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采煤方法设计

采煤方法设计

一．回采巷道布置

回采巷道的布置方式与回采工作面使用采煤工艺、煤层的倾角、厚度、层数、层间距等因素有关，一般地可按以下几种方式进行分别设计。

1.薄及中厚煤层炮采、普通机械化采煤

薄及中厚煤层煤采、普采时回采巷道的布置方式

1－工作面运输平巷；2（2’）－工作面回风平巷；3－联络巷；4－煤层底板等高线

2.综合机械化采煤

综采（放）工作面或大采高综采工作面的回采巷道布置方式，根据矿井采煤、掘进的机械化程度，煤层巷道的维护条件，煤层瓦斯涌出量的大小以及工作面安全的需要，工作面回采巷道布置有单巷、双巷和多巷等三种方式，见下表。

综合机械化工作面回采巷道布置方式

方式

图示

优缺点及适用条件

单

巷

式

巷道掘进工程量省，掘进率低，维护量小，系统简单，管理方便，可实现无煤柱布置，提高煤炭回收率，防止煤层自燃发火；运输巷靠近工作面一侧材料、设备运输不便；适用于综采、综放或大采高面采煤工作面

双巷式

下侧双巷

工作面一侧布置双巷，通风方式为两进一回，靠工作面一侧为胶带输送机运输巷，外侧可布置泵站，移动站等电气设备；适用于大断面回采巷道维护较困难时

上侧双巷

工作面一侧布置双巷，通风方式为一进两回，工作面运输巷兼作进风巷，紧靠工作面回风巷为辅助运输巷，另一条为工作面瓦斯排放巷，常布置在工作面回风巷一侧的顶煤中

两侧双巷

工作面布置四条巷道，通风方式为两进两回，双巷布置有利于煤层起伏较大的工作面排水、巷道掘进及工作面的回风等情况；该方式巷道掘进率高，维护工作量大。

适用于瓦斯含量高的矿井

多巷式

三进两回

工作面布置五条巷道，通风方式为三进两回，靠进工作面的一条铺设输送机运煤，另一条辅助运输兼作辅助运输兼进风，其余均进风和备用，上侧平巷一般作回风用；掘进及回采期间进风容易，工作面快速推进时能防止瓦斯聚集

三进三回

工作面布置六条巷道，通风方式为三进三回，工作面通风容易，单巷风阻低且能保证工作面有足够的风量，特别适用于瓦斯含量高的矿井，且工作面平巷多采用连续采煤机掘进时

图注

1－工作面运输平巷；2－工作面回风平巷；3－开切眼

多条巷道布置方式多用于高瓦斯的矿井或工作面，具体的巷道布置方式还有二进三回，四巷布置等方式，选择时可根据具体条件设置回采巷道的数目及其承担的运输、进（回）风或辅助备用等用途。

二．采煤工艺设计

1.采煤工作面长度设计

（1）地质因素

煤层地质条件是影响工作面长度的重要因素之一。

凡在工作面长度方向有较大的地质变化（如断层、褶曲、煤层厚度、倾角等）应以此为界限划分工作面。

当有下列情况时，工作面长度不宜过长：

采用单体支柱，采高大于2.5m；煤层倾角大于25°时；工作面顶板破碎难以维护时。

工作面瓦斯涌出量决定着通风能力。

低瓦斯矿井一般不受限制，但高瓦斯矿井，通风能力则是限制工作面长度的重要因素。

工作面长度按下式验算。

（－1）

式中v——工作面允许的最大风速，4m/s；

M——采高，m；

lmin——工作面最小控顶距，m；

Cf——风流收缩系数，可取0.9~0.95；

qb——昼夜产煤一吨所需风量，m3/min；

B——循环进尺，m；

P——煤层生产率，即单位面积出煤量，P=Mγ×10-1，t/m3；

γ——煤的容重，kN/m3；

n——昼夜循环数。

（2）技术因素

当地质条件一时，工作面设备是影响长度的主要因素。

采时，由于支护、放顶工作量大，推进速度慢，可使工作面长度短些；高档普采时，机组割煤，工作面可适当加长；综采实现了全部工序机械化，为充分发挥设备效能，工作面长度可再加大，在工作面设备中输送机在很大程度上限制着工作面长度。

