大采高开采工作面设备选型及其适应条件分析.docx

1、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3.5 m5.0 m厚的煤层且均为主采煤层。大采高综采是对3.5 m5.0 m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3.5 m5.0 m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

2、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 5002 500th，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

3、科技股份有限公司成功研制的MG7501815一GWD型交流电牵引采煤机，总装机功率达到1 815 kW；鸡西煤矿机械有限公司研制成功的MG8002040一WD型电牵引采煤机，总装机功率达到2 040 kW；西安煤矿机械厂研制成功的MG7501910一WD型和MG9002210一WD型交流电牵引采煤机，总装机功率分别达到1 910 kW和2 210 kW。张家口煤矿机械制造公司、西北奔牛集团公司研制成功的SGZ12001575型刮板输送机，输送能力最大达到2 500 th，总功率达到l 575 kW。我国近期研制成功了ZY88002650型两柱掩护式液压支架、ZZ99002045四柱支撑掩护液压

4、支架。郑州煤机厂为晋城研制成功ZY94002862型两柱掩护式液压支架，整体结构强度高，调高范围36 m，支护高度最大可达到62 m，工作阻力94 MN，立柱缸径380 mm，采用电液控制技术，寿命实验达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

5、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2 MW左右，其中单台截割功率达到750 kW以上，牵引速度提高至25 mmin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

6、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3 0004 000 th，带速提高至6 ms，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1.01.5 MW，输送带抗拉强度达到6 kNmm (钢绳芯)和3 kNmm (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

7、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46 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

8、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” 重点建设工程之一，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

9、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4045。取开机

10、率为55 ，确定采煤机的牵引速度为4.88 mmin，工作面的最大牵引速度应为6.83 mmin。采煤机的实际截煤速度应达到67 mmin，空载时要求其速度不小于12 mmin，以减少辅助工作时间。采煤机的功率1477.41723.6 kW，厚煤层大采高采煤机总功率一般应在17001800 kW。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th-1 (以12 mmin牵引时) 4000 最小采高m 2.7 最大采高m 5.2 滚筒直径mm

11、 2700 滚筒截深mm 865 卧底量mm 640 切割硬度 l0 截割功率kW 2750 冷却方式 水冷 牵引方式 齿轨式无链交流电牵引 牵引速度mmin-1 0318 牵引力kN 734 牵引功率kw 290 液压泵电机功率kw 35 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2500 th。根据要求选择德国DBT公司PF41132工作面刮板输送机及转

12、载机，其主要技术参数如下： 运输能力th-1 2500 电机功率kw 2700 供电电压V 3300 中部槽尺寸mmmmmm 1750988284 链条尺寸mm 42146 传输控制 CST可控传输，内置式 机尾链张紧行程mm 500 链形式 双中链 链中心距mm 165 链速ms-1 1.28 刮板间距mm 876 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15 s内软起动。在全自动方式下，可通

13、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PF41332转载机，技术参数如下： 运输能力th-1 2750 电机功率kw 315 供电电 V 1140 中部槽尺寸mmmmmm 15001188284 链

14、速ms -1 1.54 链中心距mm 330 链条规格mm 34126 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th -1 3000 供电电/V 1140 功率kw 315 破碎形式 截齿式 可截割

15、煤硬度 8 入料口尺寸mmmm 1700900 出料块度mmmm 250450 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22 kW 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

16、，支架工作阻力大部分在7 0008000 kN，最大的两柱掩护式支架工作阻力达到9800 kN。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

17、连续进行，移架速度提高，移架循环时间可达到68 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875。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5.2 m； 伪顶或浮煤冒落厚度，一般取200300mm。 最小高度： 式中：开采高度，取2.9 m； 顶板最大下沉量，一般取200 mm； 支架移架所需最小降架量，取50m

18、m； 浮煤厚度，按50 mm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=68； h采高，取5.0m； l顶板岩石密度，取2.57 tm 。 (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8.16 m2。根据计算确定液压支架的技术参数如下： 支架高度mm 22504500，25505500 支架宽度mm 16101850 通风面积m2 17，20 起底油缸推拉力kN 38

