北宿煤矿含硬夹矸薄煤层机械化开采成套装备应 用技术研究实

1、北宿煤矿含硬夹矸薄煤层机械化开采成套装备应用技术研究实施方案兖矿集团2011年科技项目实施方案项目名称：北宿煤矿含硬夹矸薄煤层机械化开采成套装备应用技术研究承担单位：兖矿集团有限公司协作单位： 编写时间：2011年3月22日目 录1 项目必要性11.1项目背景11.2矿井地质概况11.3 煤层赋存条件对比31.4目的和意义42 研究开发内容42.1薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究42.2主要配套设备的选型、参数优化及整体配套研究52.3薄煤层综采工作面巷道布置及远距离供电、供液技术研究53 项目总体经济技术指标54 关键技术及创新点65 研究或研制开发的技术路线，实施方式、方法

2、、步骤65.1技术路线65.2 实施方式、方法、步骤66 技术方案76.1 薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究76.2工作面开采工艺参数的选取196.3工作面设备选型配套246.4工作面设备总体配套336.5薄煤层综采工作面巷道布置及支护方式366.6薄煤层综采工作面远距离供电、供液技术研究376.7工作面风量的确定477 对安全、环境、健康的影响性分析518 现有基础、技术条件，保证体系519 经济、社会效益分析5110 项目实施进度计划5211 经费计划 5312项目负责人、项目组成员及分工5412.1项目成员5412.2 项目任务分工54551 项目必要性 1.1项目背景目

3、前在兖州矿区范围内可采煤层地质总储量约7亿t，其中薄煤层可采总储量1.53亿t，占整个矿区可采储量的22。现采薄煤层主要是石炭系太原群16上和17两层煤，煤层厚度都在1m左右，分布范围广、赋存稳定，但煤层结构极为复杂，普遍含有硫化铁结核体和硬夹矸。由于硫化铁结核的影响，北宿煤矿自建矿以来一直采用炮采工艺进行煤炭回采，落煤工艺始终未能实现机械化，劳动效率低、劳动条件差等问题没能得到根本解决。随着我国煤机制造技术的提高和采煤工艺的改进，含硫化铁硬结核的煤层回采已并非难题，杨村煤矿使用大功率采煤机，结合轻型、低工作阻力液压支架，利用矿压对煤壁的压酥作用，首次实现了1m以下含硫化铁硬结核薄煤层的综合机

4、械化开采。综合机械化开采是解决煤炭生产效率低、劳动条件差的根本途径，是提高安全生产最有力的保障，煤炭生产的机械化、自动化是煤炭企业追求的目标，也是北宿煤矿多年来努力奋斗的目标，对于提升北宿煤矿生产技术水平，实现科学采矿、绿色采矿具有十分重要的作用。1.2矿井地质概况北宿煤矿于1976年建成投产，年设计生产能力45万t/a，设计服务年限70年。2006年度矿井核定生产能力为100万t/a。本矿区主要含煤地层为上石炭统太原组，地层厚度114.62184.02m，平均160.52m。共含煤16层，平均总厚度5.97m，含煤系数3.7%。可采煤层为15上、16上、17、18上四层，总厚度1.814.9

5、1m，平均3.38m，含煤系数2.1%。其中16上、17层煤为全区可采，15上、18上层煤为局部可采。各煤层特征、顶底板特征参数见表1.1、1.2。 项目 煤层厚度（m）稳定程度煤层结构夹石可采情况煤层间距(m)岩性及形态厚度（m）部位15上0.31.100.69极不稳定简单呈透镜状黄铁矿结核<0.10不定局部可采27.1845.5236.629.4516.8512. 623.409.355.3416上0.601.220.92稳定简单黄铁矿结核炭质细砂岩<0.28<0.21不定中下部全区可采170.571.240.96稳定简单黄铁矿结核炭质细砂岩<0.16<0.1

6、8不定中下部全区可采18上0.341.150.76不稳定较复杂至复杂铝质泥岩(层状、似层状，13层)0.050.68中上部局部可采表1.1 煤层特征一览表表1.2 煤层顶底板特征一览表煤层岩性厚度(m)稳定性力学性质及结构特点层间距（m）15上顶板灰岩或粉砂岩有相变厚度薄、岩性坚硬、具韧性、性脆弱底板中砂岩7.1919.45稳定顶部含铝质泥岩，较坚硬，顶部与煤层间夹01.65m的铝质泥岩16上顶板灰岩稳定致密坚硬，富韧性，底部发育多层炭质薄膜，波状层理，构成弱结合面底板铝质泥岩0.551.29稳定含砂质17顶板灰岩或粉砂岩有相变灰岩坚硬、韧性大，粉砂岩、岩性脆弱，节理较发育底板铝质泥岩0.52

7、.5稳定坚硬，遇水膨胀松散，节理较发育18上顶板粉砂岩0.84.8稳定岩性脆弱，节理裂隙较发育底板铝质泥岩0.2511.26稳定遇水膨胀松散，塑性强，有时含薄层硅质砂岩，质坚硬，可达六级北宿煤矿现主采16上及17煤。煤层产状平缓，倾角3°9°，平均6°，褶曲发育。煤硬度系数f=1.252.5。截至2010年底，矿井资源储量为7725.8万t，其中基础储量为3186.9万t，资源量为4538.9万t；储量为1454.8万t（其中16上煤资源储量为1717.5万吨，其中基础储量为1266.5万吨，资源量为451.0万吨；储量为563.3万吨。17煤资源储量为2487.

