Calculation of Equipment Selection for "Three Machines" in Coal Mine Fully Mechanized Caving Face
成敏 CHENG Min
（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，石嘴山 753001）
（Ningxia Tiandi Benniu Industrial Group Co.，Ltd.，Shizuishan 753001，China）
摘要：本文主要阐述煤矿井工开采中“三机”设备选型的原则，介绍三机设备选型计算的方法、采煤机、液压支架、刮板输送机。
Abstract: This paper mainly describes the principle of "three-machine" equipment selection in coal mine mining, and introduces the calculation method, coal mining machine, hydraulic support and scraper conveyor.
关键词：刮板输送机；采煤机；液压支架；综放工作面
Key words: scraper conveyor；shearer；hydraulic support；fully mechanized caving face
中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0180-03
0 引言
综放开采己有100余年历史，早在二十世纪初，法国、波兰等国就在急倾斜煤层中应用放顶煤开采工艺，受制于当时机械加工工艺手段及现有的技术条件，该种方法实际上是高位放顶煤的采煤工艺的雏形，作为较简单地质条件下一种的开采工艺。
我国综放开采技术开始于二十世纪五十年代，开始引进德国及波兰成套设备进行国产化，经过六十余年的发展，目前三机设备已达国际先进水平，并具有自主知识产权。响应国家号召，建设绿色矿山，设备向着智能化、高可靠性、寿命长等方面发展。我国放顶煤开采主要是指长壁后退式机械化放顶煤开采的工艺，即沿煤层底板布置工作面，利用三机设备进行回采，将原煤通过煤矿专用设备将原煤运输至地面，同时利用矿井自身压力的作用，迫使工作面上方的顶板破碎，并在支架移动后一定距离自行跨落，若顶板条件较好，则需要人工移架前进行破坏顶板。
某煤矿a工作面年产能力3Mt/a；工作制：三八；年生产天数：330天；采高范围：煤层厚度；采煤平均厚度：3m，放顶煤高度：（4～8）m。
工作面输送能力预估：
每小时运量（t/h）=工作面年产能力/年生产天数×日工作小时×开机
=3000000/330×16×0.7=710
循环=L×B×H×r×K=200×0.80×3.5×l.42×0.95=755t
式中：L——工作面长度，200m；
B——采煤机截深，0.80m；
H——采煤机最大割煤高度，取3.5m；
r——煤的容重，1.42t/m；
K——采煤机割煤回收率，95%。
1 采煤机主要技术参数的选型计算
1.1 采煤机滚筒的确定
工作面煤层厚度平均约为3m，采煤机按双滚筒进行选择，依据工作面煤层厚度条件滚筒按直径为?准1800mm选择。
1.2 采煤机牵引速度的确定
采煤机正常开机割煤时的实际生产率估算公式：
■
Q——采煤机实际生产率，t/h，取900t/h（1.2～1.3倍工作面输送能力预估）；
H——工作面煤层平均采高，取3m；
b——采煤机滚筒截深，取0.8m；
B——采煤机截煤时的牵引速度，m/min；
ρ——煤的实体密度，取1.42t/m3；
C——工作面回采率，取95%。
可以利用上述计算公式，根据对采煤机实际落煤能力的要求，来简单估算采煤机割煤时的平均牵引速度。
则采煤机割煤时的平均牵引速度为：
■=4.63m/min
因此，为顺利实现工作面3Mt/a的生产能力，再考虑一定富余量，选取采煤机割煤速度5~6m/min。
1.3 采煤机总装机功率
采煤机总装机功率=截割电动机功率+牵引电动机功率+破碎电动机功率+液压泵电动机功率，是衡量采煤机生产能力的综合性参数。装机功率值主要有以下因素确定：工作面煤层厚度、煤质硬度、采煤机的滚筒截深、割煤速度和地质条件等。目前装机功率采用比能法进行计算选择，即：
P=QHW，其中
P——总装机功率，kW；
Q——采煤机的实际生产能力，900t/h；
HW——采煤机单位能耗，一般取HW=0.8kWh/t。
则：P=QHW900×0.8=720kW
在实际应用中，采煤机的设计装机功率比正常割煤所需的功率要多出30-50%，即实际装机功率P＝（1.3~1.5）P，以增强采煤机过断层的破岩能力。