19、7 泵站压力MPa 31.535.7 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kN 1150 平衡油缸拉力kN 600 工作阻力kN 24139 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kN 560 推溜力kN 310 支护强度MPa 1.1 端部载荷kN 1640 电液系统 PM4 主机 MCU 架中心距mm 1756 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

20、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

21、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2.254.5m；中间架115架，支撑高度2.555.5 m；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

22、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MPa 31.535.7 流量Lmin-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L 2500 储液箱L 2000 2.7 采煤

23、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 Lmin，压力4l0 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MPa 13.2 流量Lmin -1 516 电机功率kw 125 电压V 1140 质量kg 1500 水箱容量/ L 2200 预加压泵 N453G 功率kW 7.5 电压V 1140 压力MPa 0.4 流量Lmin -1 620 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 Lmin。因此，只需配套无锡生产W

24、PZ一2205.5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“三机”，停机后自动关闭水阀。 2.8 供电系统及设备的选取 根据工作面设备的装机容量大(4707.5kW)，走向长度20003000 m、主要设备采煤机和运输机单机功率大的特点，为提高工作面供电质量，降低起动和正常电压损失，采用了3.3 kV供电，其余设备采用1140 V供电，盘区采用6 kV供电。工作面电气设备选用法国赛特公司生产的2台TEK1534200063.45负荷中心，低压侧4组合，分别供SLS00采煤机和工作面刮板输送机；2台TS1281

25、1000061.2负荷中心(低压侧8组合)分别供转载、破碎机、其它辅助设备和乳化液泵和喷雾冷却泵。该负荷中心的特点是集成度高、体积小、微机保护、功能齐全，控制方式灵活，电缆连接采用快速接头，方便快捷。其具体技术参数特征及配置见表6。 表6 工作面电器设备技术参数 该负荷中心高压侧采用ABB公司真空断路器，具有短路、过负荷保护，能实现风电、瓦斯电闭锁，当工作面回风流瓦斯超限时，通过负荷中心高压侧本安腔内CH 急停回路切断综采工作面的一切非本安电源。低压侧真空开关为模块式“提箱”，每一个模块带有一个电气控制的换向开关，真空开关采用先进的零点分断技术，断流容量大，可替代真空断路器功能。 微机支持的显

26、示单元。可显示运行及故障信息，具有故障诊断、存储记忆功能，通过显示单元上的键盘分3级(电工、工程师、管理者菜单)进行保护各种参数和运行方式的设定。除具有过流短路、相不平衡、漏电闭锁外，还具有快速漏电保护和先导监视保护及电机温度保护，在3300 V低压开关中有绝缘监测保护。2.9 巷道带式输送机的选取 随着高产高效矿井的出现，原有带式输送机无论主参数还是运行性能都不能满足要求，国外已向长距离、大运量、大功率、大型化方向发展。据有关资料介绍，国外35 Mta高产高效矿井，带式输送机主参数一般为：运距20003000 m，带速为3.54 ms，输送量2 5003 000 th，驱动功率为120020

27、00 kw。对于长距离、大运量、高速度的带式输送机，必须有足够的起动时间，使起动加速度保持在允许范围内。因此应优先采用CST可控传输软起动控制。另外，为适应快速推进需要，可伸缩带式输送机尾必须能快速自移。经分析对比选择了澳大利亚ACE公司的带式输送机，其主要技术参数如下： 输送tth -1 2500 铺设长度m 2000 提升高度m 70 带速ms -1 3.5 驱动滚筒mm 一级10001600 二级10321600 卸载滚筒mm 9001600 拉紧滚筒mm 6个630 带宽mm 1400 驱动方式 多点驱动 驱动功率kw 2400 功率分配 ：=1：1 托辊/mm 152 驱动装置形式