8、9万吨，其中基础储量为1920.4万吨，资源量为567.5万吨；储量为891.5万吨）。1.3 煤层赋存条件对比北宿煤矿位于兖州煤田的南部，赋存条件与南屯煤矿相似，但和位于煤田北部的杨村煤矿有所差别，表1.3是北宿煤矿与杨村煤矿薄煤层赋存条件的对比。表1.3北宿煤矿与杨村煤矿薄煤层地质条件对比煤层地质条件北宿煤矿杨村煤矿备注17层煤顶 板第十一层灰岩，单向抗压强度115.36MPa，常相变为粉砂岩、页岩、泥岩。灰色第十一石灰岩为主，单向抗压强度为163MPa易相变为粉砂岩、泥岩，底 板铝质泥岩，具膨胀性，厚度0.52.5铝质泥岩，具膨胀性，厚度0.701.50m煤层厚度(m)0.571.24，

9、平均0.960.701.92，平均1.05煤层硬度系数f=1.252.5f=1.4硬夹矸块度、层位结核体220×160mm椭球体，层位不稳定；中、下部含炭质细砂岩夹矸，厚度0.18m结核体200×120mm椭球体，夹矸厚度0.040.44，平均0.15，层位在中、上部硬夹矸硬度系数硫化铁结核f=8.6硬夹矸f=7f=8.416上层煤顶 板十下灰岩，单向抗压强度116.76MPa十下灰岩，单向抗压强度156.9235.347MPa，因底部含有泥质，抗压强度降底为102.96MPa。底 板铝质泥岩，具膨胀性厚度0.551.29铝质泥岩，具膨胀性厚度0.772.40m煤层厚度(m

10、)0.601.22，平均0.920.71.72，平均1.16煤层硬度系数f=1.252.5f= 1.3硬夹矸块度、层位结核体330×280mm椭球体，层位不定；中下部含炭质细砂岩夹石，厚度0.21m。结核体300×200mm椭球体，夹矸厚度0.020.44平均0.185m，层位在中、上部硬夹矸硬度系数硫化铁结核f=10硬夹矸f=7结核体f=8.9通过表1.3可以看出，北宿煤矿与杨村煤矿16上和17层煤赋存条件存在较大的差别，煤层厚度更小，煤层、结核、夹矸硬度更大，夹矸厚且分布于煤层的中下部，这些因素增加了综采机械化的难度。因此，以杨村煤矿薄煤层成套装备应用于北宿煤矿，在成套

11、装备的适应性、采煤机的截割能力、截割方式以及采煤工艺等诸多方面尚需做进一步研究。 1.4目的和意义（1）本项目的研究，可进一步完善1m以下含坚硬夹矸薄煤层安全高效综采技术与成套装备，实现矿井由炮采向综合机械化开采的转型，使矿井生产安全、高效、集中化，对于实施薄煤层开采可持续发展战略，创建资源节约型企业具有重要的现实意义。（2）使薄煤层采煤工作面生产环境得到极大改善，安全生产的可靠程度得到极大提高，把采煤工人从繁重的体力劳动中解放出来，达到创建“本质安全型”矿井的目的。（3）项目的实施，将大幅度提高薄煤层劳动效率和煤炭资源回收率，降低生产成本，提升矿井的技术水平，进而提高企业的经济效益和社会效益

12、。2 研究开发内容根据目前国内外综采技术的发展水平和杨村煤矿、南屯煤矿薄煤层机械化开采的先进经验，结合北宿煤矿1m以下、含大块状硬夹矸薄煤层的赋存特点，确定以下研究内容。2.1薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究1m以下含硬夹矸薄煤层机械化开采的主要问题在于受空间制约，采煤机的功率和强度无法做到足够大，致使对硬夹矸实行直接截割的能力受到了严重限制。在空间有限的情况下，需要对薄煤层矿山压力显现规律进行研究，选择合理液压支架工作阻力，既能对采场顶板进行有效控制，又能充分利用矿山压力压酥煤体，达到降低硬夹矸截割难度的目的，同时为确定采煤机截深提供科学依据。（1）薄煤层及夹矸物理力学参数测

13、试；北宿煤矿薄煤层煤体、硫化铁结核体、硬夹矸物理力学性质指标测定，主要包含抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、粘结力、内摩擦角、普氏硬度系数、密度。（2）含硬夹矸薄煤层综采支承压力分布规律与变化特征研究；（3）含硬夹矸薄煤层在矿山压力作用下煤壁破坏规律及合理支架工作阻力、采煤机截深的研究。2.2主要配套设备的选型、参数优化及整体配套研究在目前杨村煤矿薄煤层综采成套装备的基础上，通过对北宿煤矿地质条件、工作面参数的分析，进一步对采煤机、刮板运输机、液压支架三种设备的技术参数进行优化，扩大成套装备的适用范围，最大限度地满足生产需要，以实现安全、可靠、高效、低耗的目标。（1）工作面开采工艺参数的选取；（2

