第11章 采煤工作面机械配套性能.doc

第十一章 采煤工作面机械配套性能 采煤工作面中，采煤机、刮板输送机和支护设备（液压支架或单体柱与顶梁）等组成一个称为采煤机组的有机整体来实现采煤工艺的各个工序，它们在工作能力和结构尺寸上的配套关系，直接影响到采煤工艺的顺利实施和设备能力的充分发挥。因此，为了正确地选择采煤机组各种设备的形式，不仅要看它们各自能否满足采煤工艺的要求，同时要注意它们之间的配套性能。 第一节 滚筒采煤机的选型 一、滚筒采煤机的适用条件 1滚筒采煤机对煤层地质条件的适应性较强，可用来开采不同硬度的缓倾斜煤层；随着无链牵引采煤机的广泛应用，目前已可开采倾角达80的急倾斜煤层。 2中等功率的采煤机最适于开采截割阻抗为180 N/mm240 N/mm截割阻抗是指切割单位厚度煤体所对应的截割阻力的中硬煤层；大功率采煤机则可开采中硬以上的粘结性煤层（截割阻抗为240 N/mm360 N/mm）。 3采高是滚筒采煤机选型的主要依据。对于采高0.55 m0.9 m的煤层，一般宜选用爬底板采煤机；采高0.8 m1.2m以上的煤层应使用骑溜子采煤机；对于采高1.1 m1.9 m的普采工作面，一般选用单滚筒采煤机；对于采高1.2 m2.5 m的普采工作面，可选用单滚筒或双滚筒采煤机。综采工作面必须选用双滚筒采煤机。 4采煤机的装机功率应根据采高确定。表111中的功率范围值，可根据煤质硬度确定，下限适用于软煤，上限适用于硬煤。 5电牵引采煤机由于具有液压牵引采煤机所不具备的许多优点以及功率大、牵引快等特点成为采煤机的换代产品，对于高产高效综采工作面，应成为首选机种。 国产主要类型采煤机的适用范围如图11一1所示。 一6 1 1.5 2.51 3 1 5 6.6 1 1}5 2 2.5火 二、滚筒采煤机的参数选择 （一）生产率 采煤机的生产率分为理论生产率、技术生产率和实际生产率。 1．理论生产率 理论生产率是指采煤机在给定条件下以最大可能的工作参数连续运行得到的生产率，也称为最大生产率。一般采煤机技术特征中给出的生产率（生产能力）就是理论生产率，它的计算公式如下 （111） 式中理论生产率，t/h； H采高，m； B截深，m； 给定条件下最大可能的牵引速度，m/min ； 实体煤密度，＝1.3 一1.4 。 2．技术生产率 技术生产率是考虑了采煤机必须完成的辅助作业时间（检查机器、换截齿、开缺口空行程等）和消除故障时间后得到的生产率。 3．实际生产率 实际生产率是进一步考虑了采煤机以外的各种因素所造成的停机时间后得到的生产率。 这些因素是由于工作面组织工作和其他配套设备所存在的问题引起的，如输送机和液压支架工作能力不适应或故障、工作面事故、供电系统故障等。 显然，由于采煤机自身以及外界各种因素造成的停机时间使采煤机的实际生产率低于理论生产率较多。为了提高实际生产率，从采煤机自身方面看，就是要合理地提高牵引速度，减少辅助作业时间，加强机器的检查保养，不出或少出故障，提高采煤机的开机率；从工作面组织和技术管理方面看，就是要使配套设备的工作能力满足采煤机的要求，采煤工艺的各工序间要协调好，杜绝工作面事故，尽量减少设备故障等。 采煤机的实际生产率必须满足工作面产量计划的要求。 （二）截深 目前我国多数采煤机的截深在0.6 m左右。在薄煤层中，由于牵引速度不能太快，，为了提高生产率，采煤机截深可加大到0.75 m1.0 m；现代的电牵引采煤机，为了使其生产率满足高产高效的要求，截深普遍达到了0.8 m1.0 m，少数甚至可达1.2 m，当然这需要大的装机功率配合。 （三）滚筒直径 滚简直径是指滚筒截齿齿尖处的直径。单滚筒采煤机一次采全高或薄煤层双滚筒采煤机的滚筒直径。为最小采高；中厚煤层使用的单滚筒采煤机的滚筒直径 为最大采高）；双滚筒采煤机的滚筒直径应略大于最大采高之半。 （四）机面高度与底托架高度 机面高度是指从工作面底板表面至采煤机上表面的高度。一种采煤机型往往有几种不同的机面高度（靠使用不同高度的底托架及输送机槽获得），以适应在采高范围内不同高度工作时的要求，因此选型时要特别注意，并向厂家说明。 如图112所示，已知最大采高时，可用下面的公式计算出相应的机面高度和底托架高度。 （11-2） 式中A机面高度，m； 最大采高，m； h电动机高度，m； L摇臂长度，m； 摇臂向上最大摆角； D滚筒直径，m。 113 式中U低托架高度，m； S输送机槽槽帮高度，m。 采煤机的机面高度应保证在最小采高时的过机高度（采煤机机面到支架顶梁的间距）不小于100 mm250 mm。 确定底托架高度后，应核算是否能保证必要的过煤高度C。一般，在中厚煤层中应达到；在薄煤层中应达到。用于高产高效工作面的采煤机由于其生产能力很大，顺利过煤成为突出的问题，过煤空间断面成为反映采煤机能力的重要参数，一般可达。 （五）牵引速度 牵引速度是决定采煤机生产率和装机功率的重要参数。目前，一般采煤机的最大牵引速度在10 m/min以下。实际工作中，如使用采煤机的自动调速系统，则可以预先给定较高的牵引速度，运行中由自动调速系统调节牵引速度，但应注意输送机的运煤能力和移架速度是否跟得上。如不使用自动调速系统，司机则根据工作面条件（煤质硬度、是否含夹石及所含的程度、倾斜工作面的运行方向等）以及工序间的配合情况选择合适的牵引速度，这在很大程度上决定于司机的责任心和技术熟练程度。 用于高产高效工作面的采煤机，为了满足高生产率的要求，其牵引速度已有大幅度的提高。 （六）截割速度（或滚筒转速） 有的采煤机可以变换23种滚筒转速，应根据不同煤质时使用的牵引速度选用。使用大直径滚筒时，为了减小截割速度，应采用较低的滚筒速度。 （七）装机功率 采煤机的装机功率是所有电动机功率的总和，它是反映采煤机综合能力的重要参数。液压牵引采煤机一般有单电动机和双电动机的组合，在采煤机适用范围内，可根据工作面条件选用。例如，采高较小、煤质较软、含研较少以及倾角不大时使用单电动机，反之使用双电动机。电牵引采煤机除牵引电动机外，还有截割部电动机，其装机功率多在500 kW以上，最大可达1500 kW，以适应高产高效工作面的要求。 第二节 支护设备的选型 一、液压支架的架型选择 由于直接顶和老顶的级、类不同，对液压支架的架型和支护强度提出了不同要求，表112列出了各种顶板适用的架型以及不同采高时要求的支护强度，可供选择时参考。 选型应考虑的其他因素有 1采高中厚或中厚以上的煤层，不宜使用稳定性差的支撑式支架，应选用带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，特别是大吨位掩护式支架有较强的适应性，发展前景看好。工作面采高变化大时，最好选用双伸缩立柱液压支架。 2煤层倾角倾角大于15时，液压支架必须采取防倒防滑措施。 3底板强度支架对底板的接触比压应小于底板的抗压强度，底板软时，应考虑使用提腿移步支架。 4瓦斯含量瓦斯涌出量大的工作面应考虑支架的通风断面能否满足要求。 5地质构造断层发育、煤层厚度变化过大、顶板允许暴露面积和时间分别为和20 min以下时，目前暂不宜使用液压支架。 6对于特殊开采要求，应选用特殊支架，如厚煤层分层开采时需选用铺网支架，冒落法开采时需选用放顶煤支架，工作面端头需选用端头支架等。 二、液压支架和单体液压支柱参数的确定 （一）支护强度和工作阻力 支护强度是反映液压支架支撑能力的参数，可根据工作面条件和所选架型由表11一2查出，也可按下面的公式估算 （114） 式中q支护强度，； k顶板岩石厚度因数，对于中厚煤层一般取k 6-8； H采高，m； 顶板岩石密度，一般； g重力加速度， 确定支护强度后，按下面的公式计算支架工作阻力 （115） 式中支架的工作阻力，kN； q支护强度，； A 支架的支护面积，。 