采煤工作面设计选型设例

1、采煤工作面设计选型设例本节以某长壁大采高综采工作面为例，说明设备的选型与配套设计。条件：该矿设计年产400万的。根据矿井条件，经过选型计算，拟定采用长 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。1综采工作面选型配套原那么从高产高效、一井一面、集中生产的综采开展新趋势要求出发，必须增大工作面 设计长度，加大截深，选用能切割硬煤的特大功率采煤机组，提高割煤速度，相应地 提高液压支架的移架速度，与大运量、高强度的工作面运输机相匹配，机巷也必须采 用长距离大运量的胶带输运机。从设备技术性能要求出发，所选综采机械设备必须是 技术上先

2、进，性能优良，可靠性高，以保证综采设备的开机率，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工作面设备的选型(1)采煤机矿井设计以1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，综采工作面的日产量应在11 000 t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%,国内高产高效面先进水平一般在40%45%,引进国外设备按比国内先 进水平有所提高，而接近世界先进水平的原那么，取开机率为55%。确定采煤机的牵引速度v= (L-Li) / (Tx60-?xTi)(10

3、-8)式中v采煤机所需平均牵引速度，m/min；L为工作面设计长度，219.5 m；b 工作面生产时采用斜切进刀开机窝方式，开机窝长度取35 m：T工作面开机时间：14x55% = 7.7 h；一昼夜循环数，取8；T开机窝时间，取20 min。v= (219.5-35) / (7.7x60-8x20) =4.88 (m/min)EHP-3K200型泵和液箱。具体技术参数见表8。表8乳化液泵的技术参数及配套项（5）喷雾及冷却泵的选择。项 目技术特征项 目技术特征公称压力/ MPa31.5 35.7乳化液泵台数/台4 （3台工作，1台备用）公称流量/ Lamin-1309重量/ kg1200柱塞数

4、量/个3乳化液箱不锈钢电机功率/ kW200有效容积/L2500电压/V1140储液箱/ L2000采煤机喷雾冷却泵根据艾柯夫SL500采煤机水冷及喷雾系统水流量510 L/min,P = 40100 bar的要求选择德国豪森科公司生产的EHP-3K125型两泵（一用一备一箱，其技术参数见表9。表9喷雾泵技术参数项“三机”冷却泵项 目技术特征项 目技术特征公称压力/ MPa31.5 35.7预加压泵N45/3G公称流量/ L-min1309功率/kW7.5电机功率/ kW200电压/V1140重量/kg1500公称压力/ bar4水箱容积/L2200公称流量/ L/min620工作面运输机、转

5、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3.5 MPa,流量总和为90 L/min。因此只需配套无锡生产WPA-220/5.5冷却泵， 将静压力提高到3 MPa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。（6）供电系统及设备根据工作面设备的装机容量大（4707.5 kW）,走向长度长（2 0003 000 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6kV 供电。工作面电气设备选用

6、法国赛特公司生产的2台TEK1534-2000-6/3.45负荷中 心，低压侧4组合，分别供SL500采煤机和工作面刮板输送机；2台 TS1281-100006/1.2负荷中心(低压侧8组合)分别供转载机、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10o表10工作面电气设备技术特征设备名称容量/kVA电压/V电流/A低压侧组合开关 容量及回路数重量/kg数量负荷中心20006/3.45190/335450A3 路150002负荷中心10006/1.293/4

7、80450A7 路88002(7)胶带输送机选择机巷胶带输送机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、大型化方向开展。据有关 资料介绍，国外3 000-5 000 t/h高产高效矿井，顺槽胶带机主参数一般为:运距2 000 3 000 m,带速为3.54m/s,输送量2 5003 000 t/h,驱动功率为1 2002 000 kW。 对于长距离、大运量、高速度的胶带输送机，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，可伸缩胶带机尾必须能快速自移。经

8、分析比照选择 了澳大利业ACE公司的胶带输送机，其主要技术参数见表11。输送机主机采用PLC 控制CST软启动及外围设备控制胶带的液压自动张紧，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、风扇、 制动闸及胶带机运行状态及运行参数的监测与监控。表11胶带输送机主要技术参数项 目技术特征项 S技术特征输送量/Lamin,2500带宽/ m14(X)铺设长度/m2000驱动方式多点驱动提升高度/m70驱动功率/ kW2x400带速/ m/s3.5功率分配1 ： 11=1 ： 1驱动滚筒一级(P 1000 x1600托辐(pl52二级9 1032x

9、1600卸载滚筒(p9(X)x1600驱动装置形式CST软启动+逆止器拉紧滚筒6 个(p630拉紧电机30 kW （液压自动张紧控 制）带强PVG1800S卷带电机/ kW）22 （液压）（8）监测监控系统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3机 PROMOS监测监控系统和乳化液泵的PROMOS监测监控系统和顺槽胶带机的监测监 控PROMOS保护系统3个系统。工作面3机PROMOS监控系统通过编程可实现控制 开启3机冷却水控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 机和工作面运输机和“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