考虑1.5的系数，理论采煤机的装机功率应不低于1080kW，根据地质情况，煤的硬度f<4，属于中硬煤，因此最终确定采煤机的装机功率应不低于1130kW。
1.4 采煤机型号的确定
依据上述计算，选用采煤机型号：MG500/1130-WD型采煤机，电压：3300V，截深800mm。
2 工作面输送设备的选型的主要技术参数的设计计算
2.1 刮板输送机的选用设计
刮板输送机的运输能力高于采煤机的最大采煤能力的原则，故前部刮板输送机的运输能力为：Q前=（1.1~1.2）× 900 =（990～1080）t/h。
考虑后部刮板输送机运煤能力及现有采放比为1:2，输送量为1500t/h，建议选用槽宽800mm的前后部刮板输送机即可满足工作面生产要求。
2.1.1 刮板功率的计算
■
式中：K——电动机功率富裕系数，一般K=1.1~1.3，取K=1.2；
K1——刮板链环绕头尾链轮轴组时的阻力系数，取K1=1.1；
K2——输送机中部槽推溜弯曲阻力系数，取K2=1.1；
Ｌ——工作面刮板机安装长度，200m；
β——工作面倾角（上运，下运）；
f1——刮板链在溜槽中运行阻力系数，f1=0.25~0.35，取f1=0.25；
f2——煤在溜槽中运行的阻力系数，f2=0.6~0.8，取f2=0.6；
η——传动装置效率，取η=0.95；
q0——刮板链每米重；
ｑ——每米中部槽煤量；q按下式计算（式中V1链速，取1.3m/s）：■kN/m
经计算，理论总装机消耗功率660kW，实际消耗功率为1.1倍的理论消耗功率，即726kW，故装机功率为2×400kW。
2.1.2 链条安全系数
双链负载不均匀系数λ，取值为0.8~0.95
刮板链最大静张力：Smax=Pd×A/v
由计算公式得安全系数：n=2×Sd×λ/（1.2×Smax） （≥3.5）
具体计算可得：双链安全系数：n=2×Sd×λ/（1.2×Smax）=5.2，满足使用要求。
2.2 顺槽输送设备的主要技术参数选型设计
转载机的输送能力高于工作面输送机的卸载的原则，其输送能力应为Q≥1.2Qs，因此，根据顺槽用刮板转载机的过煤能力，选用槽宽1000mm（过煤量2600t/h）产品均可满足工作面使用要求。
2.3 根据输送设备的选型原则，破碎机过煤能力应大于转载机的运输能力，故选破碎机破碎能力为：3000t/h，即破碎机选型为PLM3000。
2.4 根据皮带的选型原则，皮带运输能力应大于转载机的运输能力Q1≥1.1Q，故选皮带输送能力为：3000t/h，即皮带选型为1200系列。
2.5 工作面输送设备的型号（表1）
3 液压支架的主要技术参数选型设计
3.1 液压支架的支护强度确定
顶板结构理论基础依据工作面支架工作阻力承受直接顶板、伪顶板及顶煤的载荷，并平衡基本顶失稳时对支架的动载荷，故支护强度计算公式为：
■
■，■
■（考虑放顶煤的放出率为80%）
式中：q—工作面液压支架所需支护强度；
Kd—基本顶失稳时的动载系数，一般取1.1~1.8；
qd—直接顶自重应力；
γd—直接顶岩层容重；
h—直接顶垮落充填高度；
qc—支架顶煤自重应力；
γc—煤层比重；
Mc—支架顶煤高度；
M—采煤厚度；
Kp—直接顶垮落碎涨系数，一般取1.25~1.5（直接顶松散系数取1.25）。
■
q=1.8×（2600×9.8×17.2+1300×9.8×2.3）=0.84MPa
3.2 液压支架的工作阻力确定
■
额定工作阻力F可按下式进行计算：
■
式中：P——综放工作面额定支护强度；
L——支架中心距，取1.5m（目前主要规格：1.5m；1.75m；2.05m；2.4m）；
Bc——控顶距，Bc=Lk+LD（Lk——梁端距，取Lk=0.3m；LD——顶梁长度，4.7m）。
将上述各参数代入计算，得：
■=0.84×5.0×1.5×1000=6300kN
考虑支架立柱缸径系列化，并考虑一定的富余系数，建议支架的额定工作阻力为6600kN。
3.3 液压支架型号的选用
依据工作面采高及上述计算，选用ZY6600/22/34型放顶煤支架。
4 结束语
目前,通过上述选型计算后，将进行刮板机、采煤机、液压支架的配套，保证过煤空间≥330mm，采煤机支撑滑靴与刮板机中部槽安全距离≥38mm，铲间距至少在220mm，支架与采煤机安全距离≥100mm（验证5°），方可保证三机设备的正常运行。
参考文献：
[1]王启广，姜雪峰，王春兰，李志阳.综采工作面设备的选型与配套原则探讨[J].矿山机械，2009（17）.
[2]郝成军，陈平，李万山.浅谈综采设备的选型与配套原则[J]. 煤炭工程，2005（10）.
[3]王金华.我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势[J]. 煤炭科学技术，2006（01）.
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