官地矿充填协同开采工作面关键设备选型研究

2020-12-28毕俊刚

机械工程与自动化 2020年6期

毕俊刚

(西山煤电集团设计院(有限公司)，山西太原 030052)

0 引言

传统的垮落法开采煤炭虽然可以短时间内增加企业的经济效益，但不利于矿井长期稳定发展，会导致地表沉降，进而影响建筑物安全[1]。因此，提出了充填采煤法，将煤矸石和膏体等充填入采空区，不但解决了煤矸石堆放问题，又保证了井下不发生大面积垮塌[2-3]。官地矿位于自然环境保护区内，为了保护地表不受下部煤层开采影响，且能达到处理矸石堆放问题。目前官地矿采用充填垮落协同开采方法，为保证充填垮落协同工作面的正常开采，现针对其进行关键设备选型研究。

1 工程概况

官地矿位于山西省太原市，36408工作面目前开采6#煤层，平均煤厚约2.8 m，平均倾角约6°。36408工作面井下位于北四新区北翼，紧邻36406首采面。官地矿矸石产量较大，据统计2014年～2019年，6年时间里累计产出矸石720万吨，年平均治理矸石费用达到3 038.74万元。为了处理矸石，且达到治理环境的目的，现针对36408工作面充填垮落协同开采关键设备进行选型研究。

2 充填垮落协同开采方案

官地矿井下矸石智能干选系统的处理能力为50万吨/年～60万吨/年，需要将此部分矸石全部进行井下充填。根据官地矿工作面具体条件及理论分析，确定了采用充填垮落协同开采(不夯实)技术方案，36408工作面采高设置为2.8 m。设计36408工作面充填段长度为120 m，设计过渡段长度为6 m，垮落段长度为74 m，工作面总长度为200 m。为了保证在充填条件较差时工作面的矸石处理能力满足要求，应选择带有夯实机构的充填液压支架；同时为了提高工作面的推进速度，提高采煤效率，应该不进行夯实作业。

3 充填采煤工作面关键设备选型研究

3.1 液压支架选型

3.1.1 充填液压支架工作阻力计算

工作面支架选型时，支架的支护强度要大于工作面所需的最大支护强度，因此对工作面支护强度进行计算。

(1)根据垮落带岩重计算支架支护强度：目前工作面采高是影响岩层移动和地表沉陷的重要因素之一，而采用煤矸石固体充填入采空区，充填体占据了采空区空间，相当于降低了垮落空间。但固体充填物无法满足等体积置换煤炭，无法完全充填满整个采空区高度，因此，为了分析工作面采高与岩层移动的关系，引进了等价采高的概念，建立模型如图1所示。

图1 等价采高模型

由图1可知，工作面采高为H，由于充填体不能完全充满整个采空区，因此采空区顶板会存在一定的下沉量Hz(包括未充填高度和充填体压实后减小的高度)，因此等价采高等于工作面实际采高减去固体充填物压实后的高度，因此等价采高为Hz，计算公式如下[2]：

Hz=H(1-η).

(1)

其中：η为充实率，取0.8；H为工作面采高，2.8 m。

计算得到等价采高为0.56 m。则垮落带高度计算由下式得到：

Hk=Hz/(k—1).

(2)

其中：k为垮落岩层的碎胀系数，取1.1～1.5。计算得到垮落带高度Hk为1.12 m～5.6 m。

则充填采煤工作面液压支架所需支护强度q1为：

q1=γHk.

(3)

其中：γ为岩石的容重，取25×103kN/m3。则计算得支护强度q1应为0.028 MPa～0.14 MPa。

(2)根据6倍～8倍采高的岩重计算支架支护强度q2：

q2=(6～8)×H×γ.

(4)

计算可得工作面计算支护强度为0.42 MPa～0.56 MPa。

综上两种支架支护强度计算方法，可得充填采煤工作面液压支架支护强度需要满足0.56 MPa，才可以使得工作面安全开采。

3.1.2 充填段中部液压支架选型

考虑到官地矿井赋存煤量较大，6#煤层后续仍有其他工作面需要进行充填工作面布置，所以在综合比较支架技术特点后，选择适应性较强的、带夯实机构的ZC5200/20/40型中部液压支架，以便于后面其他充填协同垮落式工作面及全断面充填工作面使用，其主要技术参数见表1。

表1 ZC5200/20/40型中部液压支架主要技术参数

3.1.3 过渡段液压支架选型

过渡段液压支架选用ZCGa5200/20/40、ZCGb5200/20/40和ZCGc5200/20/40型液压支架，主要技术参数和结构要求同ZC5200/20/40型中部支架。ZCGa5200/20/40型过渡支架顶梁、底座与推移机构尺寸在中部支架基础上做适当调整；ZCGb5200/20/40型过渡支架后部设置有与机头升降平台连接的耳座，可使多孔底卸式输送机随支架前移，且后顶梁后部设置有后挡矸装置；ZCGc5200/20/40型过渡支架后顶梁设置有侧挡矸装置，侧挡矸装置带伸缩梁，可根据支架高度伸缩，用于保护多孔底卸式输送机机头处工作空间，且后顶梁后部设置有后挡矸装置。

3.1.4 垮落段液压支架选型

垮落段液压支架沿用矿井现有的ZZ-5200/17/35掩护式液压架，主要技术参数见表2。

表2 ZZ-5200/17/35型液压支架主要技术参数

3.2 采煤机选型

采煤机沿用矿井36406工作面采煤机，型号为MG250/600-WD,主要技术参数见表3。

表3 采煤机主要技术参数

3.3 刮板输送机选型

为保证工作面的高效运输，刮板输送机的运煤能力Qy应大于采煤机最大割煤能力Qmax：

Qy>QmaxKyKc.

(5)

其中：Ky为考虑刮板输送机运输方向及使用倾角时的修正系数，取0.9；Qmax为采煤机的最大割煤能力，取平均割煤能力的1.3倍，604 t/h；Kc为考虑刮板输送机与采煤机同向运行时的修正系数，取0.9。

将相关参数代入式(5)计算可得刮板输送机所需最大运煤能力为489.2 t/h，根据工作面具体条件，选取SGZ-764/630型刮板输送机，技术参数见表4。

表4 SGZ-764/630型刮板输送机主要技术参数

3.4 多孔底卸式输送机选型

本文选择SGZ764/2×200型多孔底卸式输送机，输送能力500 t/h，其主要技术参数见表5。

表5 SGZ764/2×200型多孔底卸式输送机主要技术参数

3.5 充填转载输送机选型

充填转载机以输送带为传动承载机构，输送带的运行靠装料部的液压马达和驱动滚筒直接带动。当矸石通过巷道内的皮带机运输至转载输送机上时，转载输送机的装料部可承接巷道内皮带机上输送来的矸石，矸石再通过转载输送机上的皮带运输至卸料部，从而将其卸落在多孔底卸式输送机上。随着工作面的推进，卸料部可回缩一个工作面推进距离，因此，可免除每次工作面推进一次而调节一次巷道内皮带机的工作量。卸料部的移动靠伸缩油缸及增程机构来完成。卸料部伸缩距离用完后，转载输送机向前推进，进入下一循环。充填转载输送机输送流程示意图如图2所示。