14、）工作面成套设备参数确定和选型；（3）工作面总体配套方案研究；（4）矮机身、大功率薄煤层采煤机设计优化。2.3薄煤层综采工作面巷道布置及远距离供电、供液技术研究北宿煤矿建矿以来一直采用炮采方式生产，其工作面巷道布置形式与机械化开采有着较大区别。为满足设备配套使用及安全间隙要求，通过对设备布置方式及设备外形尺寸的分析，结合对煤层顶板稳定性和实施远距离供电、供液系统的分析研究，确定合理的巷道布置及供电、供液系统。（1）薄煤层综采工作面巷道布置与支护方式研究；（2）薄煤层综采工作面远距离供电、供液技术研究。3 项目总体经济技术指标（1）工作面产能：工作面月产达到3万吨，年产30万吨以上。 （2）设备

15、可靠性：非人为因素，机电设备事故率不超过6小时/万吨（按月周期统计）。（3）减人提效：用人减少50，工作面产量提高50。项目最终目标：实现北宿煤矿薄煤层机械化开采，各项指标均达到国际先进水平。4 关键技术及创新点本项目的关键技术为：在1m以下富含硬夹矸的煤层条件下，科学合理地平衡配套设备（采煤机、刮板输送机和液压支架）之间的几何参数与设备能力之间的关系，特别是在保证人员工作空间的前提下，既要优化减小采煤机的外形尺寸，加大过煤空间、过机空间，又要保证采煤机有足够的落煤（硬夹矸）能力和可靠性。创新点：（1）矮机身薄煤层滚筒式采煤机大功率截割系统研制；（2）薄煤层工作面远距离供电、供液技术。5 研究

16、或研制开发的技术路线，实施方式、方法、步骤5.1技术路线调研、消化国内外薄煤层工作面设备技术总结杨村煤矿薄煤层机械化开采的成功经验研究提出北宿煤矿薄煤层机械化开采工作面设备配套方案和关键装备设计方案进行方案论证设备设计制造相关试验工艺方案优化工业性试验验收。5.2 实施方式、方法、步骤 本课题采用矿、院、厂相结合的方法，分工协作，共同完成本课题的研究任务。 具体步骤如下：（1）调查研究国内外同类地质条件下综合机械化采煤工作面及综采设备的现状、存在问题及发展趋势，提交项目可行性论证报告；（2）分析目前国内外高产高效工作面的特点及技术装备情况，总结杨村煤矿薄煤层机械化开采的成功经验，结合北宿煤矿煤

17、层赋存条件，确定项目实施地点、工作面布置及设备选型原则；（3）研究设计工作面配套设备的初步方案，广泛论证，深入探讨，确定设备的最终方案及其主要参数；（4）完成工作面总体配套设计；（5）样机试制、评审及试验，完善设计；（6）设备验收并进行地面联合试运转；（7）井下工业性试验；（8）完成项目验收。6 技术方案6.1 薄煤层矿山压力显现规律及降低硬夹矸截割难度的研究实验室物理力学参数测试课题组从试验面1674工作面顺槽掘进面现场进行样本采取，按测试标准进行煤、岩物理性质指标的测定，为研究1674工作面矿压规律、合理截割深度及支架工作阻力确定提供依据。岩石物理力学性质参考指标，如表6.1所示。表6.1

18、 岩石物理力学性质指标表岩石名称天然视密度/Kg/m3天然含水率(%)抗拉强度/MPa抗压强度/MPa凝聚力/MPa内摩擦角/°坚固性系(f)17煤14162.981.2318.323.25371.917煤夹矸26461.154.8370.955.7846717煤结核体29950.509.8976.413.58518.617煤灰岩顶板28000.609.04115.3610.384911.517煤泥岩底板26312.352.0844.363.02414.2现场测试 （1）测试内容工作面煤壁破坏区深度的钻孔钻屑量测试；工作面煤壁采动裂隙发育深度的钻孔窥视仪测试；煤壁受力与液压支架工作阻

19、力的关系测试（液压支架调压试验）；支架工作阻力监测。（2）测区布置测区布置如图6.1所示图6.1 测区布置示意图（3）煤壁受力与液压支架工作阻力的关系测试方法通过调压试验了解液压支架工作阻力与煤壁支承压力之间的关系，研究液压支架工作阻力对煤壁破坏的影响，得到顶板支护与煤壁破坏的平衡位置，确定合理的液压支架工作阻力，达到最好的煤壁压酥破坏效果，为采煤机割含硬夹矸煤层创造更好的条件。采用钻孔应力注液探测单元进行测试，探测单元长度1.5m，传感器置于应力单元的高压橡胶管内，注液探测单元布置在工作面煤壁中，探测煤壁应力变化。在探测煤壁受力的同时同步监测支架工作阻力，通过双通道压力接收器传感器实时接受和