国产刮板输送机大都按150~200m的铺设长度设计，所以工作面长度在150~180m左右。

（3）经济因素

从经济角度考虑，工作面存在一个产量和效率最高、效益最好的长度。

根据工作面产量和长度的应用数学分析法，给出经济上的最佳长度。

单向割煤，往返进一刀所需时间tL为：

（－2）

双向割煤，往返进两刀所需时间tL为：

（－3）

式中L——工作面长度，m；

L1——工作面端部采煤机斜切刀长度，m；

vc——采煤机割煤时牵引速度，m/min；

vk——采煤机反向空牵引或清浮煤、割煤时的牵引速度，m/min；

t1——采煤机反向操作及进刀所需时间，min。

工作面日产量为：

（－4）

式中n——每日循环数，个；

L——工作面长度，m；

M——采高，m；

B——循环进尺，m；

γ——煤的容重，kN/m3；

n——昼夜循环数。

（－5）

式中T1——上、下路途时间，min；

T2——生产准备时间，min；

K——开机率，（%）；

B——循环进尺，m；

γ——煤的容重，kN/m3；

n——昼夜循环数。

将式（10－5）带入式（10－4），对于某一具体的工作面，将L看作变量，其他参数基本为常数，则化简后为：

（－6）

工作面中工人数目可分为随工作面长度变化而变化的人数e和与工作面长度无关的固定人数f两部分，故总出勤人数D=eL+f，则工作面效率P为：

（－7）

式（10－6）和式（10－7）表示的是曲线Qr、P随L的增加而增加，达到一值后，L增加值又会减小。

由此可确定经济上最佳的工作面长度。

此外，还可综合考虑工作面设备租凭费、修理费、区段平巷掘进费、工作面搬家费、工人工资等费用，求出工作面吨煤费用最低的最优工作面长度。

我国目前的开采技术条件及近年来的发展，缓倾斜煤层工作面长度一般为：

炮采80~120m，普采100~150m，综采120~200m。

2.采煤工作面生产能力的确定

当采煤工作面长度一定时，工作面的生产取决于循环进度和日循环数。

不同的采煤工艺有不同的影响因素。

综全机械化采煤工作面

由于综采工作面应用液压支架，移动距离较灵活，循环进度主要取决于采煤机的功率和煤的强度，一般为0.6~1.0m。

综采工作面机械化程度高，所以日循环数也相应增多。

设计规范规定：

“厚度大于3.2m一次采全高的煤层及厚度小于1.4m的薄煤层综合机械化采煤工作面年推进度，不应小于1000m；煤层厚度1.4~3.2m的综合机械化采煤工作面年推进度不应小于1200m，据此，可初定综采工作面的生产能力。

目前国内综采工作面平均单产在80~90万t/a左右，有许多工作面已达到100万t/a以上，个别达500~800万t/a。

综采工作面提高生产能力途径有：

合理地进行工作面机械设备配套；提高开机率；提高生产管理和技术水平；制定严格严密的作业规程，确保正规循环作业等。

3.采煤工艺主要参数

（1）循环方式

（1）循环和正规循环作业

工作面内全部工序至少完成一次周而复始采煤过程，叫循环。

对于单体支柱工作面以回柱放顶为标志，综采工作面以移架为标志。

即放一次顶或移一次架为一个循环。

在规定时间内，按既定的工艺方式，保质保量完成的一个循环称为正规循环。

实践证明，实现正规循环作业，是煤矿生产中一项行之有效的科学管理方法，可有效地保证工作面高产，稳产和高效。

循环率是衡量正规循环完成好坏的标准。

此值不应低于80%，否则应查明原因，改进薄弱环节，使之按时完成正规循环。

当由于技术革新提前完成正规循环时，应重新制定新的循环方式，以便提高产量。

（2）循环方式的确定

根据每日完成的循环个数，循环方式可有单循环和多循环之分。

确定循环方式时，应综合考虑矿井生产能力、工作面生产能力、矿井工作制度及人员配备和管理水平等因素。

其中工作面生产能力与工作面选择的作业形式、工序安排、劳动组织有关。

确定循环方式的一般步骤为：

首先根据工作面地质条件、生产技术条件，确定工序安排形式，排出工艺流程图；其次根据工序安排和劳动定额确定作业形式和人员配备；第三，绘出正规循环图并计算产量；第四，根据该工作面的计划产量，对工作面循环方式进行调整。

