大采高开采工作面设备选型及其适应条件分析

大采高开采工作面设备选型及其适应条件分析

1 概述

１.１我国煤炭资源状况我国缓倾斜厚煤层煤炭产量占总产量的４0%以上,很多矿区赋存有3．５m~5．０ｍ厚的煤层且均为主采煤层。大采高综采是对3.5 m～5.０m厚的煤层一次采全高。对于煤层倾角小于3O°的厚煤层、采出的煤炭含矸率低、瓦斯涌出量小等优点；与采高小于3．5 m 的分层综采相比，具有采面生产能力大和巷道布置简化、回采工效和煤炭资源回收率高、设备搬家倒面次数少和节约假顶材料等优点。因此，大采高综采是3.５m～５.0m厚煤层综采的主要发展方向之一。我国厚煤层资源丰富，厚煤层开采在保障煤炭生产供应能力中占有重要地位。厚煤层高效综采是实现高产高效矿井的主要技术途径之一。目前我国年产６００万~1 0０0万ｔ具有国际领先技术水平的高产高效矿井和综采工作面都是在厚煤层开采条件下实现的。厚煤层大采高综采成套设备的研制开发包含着一系列的先进技术，技术含量高,研制难度大。

1.2 我国大采高综采技术与装备现状

为适应我国煤矿综采机械化的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和

多点驱动大运力带式输送机。配套设备的生产能力达到1 ５0０—2 50０ｔ／ｈ,在适宜的煤层和矿井条件下,综采工作面可实现年产30０万t以上。目前，天地科技股份有限公司成功研制的ＭＧ７５0／1815一GＷＤ型交流电牵引采煤机，总装机功率达到１8１５kW；鸡西煤矿机械有限公司研制成功的ＭＧ8０0／２04０一WD型电牵引采煤机,总装机功率达到2040 kＷ;西安煤矿机械厂研制成功的ＭG７5０/1910一WD型和MＧ900/22１０一WＤ型交流电牵引采煤机，总装机功率分别达到1 ９１0 kW和２210kW。张家口煤矿机械制造公司、西北奔牛集团公司研制成功的ＳGＺ1２0０/1575型刮板输送机,输送能力最大达到2 5０0 t/h,总功率达到l ５75 ｋＷ。我国近期研制成功了ZY88００/２６／50型两柱掩护式液压支架、ZZ９900／2０／4５四柱支撑掩护液压支架。郑州煤机厂为晋城研制成功ZY9400／28／6２型两柱掩护式液压支架，整体结构强度高,调高范围３～6 m，支护高度最大可达到6．2m，工作阻力９.4 MN，立柱缸径38０mｍ，采用电液控制技术,寿命试验达5万次以上。我国新研制开发的新型大采高综采装备技术参数已经接近国外先进水平，综采工作面年产能力达到３0０万ｔ以上。我国综采设备设计制造、检测虽已有一定基础，但限于目前研究设计、制造水平和国内高强度优质材料供应等基础条件，大采高综采设备仍不能满足厚煤层高产高效综采生产要求,近

年来新研制开发的综采设备在技术性能、工作可靠性和使用寿命方面仍和国际先进水平有明显差距。我国创造综采年产世界纪录的神华、充矿等煤炭企业的高端综采装备目前仍然以引进为主。

1．３大采高综采技术与装备发展趋势

厚煤层一次采全高高效综采技术是世界煤炭井工生产技术主要竞争领域。随着矿井大规模集中化生产的发展，大功率、高性能的设备是必不可少的。大采高综采装备的研制要坚持3个方面的发展方向:装备大型化、配套化、机械化程度高;装备无轨化、液压化、自动化程度高;装备技术性能成熟，可靠性高。

(1)采煤机装机功率提高到２ＭＷ左右,其中单台截割功率达到75０kＷ以上，牵引速度提高至２5 ｍ／ｍｉn以上，牵引力达８00 kN以上。产品元部件的可靠性要有大幅度的提高。广泛采用新技术工艺，提高检测控制水平，如采煤机自动调高技术、采煤机在工作面位置传输与确定技术、温度控制与检测技术、故障诊断技术、高效灭尘技术等。

（2）带式输送机向大型化、高运输能力、高可靠性方向发展。长距离、高带速、大运量、大功率是今后发展的必然趋势。输送机的输送量要提高到3０0０—4 000 t／h，带速提高至6 m/ｓ，对于可伸缩带式输送机输送长度要加长至6 ｋm以上,对于钢绳芯强力带式输送机须加长至5 kｍ以上，

单机驱动功率要达到1.0~1.5 MW，输送带抗拉强度达到6ｋＮ／mm (钢绳芯)和3 kN/ｍｍ(整芯）。还要不断开发研究新的技术和元部件，如高性能可控软起动技术、动态分析与监控技术、高效贮带装置、快速自移机尾、高速托辊等,使带式输送机的性能得到进一步提高。