20、存储探测单元的压力和液压支架支柱工作阻力，如图6.2所示。红外线采集器集中采集数据，配套计算机软件进行数据的分析处理。图6.2 调压试验示意图薄煤层综采工作面煤壁破坏规律的数值模拟.1 几何模型本次计算模型的设计几何尺寸为：130m(长)×70m(高)。以研究薄煤层工作面所在的17煤层底板上方50m岩层处作为上边界，17煤层底板以下20m作为下边界，采空区范围的宽度为70m。.2数值模拟方案根据北宿煤矿1674工作面的地质条件和地层综合柱状图，建立相应的数值计算模型，模拟研究支架工作阻力与工作面顶板控制、煤壁破坏的基本规律，采用以下二个方案进行模拟：方案一：以1674工作面为基本条件

21、基础，模拟研究1674薄煤层综采工作面煤壁破坏的基本规律，并对有、无硬结核进行比较，分析其对煤壁破坏规律的影响程度。模型的主要参数为：煤层普氏系数为1.9，当含硬结核时，结核普氏系数为8.6，煤层厚度为1.0m，埋深为300m，支架工作阻力为2600kN。上边界载荷按埋深250m计算，在模型上边界加载荷6.25MPa。方案二：以1674工作面基本条件为基础，模拟研究支架工作阻力变化对薄煤层综采工作面矿山压力分布与顶板控制、煤壁破坏的影响。模型的主要参数为：煤层普氏系数为1.9，煤层厚度为1.0m，埋深为300m。其中支架阻力分别以1800kN、2200kN、2400kN、2600kN、3000

22、kN、3400kN、4000KN六种情况进行数值模拟。薄煤层综采面煤壁破碎区特征及合理支架工作阻力分析.1 薄煤层支承压力与煤壁破碎区特征理论分析通常把煤壁前方的支承压力范围划分为非弹性区和弹性区两个区域，如图6.3所示。A减压区；B增压区；C稳压区；D非弹性区（极限平衡区）；E弹性区图6.3 支承压力分区1）非弹性区范围及支承压力分布非弹性区通常也叫极限平衡区，对于极限平衡区可按图6.4所示的关系建立极限平衡方程 （6-1）式中，f层面间的摩擦系数，为顶底板与煤层间的摩擦角；m采高，m；垂直应力（即支承压力），Mpa；水平应力，Mpa。图6.4 采场前方极限平衡区的受力状态 根据式（6-1）

23、，可以得到： (6-2） (6-3）2）破碎区及塑性区的计算非弹性区根据煤体的破坏程度不一样，可以划分为破碎区和塑性区两部分。煤层顶底板在塑性区的弯曲变形很小，塑性区煤体压缩呈线性变化，有下式成立 (6-4）式中，垂直方向弹性应变； 弹塑性交界处（压力高峰）至煤壁的距离，m； 塑性区煤体应变梯度，为塑性区煤层顶底板变形角之和。 由此可以求得破碎区范围为 (6-5） 3）弹性区煤层弹性区支承压力分布各种研究结果是基本一致的，均为随距煤壁距离的增加而衰减的负指数曲线，其具体表达式为： (6-6）式中，最大集中压力增量系数，； 支承压力衰减系数，由地质条件决定。.2 1674工作面煤壁支承压力及破碎

24、区计算根据1674试验面的具体条件，并参照同煤层相邻工作面或相邻煤矿的有关数据，1674试验面前方支承压力及煤壁破碎区计算所需计算参数如表6.2所示：表6.2 支承压力分布及煤壁破碎区计算参数煤层与顶底板的摩擦角/0内摩擦角/0采高h/m煤体残余强度/Mpa集中系数k密度/MN/m3煤层埋深H/m10350.961.02.20.0263001）非弹性区支承压力分布与非弹性区范围把表6.6中的参数代入式6-2，得到非弹性区支承压力分布曲线为： (6-8） 取不同的x值，计算得到非弹性区支承压力值图6.5所示。图6.5 非弹性区支承压力分布计算参数代入式6-3，即得到非弹性区的范围为：，m (6-

25、9）2）弹性区支承压力分布把、H、k及等参数代入式6-6中，即得弹性区支承压力分布 (6-10）由此得到采场前方支承压力分布，如图6.6。图6.6 工作面前方支承压力分布3）煤壁破碎区及塑性区计算根据式6-5计算煤壁破碎区范围， 参照1674的条件选取计算参数如表6.3所示：得到破碎区范围为：，m表6.3 计算参数顶底板变形角和/0软化模量M0/Mpa单抗强度Rc/Mpa单抗残强/Mpa采高h/m28005.861.80.96 合理截深分析根据上面的理论分析计算，在支承压力作用下，靠近煤壁约0.7m范围内的煤层强度显著降低，在一定程度上被压酥，对滚筒割煤有一定帮助。但滚筒割煤时如遇到大块结核，