10、和工作面刮板机运输机机头、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、箱液位等进行保护。胶带机的PROMOS 控制系统具有开车预警，故障报警和机头、尾、中间语言通讯和急停闭锁功能。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 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。那么工作面的最大

11、牵引速度应为1.4x4.88 = 6.83 (m/min)按照计算，采煤机的实际截煤速度应到达67 m/min。空载时要求其速度不小于 12 m/min,以减少辅助工作时间。国外双高工作面的采煤机实际截煤速度普遍在8 m/min以上。最高达13mzmin,最大牵引速度已达31.8m/min。采煤机的功率W=60vBHkHw(10-9)式中 W需要的采煤机功率，kW；v 采煤机所需平均牵引速度，m/min；B工作面截深，取0.865 m；H采高，根据国外大采高设备能力，取5.0 m；k破岩能力系数，取1.4；Hw能耗系数(1.1 4.4),取33.5。卬二 60 x 4.88 x 0.865 x

12、 5.0 x 1.4 x (3 3.5)/3.6 = 1477.4 1723.6 (kW)国外采煤机牵引速度普遍比国内高，因此，功率需求普遍比国内大，且在遇地质 构造时还可以切割岩。因此,厚煤层大采高采煤机总功率一般应在1 700 1 800 kWo根据美国、澳大利亚等国高产高效工作面及国外几家主要采煤机厂家使用和生产 采煤机机型来看，当今世界采煤机开展方向已趋向交流电牵引采煤机，它以其技术先 进、控制操作灵活方便、易实现自动化等优点，逐步取代液压和直流电牵引采煤机成 为当前的主导机型。美国高产高效工作面交流电牵引采煤机占95%,澳大利亚、南亚 等国家也占到85%以上，国内神华矿区占90%以上

13、。采煤机技术方向是大功率、电牵 引、多电机、横向布置、大截深、快速牵引和实现微机工况监测和故障诊断以及高可 靠性和方便的维修性。设计矿井煤质较硬，普氏硬度/二4左右，有煤层构造。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。通过选型计算，结合工作面地质情况，选用德国 艾柯夫公司的SL500型交流电牵引采煤机，装备了强大的截割功率，牵引速度快并具 有很高的机械强度，可保证在厚煤层和坚硬截割条件下的安全使用。机身3段间采用 高强度液压螺栓连接，截割电机横向布置；整机采用16位微机MICOS68控制，具有 状态监测和故障诊断功能，并装备了自动化功能:采煤机在有人控制下截割1刀后， 其后的截

14、割就可以进行无人操作；限量控制卧底和采高，帮助操作人员作业。采煤 对Lffl过先导控制线或数据线可与顺槽主机进行数据传输，并可将数据传输到地面。采煤机的具体技术特征见表3。表3SL500采煤机主要技术特征表工程技术特征工程技术特征生产能力力h“4000（以 12m/min 牵 引时）牵引方式齿轨式无链交流电牵引最小/最大采高/m牵引速度/ m/min031.8滚筒直径/截深/mm2700/865牵引力/kN734卧底量/ mm640牵引功率/kW2x90/460 V切割硬度F=0液压泵电机功率/kW35/1000 V截割功率/ kW2x750/3300 V总装机功率/ kW1715(不包括破碎

15、 机)冷却方式水冷重量/t88(2)工作面可弯曲刮板输送机工作面刮板输送机的生产能力应保证采煤机采的煤被全部运出，并留有一定备 用能力。采煤机的实际生产能力比理沦生产能力低得多，特别是受设备开机率和液压 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，实际能力为：Q = 60HBVrC(10-10)式中 Q采煤机小时割煤量，t/h：Hb采高，5 m：V-采煤机实际牵引速度取，6m/min：y煤的容重，1.45t/m3。C-采煤机反向空牵引或清浮煤、割煤时的牵引速度，m/min；2 = 60 x5x0.865 X 6 X 1.45 X 0.9 = 2

16、 031 (t/h)那么刮板输送机输送能力应到达2 500 t/h。运输机的铺设长度和装机功率应依照工作面设计长度和采煤参数确定。初步计 算，功率应在1200 kW以上，结构应坚固耐用，机头结构为交叉侧卸式，驱动装置垂 直布置，中部槽为整件铸造槽帮，封底结构，双中链链条不小于2x34 mm,机尾可 以实现自动张紧链条，应采用软启动方式驱动，电脑控制。根据上述原那么选择DBT 公司PF4/1132工作面刮板输送机，其主要技术特征见表4。表4PF4/1132刮板输送机主要技术特征表运输机的CST的驱动控制有半自动和全自动2种方式，由1台PROTEC电脑连接到 每1台驱动部，用于控制安装在减速器内的

17、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，可通过小型控制 站监视电机功率等,实现载荷均匀分布和尺链过载保护等,遇冲击载荷时离合器别离。 数据扫描器能处理17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。运输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。项 目技术特征项 目技术特征运输能力/ th2500链形式双中链电机功率/ kW2x7(X)链中心距/ mm165供电电压/V）3300链速/