有一种观点认为，支架制造费用主要决定于支撑高度，而与工作阻力关系不大，因此使用高工作阻力的支架是有利的，如在美国的长壁采煤工作面中，工作阻力6000 kN以下的支架很少使用，支架的最大工作阻力已达近10000 kN 。 使用单体支柱时，可根据确定的支护强度（表11一2和单体支柱的工作阻力求出支护密度作为工作面支护布置的依据。即 （11-16） 式中m支护密度，根／； q支护强度，kN/； 单体支柱的工作阻力，kN。 （二）初撑力 由液压支架的工作特性曲线可知，较大的初撑力能使支架较快进入恒阻阶段，从而有利于防止直接顶过早离层破碎，因此，提高初撑力有利于控制顶板。我国近年来设计制造的支架，初撑力普遍达到工作阻力的80％以上。使用单体液压支柱时，煤矿安全规程规定，初撑力不得小于50 kN。 （三）支架高度 支架结构高度由适用的最大采高和最小采高决定，可参阅公式（96）和公式（97）。 （四）支架中心距与宽度 支架中心距应与输送机一节溜槽的长度札适应，一般为1.2 m1.5 m。为了降低对工作面的投入，国外有加大支架宽度的趋势，如1.75 m和2m宽度的支架已投入使用。 （五）顶梁长度 顶梁长度与支架的结构形式、支护方式、输送机宽度和采煤机的结构尺寸有关，选支架时，应校核这些关系间的尺寸是否合适。 1．直接撑顶掩护式支架的顶梁长度 如图11一3所示，直接撑顶掩护式支架的顶梁长度应满足下面的公式 117 式中顶梁长度，mm； 顶梁柱窝至梁前端长度，mm； 顶梁柱窝至梁后端长度，mm； 输送机铲煤板至煤壁的距离，一般为50 mm100 mm； y包括铲煤板在内的输送机宽度，mm； G顶梁柱窝投影至底座前端距离，mm； d输送机至底座前端距离，mm； c梁端距，一般取250 mm350 mm，最大不超过400 mm。 2．支撑掩护式支架的顶梁长度 支撑掩护式支架在工作面的尺寸关系如图11一4所示，其前排柱顶梁柱窝至梁前端的长度应满足下面的公式 118 式中前排柱顶梁柱窝至梁前端的长度，mm； H支架高度，mm； 支架前排柱倾角；其他符号意义同前。 当预先选定支架型号和输送机型号并确定支护方式后，可根据上面两个公式来验算梁端距是否满足要求。 （六）顶板覆盖率 支架顶梁与顶板的接触面积与支护面积之比，称为支架的顶板覆盖率。即 119 式中顶板覆盖率； B 顶梁宽度，m； 顶梁长度，m； c梁端距，m； K架间距，m。 支架的顶板覆盖率应适合顶板性质，以可靠地控制顶板。一般，不稳定顶板85％95；中等稳定顶板75％85；稳定顶板60％70。 第三节 输送设备的配套性能 一、刮板输送机与采煤机及支架的配套 （一）刮板输送机与采煤机的配套 刮板输送机与采煤机无论在结构上还是运转上都是相互关联又相互制约的，它们之间的配套原则是 1刮板输送机的输送能力不小于采煤机的理论生产率。目前国产刮板输送机要达到该要求尚有一定差距。国际上提高刮板输送机能力的措施是加宽溜槽（1.0 m1.2 m）、提高链速（最大达1. 8 m/s），则相应的装机功率也得提高，最大可达3660 kW。 2刮板输送机的结构形式必须与采煤机结构相配套。例如，采煤机是链牵引还是无链牵引、是哪种形式的无链牵引、行走导向方式（骑溜子或爬底板）、底托架结构尺寸与滑靴结构、电缆与水管的拖移方法（自动或人工）以及是否要求开缺口等，都对刮板输送机的结构提出了相应要求。 （二）刮板输送机与液压支架的配套原则 由于刮板输送机的推移是由液压支架上的推移千斤顶实现的，所以它们之间必须在以下方面匹配 1刮板输送机的结构形式要与液压支架架型相匹配，如与放顶煤支架配套的刮板输送机就有自己的结构特点。 2刮板输送机的溜槽长度要与液压支架的中心距相匹配。 