26、要让结核在滚筒作用下剥离滚落出来有一定的难度。所以，滚筒一次截割深度应控制在0.6m以内，截割深度不宜过小，当截割深度过小时，如遇西瓜般大小的大块结核，结核的直径超过截深，则结核的剥离更加困难。综合考虑薄煤层支承压力对煤壁造成的破坏作用和破坏范围、结核大小，截割深度以0.6m为宜。工作阻力对煤壁应力的影响为分析支架工作阻力对支承压力与煤壁应力的影响，建立的力学模型如图6.7所示。(a)断裂前；(b)断裂后图6.7 顶板断裂前后的力学模型假设图6.7力学模型为近似满足Winkler弹性地基假定，即 (6-11）式中，p作用在煤层上的由于采动所造成的扰动附加应力；y顶板的竖向位移；kWinkler

27、地基系数。根据图6.7的力学模型，顶板垂直位移公式6-11可简化写成 (6-12）其中， (6-13） (6-14） (6-15）式中，顶板岩石的内摩擦角。则， (6-16）由此可见，在支架作用下的直接顶运动对煤矿壁前方产生的附加扰动应力为按照负指数 规律衰减的余弦函数。根据计算结果，顶板运动产生的扰动应力为 (6-17) 根据式6-17，悬露顶板运动在煤壁前方产生的扰动应力如图6.8所示。图6.8扰动应力p在工作面前方煤体中的分布支架工作阻力对煤壁前方煤体产生的扰动应力影响（x=0m处），如图6.9所示。00.40.81.21.622.42.83.2020004000600080001000

28、0支架工作阻力(KN)扰动应力(MPa)图6.9 支架工作阻力对煤壁应力的影响（x=0m处）根据图6.8可知，在支架工作阻力2600KN时，顶板运动在煤壁前方的影响程度在15m以后迅速减弱，超过20m以后就很小了，因此采动影响显著影响距离为15m，超前支护范围20m是足够的。从图6.9可以看出，支架阻力对煤壁应力有较明显的影响，大致呈线性关系，支架工作阻力越小，直接顶运动产生的附加应力越大。因此，工作阻力确定的原则为在保证顶板控制的前提下尽可能降低工作阻力。.1 1674矿压参数的确定根据理论分析计算和相邻工作面实测结果，1674工作面矿压参数如表6.4所示。表6.4 试验工作面矿压参数值表序

29、 号项 目单 位同煤层实测本面选取或预计1顶底板条件直接顶厚度m1.201.20基本顶厚度m1.041.04直接底厚度m1.211.212直接顶初次垮落步距m102010203初次来压来压步距m15241524最大平均支护强度kN/ m2302302最大平均顶底板移近量mm162162来压显现程度明显明显4周期来压来压步距m512512最大平均支护强度kN/m2272272最大平均顶底板移近量mm134134来压显现程度较明显较明显5平时最大平均支护强度kN/ m2302302最大平均顶底板移近量mm1281286直接顶悬顶情况m06067底板容许比压MPa65658直接顶类型类类类9基本顶级

30、别级类类10巷道超前影响范围m2020.2 按顶板运动参数计算1）直接顶初次垮落期间（0Lz） (6-18）式中 Lk控顶距，3.357+0.42=3.777m（顶梁长3.357m，空顶距0.42m）； Mz直接顶厚度，3.32m； Lz直接顶初次垮落步距，取14m计算； 直接顶密度。则：，N/m2 2）老顶初次来压期间（LzC0） 式中 ，分别为老顶厚度、密度和初次来压步距；KT岩重分配系数，受直接顶厚度与采高之比N的控制。一般条件采场的KT可按下表6.5选取。表6.5 KT选取表NN11<N2.52.5<N5N>5KT22N38（N-2.5）+510 000N1时，表明直

31、接顶很薄，坚硬老顶来压猛烈，支架必须承担初次来压步距内1/4的岩重。1<N2.5时，表明采空区充填一般，顶板下沉量和来压强度随N的增加而线性减小，需承担的老顶作用力也越来越小。2.5<N5时，表明采空区基本充填满，几乎可以不考虑老顶的作用力。N>5时，表明垮落直接顶与老顶实，支架可完全不考虑老顶的作用力。当悬顶距Ls2m时， (6-19） ，N/m2则相应的支护强度：N/m2=0.245MPa3）老顶周期来压期间由于周期来压显现不强烈，对老顶岩梁的控制无特殊要求，支柱对老顶岩梁采取“给定变形”的工作方案，支护强度由下式求出： (6-20）式中：C周期来压步距； KT老顶作用力

32、分配系数，一般KT=2。则：=2.31105N/m2=0.231，Mpa。 .3 支护强度计算1）按岩重法计算按支架承担10倍采高的煤（岩层）重量来计算支架的工作阻力：P10×h×r10×0.96×27259kN/ m2=0.259，MPa式中：P工作面合理的支护强度，kNm2； h采高，m。r顶板岩石容重，kN/m3，取27 kN/m3。2）按顶板分类法计算按照中华人民共和国煤炭工业部工业标准缓倾斜煤层工作面顶板分类（MT554-1991）附录D“顶板分类对液压支架额定支护强度的要求”，按各级老顶必须的额定支护强度下限公式得 (6-21）式中，、和分别

