作面开采的首要条件就是选取合适的工作面机械设备。

许多研究学者针对各种不同地质环境下的工作面设备选型进行了研究。唐永志[3]采用数值模拟和力学分析的手段确定了工作面的液压支架型号；白燕青[4]采用理论计算确定了工作面“三机一支”的具体型号；李超[5]针对寺河矿的大采高工作面进行设备选型。本文针对官地矿13601工作面具体地质条件进行设备选型研究。

1 工程概况

官地煤矿1960年正式建矿，是经过多次扩建而成的大型国有矿井，核定生产能力为500万t/a。13601工作面所采煤层为3号煤层，位于南六采区南翼，东北侧为13513工作面采空区，与本工作面最近距离为182 m，西南侧为未采区。工作面上部为12601、12603工作面采空区。2号、3号煤层间距约12 m。地面位于要子庄东侧山梁，其地表以要子庄村耕地为主，黄冶河从该工作面北侧外穿过。盖山厚度244～262 m，平均厚度 257 m。

13601工作面正巷设计长度为510 m，副巷设计长度为670 m，切眼设计长度为210 m，3号煤层厚度2.97～3.38 m，平均厚度为3.2 m，煤层倾角4°～12°。13601工作面正、副巷采用矩形断面净宽4.2m、净高3 m；切眼采用矩形断面净宽6.5 m、净高3 m。工作面顶底板岩层如表1所示。

表1 工作面技术参数

根据官地矿13601工作面煤层厚度及顶底板岩性条件，选用走向长壁后退式综采方法，全部垮落管理顶板。

2 工作面设备的选型

2.1 支架的选型

根据官地煤矿13601工作面具体地质条件，选择ZY8000/25/50掩护式液压架来进行验算。

2.1.1 支架支护强度的计算

支架支护面积S=4.2×1.75=7.35 m2，其中4.52 m为支架顶梁接触面长度；

额定工作阻力Q支=8 000 kN；

支架的支护强度P=8 000÷7.35=1 088 kPa≈1.09 MPa。

2.1.2 工作面支护的设计计算

式中：R为顶板岩层的岩石容重，取2 600 kg/m3；H为最大采高，取3.38 m；g为重力常数为9.8 N/kg；P1为8倍最大采高计算得到的上覆岩层所需要的支护强度，MPa。代入数据计算得P1=689×103Pa≈0.69 MPa。

ZY8000/25/50型支架的支护强度P=1.09 MPa，大于P1=0.69 MPa，因此可以满足支护强度的要求。

2.1.3 工作面液压支架所需要的工作阻力的计算式中：F为支架所需要的工作阻力，N。代入数据计算得F=521 591 N，所选ZY8000/25/50支架的额定工作阻力为8 000 000 N，大于F，因此ZY8000/25/50型支架能满足工作面要求。

2.1.4 液压支架初撑力的计算

由于15311工作面顶板岩层属于中等稳定岩层，因此支架初撑力F'取液压支架工作面阻力的80%进行计算，即F'＝80%F=521 591×80%=417 273 N。

所选支架的额定初撑力为639 kN，大于F'，可见支架初撑力能满足要求。

2.1.5 支架高度的计算

式中：Mmax、Mmin分别为采煤工作面的最大采高、最小采高；Hmax、Hmin分别为液压支架的最大、最小结构高度。

根据ZY-9600/25.5/55型掩护式支架型号得知，该支架最大高度为5.0 m，最小高度为2.5 m，由以上公式计得可知，该支架满足采高要求。

2.1.6 支架综合技术特征

本文所选ZY8000/25/50型掩护式支架完全可以符合13601工作面要求，如表2所示。

表2 ZY8000/25/50型掩护式液压支架的技术特征表

2.2 采煤机的选型

采煤机是工作面开采的主要机械设备，采煤机的选取主要由采高、截深、功率、牵引方式等主要参数来进行选取，根据官地矿13601工作面的具体参数计算如下。

2.2.1 滚筒直径的选择

根据现有工作面经验，选取双滚筒采煤机。根据工程经验，可以得到采煤机采高与煤层厚度之间的关系。

式中：H'min、H'max分别为采煤机最小、最大采高，m。

2.2.2 截深的选择

根据工作面煤层具体参数及液压支架的具体参数，选取采煤机截深为800 mm。

2.2.3 牵引速度的计算

式中：QH为工作面小时产量，工作面日产量取5 000 t，QH＝5 000/18=277.8 t/h；K为工作利用时间系数取0.3；γ为煤容重，1.42 t/m3；H为采高，取工作面平均采高3.26 m；B为截深，0.8 m，Vg为采煤机所需牵引速度，m/min。

将以上数据代入公式计算得Vg=4.24 m/min。

2.2.4 装机容量的计算

式中：Kb为备用系数，取1.5；B为采煤机截深，0.8 m；H为工作面平均采高，3.2 m；Hw为采煤机单位能耗，0.65～0.85 kWh/m3，结合本矿煤层的具体情况，考虑取Hw=0.85 kWh/m3；Vave为采煤机平均割煤速度，取4.24 m/min；N为采煤机装机功率，kW。

代入数据计算得N=830 kW。

2.2.5 采煤机综合技术特征

根据上述计算，按照采煤机总装机功率大于830 kW的原则、截深需0.8 m和滚牵引速度为4.24 m/min的参数要求，结合地质条件和设备配套情况及矿井现有设备综合考虑，确定选用煤机型号为MG500/1140-GWD型采煤机，具体各项参数见表3。

表3 MG500/1140-GWD型采煤机主要技术特征

2.3 刮板输送机的选型

输送机运输能力的确定

式中：Ks为运输方向与煤层倾角之间不均匀系数，取0.9；Ky为输送机装货的不均匀系数，取1.5；Kc为采煤机与输送机的相对修正系数，Kc＝Vn/（Vn±V'g）＝1.13×60/（1.13×60±4.24）＝0.94～1.07；Vn、V'g为输送机链速（1.13 m/s）和割煤速度（4.24 m/min），它们方向相同时取“-”，相反取“+”。

代入可得Qb＝（0.94～1.07）×1.5×0.9×277.8＝353～402 t/h，因此，所选刮板输送机型号输送能力需要大于402 t/h，才能满足生产的要求。

设计工作面长度为210 m，因此所选刮板输送机型号长度应≥210 m，保证满足工作面的正常回采需求。

根据以上两个控制指标进行选取，可以得到SGZ-764/630型双链刮板输送机可以满足工作面需求，具体参数见下页表4。

表4 SGZ-764/630型刮板输送机技术特征表

3 结语

针对官地矿13601工作面设备选型问题，通过理论计算和工程经验、三机配套原则，确定了工作面设备的各项控制参数，最终确定了液压支架型号为ZY8000/25/50型掩护式液压支架，采煤机型号为MG500/1140-GWD型采煤机，工作面刮板输送机型号为SGZ-764/630型刮板输送机。