18、m/s1.28溜槽尺寸（LxWxH）/ mm1750 x988x284刮板间距/ mm876链条尺寸/ mm942x146卸载方式交叉侧卸传输控制CST可控传输，内置 式冷却方式水冷机尾链张紧行程/mm500 mm主机重/t550（3）转载机与破碎机转载机转载机应具有高强度能够与皮带机尾整体自移，选择参数以工作面运输机额定运 量乘1.1环节系数确定,额定运输能力2 750 t/h,以此选择DBT公司PF4/1332转载机， 技术特征见表5。破碎机破碎机通过能力应确保工作面刮板机、转载机煤流的及时通过，应不小于1.2x2500 = 3000,另外根据晋城煤作为煤化工能源要求，块率要高，因此要选用

19、滚筒形 式为截齿式，要求截齿（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WBI418破碎机，技术特征 见表6o表5转载机技术特征表项 目技术特征项 目技术特征运输能力/ th/2750长度/ m27.5电机功率/ kW315主机重量/t72 （不包括破碎机）供电电压/V114()冷却方式水冷溜槽尺寸/LxWxH,mm1500 x1188x284配套机尾MATILDA皮带机尾链速/ m/s1.54有效推移行程/m3.5链中心距/mm330长度/m11.6链条规格/ mm(p42xl46宽度/m2.9刮板间距/ mm756行走机尾重量

20、/t2()表6破碎机技术特征表项 目技术特征项 目技术特征运输能力/ th/2750长度/m27.5电机功率/ kW315主机重量/t72 （不包括破碎机）供电电压/V1140冷却方式水冷溜槽尺寸/LxWxHjnm15(X)x1188x284配套机尾MATILDA皮带机尾链速/m/s1.54有效推移行程/m3.5链中心距/ mm330长度/m11.6链条规格/ mm(p42xl46宽度/m2.9刮板间距/ mm756行走机尾重量/t20（3）液压支架的选择液压支架架型选择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

21、型的96%,且 有向2柱式开展的明显趋势。美同1994年有80个长壁工作面，使用2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 00080 00 kN,最大的2柱掩护式支架工作阻力到达9 800 kN。美国煤 层赋存平缓，埋藏浅。顶板一般为砂岩或砂质页岩，属中等稳定和稳定类别，底板多为页岩和砂岩, 也较为稳定。多年的生产实践证明，高工作阻力的二柱掩护式支架适应顶板属于 中等稳定的长壁工作面。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刚性

22、结构。不使用钱接顶梁，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 底座采用带有基座千斤顶的刚性底座。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 进呵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 度大大提高，移架循环时间可到达6 8s。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和采煤 机的局部数据传输至地面。美国1994年共有80个工作面其中70个工作面是电 液控制支

23、架工作面，占87.5%。澳大利亚采用电液控制的工作面也占绝大多数。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。支架支撑高度确实定最大高度：/max = /2n】ax+Sl( 10 11)式中“max 支架支撑最大高度，IB;hma煤层最大米同，5.2m；Si伪顶或浮燥冒落厚度，一般取200300 mm。max = 5.2+0.3 = 5.5 (m)最小高度:Hmn W hnun(10-12)式中 Hmin 支架支撑最小高度，m；Hmn W hnun(10-12)Amin煤层最小采高，取2.9m；52顶板最大下沉量，一般取200 mm；Qmin为支架移架所需最小降架量，取5

24、0 m； b为浮煤厚度，按50 m估算。支架支护强度的计算根据支架支护强度的估算法。P = Nhl式中 P支架支护强度，MPa；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5.0 m；/一顶板岩石密度，取2.571713；b为浮煤厚度，按50 m估算。P= (6- 8) x5.0 x2.57 = 80.18 - 106.9 (t/m2)0取 110t/m2,即 1.1 MPao支架工作阻力实际上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：。二9.8% x NhFl = 9.8%o x (6 8) x

25、5 x 8.16 x 2 570 = 6166 8 220 kN,取 8 300 (kN)。 式中：F为支架的支护面积，取8.16 nf。根据计算确定液压支架的技术参数见表7。表7掩护式液压支架技术参数项 目技术特征项 0技术特征支架高度/ mm2250 4500 2550 5500立柱中心距/mm900支架宽度/ mm16101850平均对地比压/MPa2.51通风面积/ m217/20底座面积/ m23.4132起底油卸推/拉力/387移架力/ kN560kN泵站压力/ MPa31.5 35.7推溜力/ kN310立柱油缸直径/mm345/325支护强度/ kN/m21100立柱活塞压力/

26、 kN4900端部载荷/ kN1640初撑力/ kN5890电液系统PM4平衡油缸推拉力/kN1150/600顺槽主机MCU工作阻力/ kN2x4139架中心距/ mm1756顶梁长度/ mm3945 /中间架支架重量/m27.52.5%工作面支架数量首采工作面共设计配套130架支架，其中端头架、过渡架共15架，支承高 度2.254.5 m；中间架115架，支承高度2.555.5 m；每个支架由1个带微处 理器的PM4服务器和螺纹式驱动器和假设干传感器组成。每8个PM4提供1个电 源，顺槽安装有1个主PM4服务器和1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。(4)浮化液泵的选型及液箱配置浮化液泵的压力要满足初撑力和T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