33、为煤层采高、老顶初次来压步距、控顶距和充填系数（直接顶厚度与采高之比）。各值按不利条件取值，代入公式得到：362.5KN/m2=0.3625MPa综合上面的各种计算支护强度取最大值，得到支护强度为0.3625MPa。.4 初撑力与工作阻力的确定根据上面的计算，17煤层需要的支护强度应不低于0.3625MPa。按支架中心距1. 5m，控顶距3.777m计算，则每架支架的工作阻力为P。P=p×s=p×B(L+b)=0.3625×106×1.5×3.777=2053744N/架=2054kN/架，取2400kN/架或2600KN/架。式中：s支护面积

34、，m2；B支架中心距，m；L顶梁长度，m；b端面距，m。对于掩护式支架，初撑力应尽量高些，初撑力应不小于工作阻力的85%，即支架初撑力应大于： P0>0.85P=0.85×2400（2600）=2040（2210），kN/架 6.2工作面开采工艺参数的选取 工作面概况北宿煤矿含硬夹矸薄煤层机械化开采首采工作面为1674工作面。1674工作面位于北宿煤矿十六采区中上部西翼，地面标高40.141.47 m,平均40.79 m ；工作面标高-220.7-242.5 m，平均-231.6m。该工作面沿走向布置，走向长度808m，倾斜长度160m，煤层倾角3°9°，平

35、均6°，煤层厚度0.881.19 m,平均0.96 m，可采储量15.32万吨。工作面煤层结构简单，赋存稳定，厚度变化不大，为半亮型煤，玻璃光泽，中条带状结构，含黄铁矿结核，局部夹粉砂岩条带。煤层变异系数为12.2%，煤层普氏系数（f）1.252.5。煤层直接顶为01.3m的十一灰岩，灰白色，含泥质、粗糙，有纺锤虫化石，常相变为粉砂岩，普氏系数（f）10.1911.46，抗压强度115.36Mpa；老顶为1.272.96m的粉砂岩，块状、易碎含根化石，普氏系数（f）4.06.0，抗压强度56.08MPa。直接底为1.261.3m的铝质泥岩，致密，富含植物化石，遇水膨胀，普氏系数（f）

36、4.20，抗压强度为44.36Mpa；老底为2.402.44m的粉砂岩，性脆，含细砂质岩性不均一，缓波状水平层理为主，含植物化石，普氏系数（f）4.08.0，抗压强度56.08MPa。工作面布置平面如图6.10所示。图6.10 1674工作面平面布置示意图6.2.2工作面开采工艺参数的选取1）落煤机械型式选择薄煤层综合机械化开采落煤机械上主要有滚筒式采煤机和刨煤机两种形式，通过研究分析与实验，刨煤机不能对块度大的硫化铁硬结核体进行有效地切割剥落，煤层赋存地质条件复杂的薄煤层综采工作面应选择滚筒采煤机作为落煤机械。2）采煤方法及回采工序工作面采用长壁综采一次采全高全部垮落法采煤。回采主要工序为：

37、采煤、推溜、移架、端头维护、设备维护等。工艺流程是：割煤移架推移刮板输送机铲装煤。3）采煤机进刀方式如图6.11(1)、(2)所示，采用端部斜切进刀，即采煤机割完一刀煤到机尾，左滚筒进入顺槽(面向煤壁方向)，向下（上）推移刮板输送机，保持刮板输送机弯曲段为15m。变换滚筒位置(原来分别割顶、底煤的滚筒相互变化)，向上（下）进刀，通过15m的弯曲段至25m处，使得采煤机达到正常截割深度，随后将进刀位置处的刮板输送机推移至平直状态；如图6.11(3)、(4)所示，之后采煤机返回向下割三角煤，此时，抬起前滚筒割顶煤，落下后滚筒割底煤，直到回采工作面下端，形成缺口。割煤到位后，再变换滚筒位置向溜尾方向

38、正常割煤；如图6.11(5)(8)所示，采煤机到溜尾后，进刀方式与溜头相同。图6.11 采煤机进刀方式示意图4）采煤机正常割煤割煤时采用双向割煤方式，前滚筒在下部沿底板割底煤，后滚筒在上部沿顶板割顶煤，直至割透上（下）端头煤壁，工作往返一次进两刀；液压齿轮销排无链牵引，采取手动、遥控与记忆割煤相结合的操作方式。自动分段遥控时，由工作面两端部向内分别按20架（采煤机斜切进刀段）划为两段，中部剩余支架按数量均分为两段，工作面共分为4段。每段配备2名采煤机司机（兼液压支架工），1人负责采煤机前滚筒、1人负责后滚筒，在段内先行割煤，使用遥控器跟机作业；至下一分段处，与下一段操作人员不停机交接采煤机后，