(3)研制大采高强力液压支架，对其架型参数、结构适应性、设计方法、高强材料、配套元部件和制造工艺等关键技术进行攻关，解决电液控制系统与支架配套适应性问题,全面提升国产液压支架技术水平,使其主要性能和可靠性指标达到国外同类产品的先进水平,实现高端液压支架国产化。

(４）发展工作面生产工艺优化与自动控制技术。自动化控制是世界高产高效工作面的基本特征和主要发展方向之一。针对4—6 ｍ厚煤层赋存条件和高产高效开采要求,研究综采工作面作业方式和配套工艺,研制液压支架的自动化控制系统,提高移架速度,优化采煤机作业方式和采煤机自动控制方式,开发与生产工艺相适应的工作面设备全自动控制系统,提高综采工作面的全面自动化水平。

2大采高开采工作面的设备选型与配套

下面结合寺河矿长壁大采高综采工作面设备选型与配套的实际经验进行说明。寺河矿是国家计委批准的“九五” 重点建设项目之一，是由晋城无烟煤矿业集团有限责任公司投资建设的特大型矿井,设计年产原煤４0０万t。通过充分调研国

内几个大型矿井和国外高产高效矿井大采高综采设备及其使用情况,根据寺河矿井条件,经过选型计算，拟采用长壁大采高综采,装备世界先进水平的大功率高可靠性设备，以加大开采强度,提高规模效益,建设新型的高产高效现代化矿井。

2.1 综采工作面设备的选型配套原则

从高产高效、一井一面、集中生产的综采发展趋势要求出发,增大工作面设计长度，加大截深，选用能切割硬煤的大功率采煤机组，提高割煤速度,相应地提高液压支架的移架速度，与大运量、高强度的工作面输送机的相匹配,运输巷道也必须采用长距离、大运量的带式输送机。从设备技术性能要求出发,所选综采机械设备必须是技术先进、性能优良、可靠性高，同时各设备间要相互配套性好，保持采运平衡，最大限度地发挥综采优势。

2.2采煤机的选取

寺河矿井设计以一个长壁综采工作面和2个连采工作面保证年产400万t的生产能力。考虑一定的富裕系数，综采工作面日产量应在110０0ｔ以上。根据日产量要求,平均日循环数应为８个。据有关资料统计，国外高产高效工作面开机率一般在7０％以上,最高达9５％。国内高产高效工作面一般在40％～45%。取开机率为５5％，确定采煤机的牵引速度为４．8８ｍ／min，工作面的最大牵引速度应为6．83m／ｍin。采煤机的实际截煤速度应达到6～７ｍ/ｍin,空载时要

求其速度不小于12 ｍ／min，以减少辅助工作时间。采煤机的功率１47７.４～１７23.6 kW，厚煤层大采高采煤机总功率一般应在170０~1８00kW。寺河矿区煤质较硬，煤层普氏系数f＝4左右。工作面超前压力显现较明显，在采煤过程中易出现片帮现象。结合工作面地质情况,选用德国艾柯夫公司的Sｌ5ｏo型交流电牵引采煤机，采煤机的具体技术参数如下: 生产能力/t·ｈ-１(以12 m/mｉn牵引时) 400０最小采高/m 2.7 最大采高／m 5.2滚筒直径/mm 2700 滚筒截深/mｍ8６５卧底量／mm 640切割硬度ｌ0 截割功率/kＷ2×750 冷却方式水冷牵引方式齿轨式无链交流电牵引牵引速度/m·min-1 0～3１．8 牵引力/ｋN 734 牵引功率／kw 2×９0 液压泵电机功率/kw３5 总装机功率/ｋw (不包括破碎机) １715质量/t 88

2.3 工作面可弯曲刮板输送机的选取

采煤机的实际生产能力比理论生产能力低得多,特别是受设备开机率和和液压支架移架速度、刮板机生产能力等影响和高瓦斯矿井瓦斯涌出量及通风条件制约，牵引速度必然受限制。因此刮板输送机输送能力应达到25００t／h。根据要求选择德国DBT公司PF4/１1３2工作面刮板输送机及转载机,其主要技术参数如下：运输能力／t·h-1 2500 电机功率／ｋw 2×７00 供电电压／V 3300 中部槽尺寸／ｍm×mm×mm 1750×988×2８4链条尺寸/mm Φ42×1４6 传输