如此反复，直至达到80%循环率的情况下能完成计划产量，并留有适当余地为止。

（2）作业形式

采煤工作面形式是指一昼夜内工作面中采煤班与准备班在时间上的配合方式，它由作业规程中的循环作业图来反映

（1）作业形式的确定

常用的作业形式有下列五种。

①“两采一准”。

昼夜三个班，两班采煤，一班准备。

采煤班以落煤、装煤、运煤、支护为主；准备班完成回柱放顶、检修、掐接输送机等工作，适用于准备工作量较大的炮采工作面。

②“三班采煤、边采边准”。

即落煤与放顶两个主要工序在空间上错开一定的安全距离，实行平行作业。

此方式可充分利用空间、时间和设备，适用于为普采工作面。

③“四班作业、三采一准”。

每日四班，三班采煤，一个班检修。

这种作业形式，既可增加采煤时间，又可保证机器有充分的检修时间，更适用于综采工作面。

④“四班交叉”。

每日四班，每班首尾两小时为两班交叉作业时间，可把工作量大的工作集中在人员多的交叉时间内进行。

此方式适用于炮采或普采中各工序工作量差别较大的工作面。

⑤“两班半采煤、半班采煤”。

此方式增加了采煤时间，有利于提高产量。

适用于准备工作量较小时的综采或普采工作面。

（2）工序安排

采煤工作面工序安排有排序作业和平行作业及两种相结合的形式等。

安排时，应分清主、次工序，保证主要工序顺利进行，尽可能地增加出煤时间；辅助工序尽可能与采煤平行，充分利用空间和时间，并保证作业安全；薄弱环节，结合定额，加强措施。

根据上柱要求，排出工艺流程图。

它是编制循环作业的基础。

（3）劳动组织

劳动组织是指正规循环中生产工人的组织形式和劳动定员。

劳动组织与作业形式、工序安排等有密切关系，合理的劳动组织有利于完成正规循环，有利于提高质量和效率。

长壁工作面劳动组织有下列几种：

（1）分段作业

采用综合工种，将采支工人分成小组，沿工作面全长分为若干段，第段由一个小组负责，每个小组综合作业，共同完成本段各工种工作。

优点是：

劳动量均衡；工人熟悉工作地点情况，有利于安全；综合工种，有利于劳动力搭配。

据点是局部地段变化时，可能影响全工作面进度。

这种形式较适用于炮采和刨煤机工作面。

（2）追机作业

即将工作面工人按专业分组，各专业组跟随采煤机及时完成清底煤、移输送机和回柱放顶或移架等各专业工作。

优点是工种单一，技术熟练，工作效率高。

缺点是分工过细，劳动量不均，忙闲不匀，跟机作业劳动强度大。

适用于普采和综采工作面。

（3）分段接力追机作业

它是上述两种形式的结合，具体做法是将工作面划分为若干段（多采用每段6m），将工人划分为若干小组，每组负责一段内的综采工作。

各组轮流接力追机。

这种琖可充分利用工时，也可减轻劳动强度，还可以在必要时集中力量处理事故。

适用于长工作面的普采和综采。

4.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。

已知条件：

该矿设计年产400万t/a。

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则

从高产高效、一井一面、集中生产的综采发展新趋势要求出发，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则，取开机率为55%。

①确定采煤机的牵引速度

v=（L－L1）/（T×60－n×T1）（－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，219.5m；

L1——工作面生产时采用斜切进刀开机窝方式，开机窝长度取35m；

T——工作面开机时间：

14×55%=7.7h；

n——昼夜循环数，取8；

T1——开机窝时间，取20min。

v=（219.5－35）/（7.7×60－8×20）=4.88（m/min）

则工作面的最大牵引速度应为1.4×4.88=6.83（m/min）

按照计算，采煤机的实际截煤速度应达到6~7m/min。

空载时要求其速度不小于12m/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8m/min以上。

最高达13m/min，最大牵引速度已达31.8m/min。

②采煤机的功率

W=60vBHkHw（－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0.865m；

H——采高，根据国外大采高设备能力，取5.0m；

k——破岩能力系数，取1.4；

Hw——能耗系数（1.1~4.4），取3~3.5。

W=60×4.88×0.865×5.0×1.4×（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1700~1800kW。