39、再进行本段内推溜、拉架、底板清理工作；完成后，在段内等待下一生产循环工作。如此连续进行工作面全长作业。5）支护与移架方式工作面选用两柱掩护式液压支架支护顶板，及时支护方式，电液控制邻架操作。上、下巷端头采用端头支架支护顶板，煤壁以外采用单体支柱进行超前支护顶板。6）采高为保证采煤机底部有适当的过煤高度，便于硫化铁结核和一定块度硬夹矸的顺利通过，并综合考虑采煤机、液压支架、刮板输送机三者配套的合理安全间距，确定最小采高900mm。7）截深对一般薄煤层而言，由于工作条件困难，采煤机牵引速度较低，为了达到较高的生产能力，普遍采用加大采煤机截深的方法。但由于煤层中富含硫化铁结核和大块度硬夹矸，并且其硬

40、度系数f值分别在8.6、7以上，如若单纯靠截齿硬行将其破碎采出，存在极大的难度。本项目解决这一问题的思路是：一是在有限的空间内尽可能增加采煤机截割功率的基础上，加大采煤机滚筒的转动惯量，靠高冲击下的煤层中剥离和破碎，实现对硫化铁结核和硬夹矸的采出；二是，借助矿山压力对煤壁的压酥作用，降低采煤机直接截割的难度。如选择较大截深，则会大大增加截割能耗，影响对硫化铁结核和硬夹矸剥离和破碎的效果，并且极易造成采煤机稳定性差，机器故障率增加。通过认真分析工作面地质条件和设备配套情况，结合矿山压力对煤壁压酥作用的影响范围，确定截深为0.6m。8）采煤机牵引速度采煤机牵引速度的选择，应同煤层地质条件及生产技术

41、相一致，同时还具有一定的富裕度。根据所开采煤层中硫化铁结核和硬夹矸的分布状况、硬度及块度的实际情况，以及薄煤层开采中工人无法以较快的速度跟机操作等客观因素的限制，采煤机正常割煤时牵引速度选定为2.53.5m/min。9）工作面产量计算（以工作面面长160m为例）“三八制”作业，每日三班生产，中班半个班时间检修，每班工作8小时。每日按10个循环组织生产，生产班每班4个循环， 检修班2个循环，每个循环进尺0.6m，日进尺6m，月工作日29天，正规循环率90%，则： 循环产量：160×0.96×0.6×1.3=120(t) 日产量：120×10×90

42、%=1080（t） 月产量：1080×29=31320(t) 月进尺：6×29×90%=156.6m6.3工作面设备选型配套6.3.1设备选型配套原则截割、运煤及支护是综采工作面的主要生产环节，其设备的结构型式、尺寸参数、生产能力、可靠性等是综合机械化开采成功的关键，应根据煤层赋存及矿井生产技术条件进行选型和配套，为保证复杂结构薄煤层工作面设备选型和配套取得最佳效果，应符合以下原则：(1) 以复杂结构薄煤层工作面设计年生产能力和工作面参数作为设备选型与配套的第一原则，同时还应与中长期生产目标有机结合。(2) 可靠性、适应性、实用性相结合，先进性与可靠性并重，尽可能

43、提高设备的自动化水平，降低劳动强度，充分实现人性化、改善作业条件，保障人员和设备处于优化状态。(3) 设备选型和配套与采区及工作面地质条件相适应。各机配套形式、技术性能及尺寸合理，各设备优化配置。(4) 煤流系统能力相互匹配，以工作面设备能力为基础，形成一条配套生产能力由工作面向外的“喇叭口” 煤流系统，避免出现“瓶式”配置。6.3.2 采煤机选型薄煤层要实现综合机械化高效开采，采煤机是关键设备之一，尤其是复杂地质结构的薄煤层，采煤机的性能又是决定性的因素。从MG110/250-BW型液压牵引采煤机在杨村煤矿应用效果来看，采煤机单侧110KW截割功率基本满足要求，电气控制系统经升级改型后能够在

44、强震动工况下可靠运行，但液压牵引系统为故障多发点，主要表现在双行星传动机构和主泵性能两个方面。双行星传动机构经过进一步优化齿轮材质和啮合型式，使用效果有所改善。主泵为进口德国力士乐公司产品，现场使用中出现主轴断轴、泄漏量大等现象，通过对主轴结构的改进，主泵运行可靠性大为提高。考虑到北宿煤矿为首次应用综采生产，采煤机又是实现含硬夹矸薄煤层机械化开采的关键设备，在其选型配套上应该将设备的成熟性、可靠性、操作维护简易性摆在第一位。为此，采用以成熟的MG110/250-BW采煤机为基础机型，对其截割系统进行扩容、优化的MG2×70-310BW型液压牵引采煤机。.1 采煤机主要参数的确定1）采

45、煤机滚筒的选择 滚筒直径可按下式计算：DHmin(0.10.3)m式中：Hmin最小煤层厚度，取最小采高为0.9m。采用双滚筒，可以一次采全高、双向采煤、自开缺口，能够适应煤层厚度的变化，机器稳定性好。根据成套装备适应的采高范围和采煤机有一定的卧底切割能力，在保证截割部强度的基础上，将滚筒直径确定为800mm。 滚筒宽度的选择为提高滚筒截齿对硫化铁结核和硬加矸剥离和破碎的实际效果，加大滚筒转动惯量，并考虑滚筒装煤效果，滚筒宽度确定为630mm。2）过煤空间尺寸的确定过煤空间尺寸的确定主要是考虑硫化铁结核体和一定块度的夹矸能否顺畅通过机身，尽量减少停机分矸的时间，总体平衡采煤机机面高度、装机功率