控制CST可控传输，内置式机尾链张紧行程／ｍｍ500 链形式双中链链中心距／ｍm１65 链速／ｍ·ｓ-1 １.28刮板间距／mm87６卸载方式交叉侧卸冷却方式水冷主机质量／t 550 输送机的CST的驱动控制有半自动和全自动２种方式，由一台ＰROTEＣ电脑连接到每一台驱动部，用于控制安装在减速器内的ＣST离合器，并监测压力、温度、转速、油位等参数，CSＴ在电脑控制下在1５s 内软起动。在全自动方式下，可通过小型控制站监视电机功率等，实现载荷均匀分布和卡链过载保护等，遇冲击载荷时离合器分离。数据扫描器能处理ｌ7种不同的电子信息，并可在主电脑上查找到这些信息，具有故障诊断功能。输送机机尾链的液压自动张紧控制,由带有微处理器的PＭ4系统控制。通过输入电机电流、紧链千斤顶行程、千斤顶单向阀的压力，通过软件控制算法来控制液压缸，自动调节链的张紧。

2.4 转载机与破碎机的选取转载机应具有高强度且与带式输送机尾能够整体自移，因此，选择ＤBＴ公司PF4/13３2转载机,技术参数如下：运输能力/t·h-1 2750电机功率/ｋw 315 供电电V 1１40 中部槽尺寸／mｍ×mm×mm１50０×118８×284 链速／m·s -1 1．54 链中心距／mm ３30 链条规格／ｍm Φ34×1２6 刮板间距／ｍm 7５6 长度／m 27.5 主机质量／ｔ(不包括破碎机）72 冷却方式水冷配

套机尾MAＴIＬDA带式输送机机尾有效推移行程/ｍ 3.5 长度／m 11.6 宽度／m 2.9 行走机尾质量／t 20 根据晋城煤作为煤化工能源的要求,块率要高,因此要选用滚筒形式为截齿式，截齿（座）强度高、数量少,以减少块率损失，悬垂高度可调节,溜槽底板应具有足够强度。根据这些需求，选择DBT公司的WB1４18破碎机,技术参数如下: 运输能力/ｔ·h －1 30０0 供电电／V １１40 功率/kw ３１5 破碎形式截齿式可截割煤硬度8 入料口尺寸／mm×mm １700×900 出料块度／mm×mｍ２5０×４50 喷雾方式喷水式破碎轮锤顶圆直径／ｍm l460破碎腔中板厚／mm 60 质量/ｔ(不包括电机)l9 破碎机带有湿式除尘装置，由２2kW 液压马达驱动轴向通风机，可实现程序控制，起动破碎机前先开起集尘装置保证集尘效果。

2.５液压支架的选取

(1）液压支架是综采工作面最重要的设备之一,从目前世界先进采煤国家长壁工作面中的液压支架看，液压支架基本以掩护式为主，约占全部架型的9６％，且有向两柱式发展的明显趋势。美国199４年有80个长壁工作面,使用两柱掩护式支架７3套,占９1.２5%，是美国长壁工作面使用的主要架型，支架工作阻力大部分在7 0００～８000 ｋＮ,最大的两柱掩护式支架工作阻力达到98０0kN。寺河矿井煤层赋存条件及顶底板条件与美国相类似,借鉴国外生产高产高效工

作面经验，结合我国架型选择要求,工作面液压支架采用掩护式。支架的顶梁要求采用整体钢性结构。不使用铰接顶梁,支架在要求的工作高度下应能保证支架的整体稳定性,应设护帮板,前探梁带一级护帮板，支架底座采用带有提座千斤顶的刚性底座。

(2)操作方式的选择液压支架技术的重大突破当属电液控制系统，采用了电子控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感技术,灵活自由编程的微处理技术和红外遥感技术等现代科技成果，可实现成组移架、推溜,使液压支架的动作自动连续进行,移架速度提高,移架循环时间可达到６~8 S。支架的电液控制系统应接收采煤机的位置信号，实现与采煤机的联动。并可将工作面支架工作状况图形及数据及采煤机的部分数据传输至地面。美国1994年共有80个工作面其中70个工作面是电液控制支架工作面，占８7.5%。澳大利亚采用电液控制的工作面也占大多数。总之,支架应具有结构简单，控制先进可靠，操作简单，便于维修等特点。

(3)支架支撑高度的确定。最大高度: 式中：——煤层最大采高，取5．２ｍ; ——伪顶或浮煤冒落厚度,一般取200~３０0mm。最小高度: 式中：——开采高度,取2.9 m; ——顶板最大下沉量，一般取20０mm; ——支架移架所需最小降架量，取5０mm;——浮煤厚度,按5０mｍ估算。

(4)支架支护强度的计算。根据支架支护强度的估算法

取11０ｔ/m３,即1．１ＭPa．式中:N——支架载荷相当采高岩重的倍数。中等稳定顶板以下取N=6～8; h——采高,取5．０m; l——顶板岩石密度,取2.57 t／m 。