3刮板输送机溜槽与支架推移千斤顶连接装置的间距和结构要匹配。 二、转载机的选择 选择转载机要考虑它与工作面刮板输送机和顺槽伸缩胶带输送机之间的配套。 1转载机的输送能力不得低于刮板输送机的输送能力。在美国的煤矿中，转载机溜槽宽度比刮板输送机大20，链速也比刮板输送机大20。 2在保证输送能力的前提下，尽量选用与刮板输送机相同的传动装置和零部件，尽量做到通用。 3转载机机尾与刮板输送机连接处的配套，现有搭接式和非搭接式两种形式。无论哪种结构都必须保证刮板输送机头有一定卸载高度，以避免底链回煤。 4在煤质较硬、大块煤多而采煤机又不带破碎装置时，应在转载机中部落地段配置破碎机。 三、伸缩胶带输送机的选用。 1伸缩胶带输送机的输送能力不得小于转载机的输送能力。 2）伸缩胶带输送机的机尾受载部长度和结构形式要与转载机桥身部重叠长度以及行走部结构形式相匹配。 3当顺槽长度较大要求铺设2台伸缩胶带输送机时，靠近工作面的一台用伸缩式，与其串联的一台可不带储带装置，待第一台工作完了时，将伸缩部分移至第二台上使用。 第四节 采煤设备的配套性能 一、设备主要空间尺寸的配套关系 （一）普采工作面采煤设备的尺寸配套关系 普采工作面的采煤设备由采煤机、刮板输送机和单体液压支柱（金属摩擦支柱）与铰接顶梁组成，它们之间的配套尺寸关系如图115所示。 从安全生产的角度看，由前排支柱到煤壁之间的无立柱空间宽度R愈小愈好，必须符 合顶板性质的要求。 （1110） 式中R无立柱空间宽度，m； B采煤机截深，m； F滚筒外侧与铲煤板的间距，m； W刮板输送机宽度，m； X前排柱到电缆槽的间距，m； d支柱外径，m。 公式中的各项参数应合理取值 （1）无立柱空间宽度R是工作面的基本工作宽度，也称机道，从安全生产考虑，应小于1.8米； （2）采煤机截深按采煤机技术特征取值； （3）滚筒外侧与铲煤板的间距F是为了避免滚筒切割铲煤板而设的，一般取50 mm100 mm； （4）刮板输送机宽度W是影响无立柱空间宽度的主要尺寸，它包括铲煤板宽度E、中部槽宽度G、导向管宽度J和电缆槽宽度V； （5）电缆槽到支柱的间距X是为了避免支柱损坏电缆和水管，一般取100 mm 150 mm。 从工作面上部尺寸看，必须留有一定的梁端距T，以避免底板坡度变化时发生滚筒割顶梁现象。在中厚煤层中，梁端距至少应为150 mm200 mm；薄煤层可以减小到100 mm；厚煤层时可达300 mm。 在采高方向上，过机高度Y要按最小采高计算，其值不应大于200 mm，以保证在最小采高或顶底板起伏不平及顶板下沉时，采煤机能顺利通过；过煤高度C应小于250 mm（薄煤层中允许为200 mm），以保证煤流顺利通过底托架下；采煤机机面高度A可由公式（112计算，但必须保证尺寸Y和C的上述要求。 （二）综采工作面综采机组的配套尺寸关系 综采机组包括双滚筒采煤机、刮板输送机和液压支架，其配套尺寸关系如图116所示，一般应满足以下要求 （1）为保证安全作业，无立柱空间宽度R应尽可能小，一般为2m左右，即 （1111） 符号意义同公式（1110）。 （2）铲煤板与煤壁间距F 100 mm-200 mm，以防采煤机位于输送机弯曲段时滚筒切割铲煤板。 （3）刮板输送机宽度W由下式计算 （1112） 式中W刮板输送机宽度，mm； E铲煤板宽度，一般为150 mm240 mm； G中部槽宽度，已标准化，mm； J导向槽宽度，无链牵引时尚包括齿轨宽度，mm； V电缆槽宽度，mm。 导向槽宽度J及电缆槽宽度V由采煤机底托架尺寸、导向部分尺寸、无链牵引机构尺寸和电缆拖移装置尺寸决定。为了能使电缆拖移装置对准电缆槽并减小无立柱空间宽度，采煤机中心线与输送机中心线有一偏移量。 4前柱与电缆槽的间距应大于150 mm200 mm，以防挤坏电缆和水管。 5人行道宽度M应大于700 mm。 