46、和过煤空间三者的关系，确定采煤机机身下面的过煤空间不小于200mm。3）机身高度的确定在机身高度确定时，要考虑到支架顶梁厚度、顶板下沉及底板起伏情况，同时还要求机身尺寸要短小，以便更好地适应煤层起伏。薄煤层机械化开采工作面，由于其本身空间小，在采煤机、运输机、液压支架这三者配套中，任何一者外形尺寸的减小，都可为其它二者在结构设计上留有更大的余地。通过对采煤机各部件布置和选型的优化，使采煤机本体机身厚度控制在310mm以内，与运输机配套机身高度控制在670mm以内。4）装机功率的选择装机功率是衡量采煤机生产能力和破煤能力的综合性参数。考虑到加大截割功率是实现硫化铁结核和硬加矸剥离和破碎的最直接而

47、有效的手段，故在满足配套设备空间尺寸的前题下，通过优化截割电机设计，在目前技术水平条件下将单电机功率提高至70KW，单侧截割功率达到140kW，较250采煤机提高了27%，整机装机功率310kW。.2 采煤机主要性能特点（1）采用整体铸造机身，强度高、刚性好，无对节松动问题。主机架厚度310mm，在工作空间有限的条件下，增加了过机空间和过煤空间。345mm，实现小机身薄煤层采煤机摇臂电机功率的最大化。（3）摇臂齿轮件采用了抗冲击力强的低炭铬镍合金钢20Cr2Ni4，加工精度等级达到766级，使得齿轮强度及抗冲击能力得到保证。关键部位轴承和密封均采用进口件。（4）采用变量泵定量马达液压调速技术，

48、实现牵引速度无级调速。（5）液压系统为干式泵箱结构，选用进口集成式主泵和马达、液压比例换向阀，简化了泵箱结构，提高了液压控制灵敏度和可靠性。（6）采煤机具有自动分段遥控和记忆截割功能，减少工作面工人的劳动强度，增加煤矿井下操作的安全性。（7）在截割部设有可靠的扭矩轴机械保护，电控系统具有截割重载遇阻降速及电机超温、电机过载、瓦斯超限、水电闭锁等保护功能，通过显示屏实现人机对话。（8）通过加重机器重量、优化滚筒设计、滚筒转向采用正向对滚方式和对电气系统在固定、防松方面采取有效的防震措施，提高采煤机的抗震能力。（9）采煤机配备重型滚筒，截齿座和截齿特殊加工焊接，提高了强度和耐冲击能力。（10）采煤

49、机电控系统采用主控器型式，主要控制单元集成安装在一个箱室内，在工作面采空侧可整体抽出，便于维修。.3 MG140/310-BW采煤机主要技术参数采高范围： 0.81.6m适应煤层倾角:15°机面高度： 664mm （刮板输送机槽高220mm）摇臂回转中心距： 3995mm导向轮中心距： 3460mm摇臂水平中心距： 6694mm装机功率： 4×70+30=310KW牵引调整方式： 液压无级调速牵引行走型式： 摆线轮销轨式无链牵引牵引功率： 30KW供电电压： 660/1140V牵引力： 160KN牵引速度： 05m/min截割功率： 2×70=140KW滚筒直径：

50、 800mm滚筒截深： 630mm滚筒转速： 91.1r/min操纵方式： 跟机、摇控机器重量： 16000kg工作面倾角 35°操作方式 手动控制及离机遥控液压支架结合北宿煤矿煤层地质条件和对矿压显现规律的分析研究，液压支架选用目前薄煤层综采成熟架型ZY2600/6.5/16两柱掩护式液压支架。.1支架的主要特点1）主体结构件采用Q690、 Q550 高强板，有效地减小了结构件的断面尺寸，提高了强度，确保了支架高可靠性。2）设计了双伸缩+辅助机械加长段的立柱结构，辅以特制底阀，增加了支架的调高范围，又保证立柱足够的支撑效率。3）采用整体顶梁结构，顶梁前端采用50mm厚整体高强板且上

51、翘30 mm，有利于顶梁更好地接顶和增加过机空间。4）底座为封底式刚性结构，底板比压小，底座前部（含中裆）均有上翘量，底座后部开档460mm，推杆为板式结构，在高度空间很小的情况下具有一定的排煤效果。5）配有自动抬底装置，有效解决了薄煤层封底式液压支架拉移时易啃底所造成的移架困难。6）采用新颖的铰接连杆式底调机构，有效提高了侧调力，可两侧灵活安装。7）采用双前连杆、双后连杆结构，有效地减小了空间占用，增强了抗拉、抗压及抗扭能力。 8）采用1个140/80的平衡千斤顶，布置在立柱中间位置，千斤顶调节能力大，能较好的适应顶板合力作用点位置的变化。9）立柱、千斤顶密封件选用进口材料、国内切削制造的聚胺脂密封