(5)支架工作阻力反映了支架在工作过程中所需承受的顶板载荷。而顶板载荷与煤层厚度近似成直线关系增长,以此来确定支架的工作阻力为：= 式中：F——支架的支护面积，取8.1６m2。根据计算确定液压支架的技术参数如下：支架高度／mm ２２５０～450０,２550~5500 支架宽度／mm 16１0~1850通风面积/m2 1７，2０起底油缸推拉力/kＮ3８7泵站压力／MPa 31.5～３５．7 立柱油缸直径/mm ３45，325 立柱活塞压力／kN ４9００初撑力／kN 58９0 平衡油缸推力/kＮ115０平衡油缸拉力／kＮ600工作阻力／kN 2×413９顶梁长度/ｍｍ（中间架)3９45 立柱中心距／mm 9０0 平均对地比压／MPa 2．51 底座面积／m2 ３.４13２移架力／kN5６0 推溜力/kＮ310 支护强度/MＰa １.1 端部载荷/kN1640 电液系统ＰＭ4 主机MCU 架中心距／mｍ1７56 支架质量/t (±２.5％)27.5 液压支架的PM4电液控制系统，配备有显示屏幕和键盘,可以操作２2个功能,简化了目前液压支架所需的全部功能的操作。每台支架的ＰＭ4（SCＶ)的屏幕上都可显示出工作面自动进行的全部功能。并可发出声响报警信号，故障查询方便快捷。实用性、功能性极强。防腐、防水，抗振动、冲击,具有很高

的可靠性。任意编程的控制系统软件。模块式设计的软件易于在采矿条件改变时优化液压支架的功能。在工作面的运输巷和地面的控制室安装主控台(ＭCU)，可监测液压系统中每台支架立柱压力变化,显示支架动作及工作面支架、输送机、采煤机位置工作状态的可示图,监测压力、监视传感器状况、修改参数，提供维修依据。通过采煤机红外发射与支架上红外线接收确定采煤机位置和采集主要数据。可以实时地把所有信息传输给工作面运输巷ＭCU，并通过工作面运输巷主机与地面计算机联网,将信息传输给地面控制室的操作人员和管理人员，最大限度地提高长壁工作面系统的功能。可在地质条件允许情况下实现工作面的全自动化。

(6)首采工作面共设计配套了130个支架,其中端头架、过渡架共１5架,支撑高度2.2５～4.5m；中间架１15架，支撑高度2．55～5.５m;每个支架由一个带微处理器的PＭ４服务器和螺纹式驱动器和若干传感器组成。每8个PM4提供一个电源，工作面运输巷安装有一个主PＭ4服务器和一个Ｗｉnｄows操作界面的主计算机ＭＣＵ,通过快速插头连接线组成整个工作面ＰＭ４电液控制系统。

2.6乳化液泵的选型及液箱配置

乳化液泵的压力要满足初撑力和千斤顶所需最大推力的要求,流量要满足每架(组）在移动循环中所需的动作的立柱和千斤顶的最大流量，同时要满足支架追机速度要求。控制

方面要求随支架载荷变化,根据系统压力自动调节开启泵的台数,能根据对液位自动控制补水，具有乳化液自动配液装置,并对高液位、乳化液出口压力、泵润滑油压力进行检测和保护。依据原则，选择德国豪森科公司的EHP一3Ｋ200型泵和液箱。具体技术参数如下：压力／ＭPa31.5～35.7 流量/L·mｉｎ-1 ３09 柱塞数量／个3电机功率/ｋw 200电压/ V 1１４０乳化液泵台数／台4（３台工作，１台备用) 质量/kg 1200 乳化液箱不锈钢有效容积/L25０0储液箱／L 2０00

2．7采煤机喷雾冷却泵

根据艾柯夫SＬS0０采煤机水冷及喷雾系统水流量5１0 Ｌ/mｉｎ，压力4～l0 MＰa的要求,选择德国豪森科公司生产的ＥHP一３Ｋ12５型两泵(一用一备)一箱，其技术参数如下：压力／MＰa13.2 流量/L·ｍｉn －15１6 电机功率/kw 125 电压/V 1140 质量/kｇ１500 水箱容量／L2200 预加压泵Ｎ４5／３G功率／kW 7.5 电压/V 11４0 压力／MPa0.4流量/L·min －1620 2.7．1 “三机”冷却泵工作面输送机、转载机和破碎机的4个驱动电机减速装置均采用水冷却方式,其压力在3.5ＭＰa,流量总和为９0 L/ｍiｎ。因此,只需配套无锡生产WPZ一２20／5．5冷却泵,将静压水提高到3MＰa供给“三机”。“三机” 冷却水采用电磁阀控制开启，并串有流量计，只有通水冷却正常后方可按顺序起动“三