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，当今世界采煤机发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。

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f=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：

①采煤机在有人控制下截割1刀后，其后的截割就可以进行无人操作；②限量控制卧底和采高，帮助操作人员作业。

采煤机通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下表。

SL500采煤机主要技术特征表

项目

技术特征

项目

技术特征

生产能力／t•h-1

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

2.7/5.2

牵引速度／m/min

0~31.8

滚筒直径/截深／mm

2700/865

牵引力／kN

734

卧底量／mm

640

牵引功率／kW

2×90/460V

切割硬度

F＝0

液压泵电机功率／kW

35/1000V

截割功率／kW

2×750/3300V

总装机功率／kW

1715（不包括破碎机）

冷却方式

水冷

重量／t

88

（2）工作面可弯曲刮板输送机

①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，5m；

V——采煤机实际牵引速度取，6m/min；

γ——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；

Q=60×5×0.865×6×1.45×0.9=2031（t/h）

则刮板输送机输送能力应达到2500t/h。

②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1200kW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2×34mm，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。

根据上述原则选择DBT公司PF4/1132工作面刮板输送机，其主要技术特征见下表。

PF4/1132刮板输送机主要技术特征表

项目

技术特征

项目

技术特征

运输能力／t•h-1

2500

链形式

双中链

电机功率／kW

2×700

链中心距／mm

165

供电电压／V）

3300

链速／m/s

1.28

溜槽尺寸（L×W×H）／mm

1750×988×284

刮板间距／mm

876

链条尺寸／mm

φ42×146

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／mm

500mm

主机重／t

550

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15s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。

（3）转载机与破碎机

①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2750t/h，以此选择DBT公司PF4/1332转载机，技术特征见转载机技术特征表。

②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1.2×2500=3000t/h，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WBl418破碎机，技术特征见表。

转载机技术特征表

项目

技术特征

项目

技术特征

运输能力／t•h-1

2750

长度／m

27.5

电机功率／kW

315

主机重量／t

72（不包括破碎机）

供电电压／V

1140

冷却方式

水冷

溜槽尺寸／L×W×H,mm

1500×1188×284

配套机尾

MATILDA皮带机尾

链速／m/s

1.54

有效推移行程／m

3.5

链中心距／mm

330

长度／m

11.6

链条规格／mm

φ42×146

宽度／m

2.9

刮板间距／mm

756

行走机尾重量／t

20

破碎机技术特征表

项目

技术特征

项目

技术特征

运输能力／t•h-1

2750

长度／m

27.5

电机功率／kW

315

主机重量／t

72（不包括破碎机）

供电电压／V

1140

冷却方式

水冷

溜槽尺寸／L×W×H,mm

1500×1188×284

配套机尾

MATILDA皮带机尾

链速／m/s

1.54

有效推移行程／m

3.5

链中心距／mm

330

长度／m

11.6

链条规格／mm

φ42×146

宽度／m

2.9

刮板间距／mm

756

行走机尾重量／t

20

（3）液压支架的选择

①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，约占全部架型的96％，且有向2柱式发展的明显趋势。

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7000~8000kN，最大的2柱掩护式支架工作阻力达到9800kN。

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，支架底座采用带有基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，移架循环时间可达到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。

③支架支撑高度的确定

最大高度：

Hmax=hmax+S1（－11）

式中Hmax——支架支撑最大高度，m；

hmax——煤层最大采高，5.2m；

S1——伪顶或浮燥冒落厚度，一般取200~300mm。

Hmax=5.2+0.3=5.5（m）

最小高度：

Hmin≤hmin－S2－a－b（－12）

式中Hmin——支架支撑最小高度，m；

hmin——煤层最小采高，取2.9m；

S2——顶板最大下沉量，一般取200mm；

amin——为支架移架所需最小降架量，取50m；

b——为浮煤厚度，按50m估算。

④支架支护强度的计算

根据支架支护强度的估算法。

P=Nhl（－13）

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=6~8；

h——采高，取5.0m；

l——顶板岩石密度，取2.57t/m3；

b——为浮煤厚度，按