6梁端距T一般取150 mm350 mm，以防滚筒切割顶梁。薄煤层时取小值，厚煤层时取大值。 7支架中心距与中部槽长度一致；推移千斤顶行程应较采煤机截深大100 mm300 mm。 8在采高方向上，过机高度Y应大于90 mm 250 mm；过煤高度C应大于250 mm300 mm（薄煤层时为200 mm240 mm）。 二、设备主要参数的匹配 综采机组主要参数的匹配应满足两方面的要求一是生产率相互适应；二是移架速度适应采煤机的牵引速度。 生产率相互适应是指由采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机和伸缩胶带输送机组成的生产系统中，每一后者的生产率要大于前者，以防造成生产系统的阻塞。 移架速度与采煤机牵引速度相适应就是要保证在整个工作循环时间内顶板的暴露面积不超过允许值。从这一原则出发，可导出从开始采煤到开始移架的时间以及移1架支架的时间t所应满足的条件。 从开始采煤到开始移架的时间应满足 （1113） 式中开始采煤到开始移架的时间，s； 顶板允许暴露面积，； B采煤机截深，m； 采煤机牵引速度，m/S； n同时移动支架数； 支架中心距，m。 移1架支架的时间t应满足下面的条件 （1114） 式中t移1架支架的时间，s； L工作面长度，m； 其他符号意义同前。 由公式（1114）可知，当工作面长度L、支架中心距Z、同时移架数n和截深B一定时，移1架支架的时间t随采煤机牵引速度的增大而减小，随允许暴露的顶板面积的增大而增大。 移1架支架的时间包括降架、移架、升架和支撑、推移输送机和辅助操作时间，减小它主要依靠加大乳化液泵站的流量和缩短辅助操作时间。 三、综合机组附属设备的选择 （一）乳化液泵站的选择 乳化液泵站必须满足所用液压支架对工作压力和流量的要求。1泵站工作压力 （1115） 式中泵站工作压力，Mpa； 根据立柱初撑力和千斤顶推力算出的最大压力，MPa; 压力损失因数，可取1.1一1.2，管路长、弯曲多时取大值。 2．泵站流量 按支架追机速度不小于采煤机牵引速度，且1架支架全部立柱和千斤顶同时动作估算。 （1116） 式中乳化液泵站流量，L/min； 1架支架全部立柱和千斤顶同时动作所需液量，L； 采煤机最大工作牵引速度，m/min； 支架中心距，m； 管路漏损因数，。 在计算支架全部立柱和千斤顶的所需液量时，应注意行程的合理取值，否则计算值太大，无法选取乳化液泵站型号。 由以上计算结果可在乳化液泵站产品样本中选出合乎要求的泵站型号。 （二）喷雾泵站的选择 喷雾泵站的工作压力和流量必须满足采煤机使用说明书提出的工作压力和总用水量要求。可从喷雾泵站产品样本选取。 （三）液压安全绞车的选择 液压安全绞车的选型应根据采煤机质量和工作面倾角进行。我国目前已生产了YAJ13型和YAJ22型两种型号的液压安全绞车，它们的主要技术特征和适用条件列入表113中，供选型参考。 四、设备配套举例 根据上述配套原则和多年来我国使用国产和引进机组的经验，有关部门编制了供现场选用的成套设备参考资料，表114列举了部分国产采煤机械化配套设备。图117是表114中序号1的配套关系图。 复习题 1．分析说明滚筒式采煤机的适用条件 2．什么是采煤机的理论生产率、技米生产率和实际生产率影响它们的因素是什么 3．如何合理确定采煤机的基本参数 4．如何合理选择液压支架的架型 5．如何确定液压支架的支护强度、工作阻力和初撑力 6．工作面刮板输送机和采煤机的配套原则是什么 7．分析说明如何选用转载机和伸缩胶带输送机 8．工作面刮板输送机和液压支架的配套原则是什么 9．分析说明普采工作面采煤设备的尺寸配套关系 10.分析说明综采工作面采煤设备的尺寸配套关系 11.综采工作面未煤设备的主要参数和匹配有什么要求 12．如何选用乳化液泵站