28、CST02软启动+逆止器 拉紧电机kW 30（液压自动张紧控制） 卷带电机kW 22（液压） 输送机主机采用PLC控制CST软启动及外围设备控制输送带的液压自动张紧，并有汉化的防爆中文界面，LCD显示屏人机界面友好。实现了对CST驱动离合器、拉紧绞车、冷却油泵、通风机、制动闸及带式输送机运行状态及运行参数的监控与监测。 2.10监测监控系统的选取先进的长壁工作面装备必须有完善的监测监控系统。工作面共装备了工作面三机：PROMOS监测监控系统、乳化液泵的PROMOS监测监控系统和工作面运输巷带式输送机的监测监控PROMOS保护系统。工作面三机PROMOS监控系统通过编程可实现控制开启三机冷却水控

29、制阀并监测冷却水流量正常后，做到有水后顺序开启破碎机、转载机和工作面输送机和“无水” 停机，并在开启破碎机时同时开启除尘风机，并对转载机紧链和工作面刮板输送机机头、机尾紧链和CST离合器故障进行监测和保护，停机闭锁工作面沿途设备急停闭锁开关。 乳化液泵站的PROMOS控制系统可根据液压支架的载荷情况，采集到系统输出压力信号自动控制开启泵的台数，可根据编程轮流选择做为主泵，对乳化液泵喷雾泵的轴承润滑等，液箱液位等进行保护。 带式输送机的PROMOS控制系统具有开车预警，故障报警和机头、尾、中间语言通信和急停闭锁功能。并具备堆煤、低速、打滑、烟雾、跑偏和纵撕等保护功能。LCD显示屏可显示设备运行状

30、态和故障的位置、性质，具有较强的自诊断功能和完善的保护。PROMOS监控系统对提高工作面自动化水平起到了十分重要的作用。 3 适应条件分析3.1合理采高的确定 厚煤层一次采全厚综采采高并非愈大愈好，采高大小必须与煤层地质条件、目前的综采设备技术水平及采煤工艺各环节的配套能力相适应。目前我国综采工作面的采高存在着一个合理的取值范围。实践证明，当加大工作面的采高时，工作面顶板压力随之增大，煤壁前方支承应力集中程度亦随之增大，从而加剧工作面煤壁片帮和冒顶。相似材料模拟实验的结果表明：采高越大，T作面开采后上覆岩层运动范围也越大。当采高大于5.5 m后，上覆岩层折断的厚度将超过100 m，岩梁的折断步

31、距、折断岩梁运动的自由空间均较大，此时工作面支架将承受岩梁大规模运动引起的动载荷和较大的偏心载荷，从而影响到支架的稳定性，使支架、围岩关系恶化，同时由于设备进一步趋向大型化。复杂化，维护梁和管理难度进一步增加；设备机动性变差，对变化的 作面地质条件适应性低；推进度降低，顶板管理更加困难；煤壁片帮加剧，工作面冒顶的机会增加。 定性的说，从综采最低可采高度到最佳采高，产量与采高成正比；从最佳高度到最大采高，产量与采高成反比。据统计，采高3.03.5 m单产最高。采高从3 m左右提高到4.55.0 m，几乎等于从最佳采高提高到综采一次采全高的合理可采极限(放顶煤另当别论)。所以，设计采高以小于5.5

32、 m为好。另外，通过实测片帮深度c与采高h之间的回归分析得到两者的定量关系，并据此对比分析知，当采高h=3.33.85 m时，片帮深度c随采高h增大而增大，大于3.85 m后片帮深度变化不大而c趋于稳定，故确定合理采高应大于3.85 m。因此，设计采高应处于3.855.5 m。3.2工作面长度及推进度 工作面的产量和效率是随着工作面长度的增加而提高，加大工作面长度不仅减少了准备和回采的工程量，而且也相对减少了端头、进刀等辅助作业时问。而提高工作面推进度，减少搬家倒面次数，就为工作面连续稳产高产创造了条件，有条件的矿井要适当加长工作面长度和采区走向长度。一般工作面长度应达到200 m，部分条件好的工作面长度可随着工作面输送机铺设长度的增加，逐步达到250300m。但工作面长度和推进长度并非越长越好。随着工作面长度的加长，推进度减少，