采矿工程,安全工程等专业的课程设计,

河南工程学院

《矿井运输提升及采掘机械》课程设计

综合机械采煤工作面配套机械选型设计

学生姓名： 学 院： 安全工程学院 专业班级： 采矿工程1141班 专业课程： 矿井运输提升及采掘机械 指导教师：

2014年06月19日

采矿工程,安全工程等专业的课程设计,

《矿井运输提升及采掘机械》课程设计任务书

题目 综合机械采煤工作面配套机械选型设计 专业 采矿工程 班级 采矿工程1141

一、设计题目

综合机械采煤工作面配套机械选型设计 二、设计资料

工作面长：150m；倾角：12°；煤层平均厚度：3m；顶板中等稳定；截割阻抗：A=300N/m；煤的坚硬度系数：f=3.5。

三、完成的任务

（1）设计内容：试确定综采机械采煤工作面采煤机、液压支架、刮板输送机的型号及它们的配套关系。

（2）提交课程设计报告。 四、成果要求 设计说明书。

指导教师签名：

2014年 6 月 5 日

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目录

一、绪论 ................................................. 1

（一）概述 ...................................................... 1

（二）原始参数 .................................................. 1 （三）选型基本原则 .............................................. 1

二、采煤机选型设计 .............................................. 3

（一）采煤机械的基本要求 ........................................ 3 （二）采煤工作面参数 ............................................ 4 （三）采煤机选型 ................................................ 4 （四）结果 ..................................................... 10

三、支护设备选型设计 ........................................... 12

（一）支护设备的基本要求 ....................................... 12 （二）支护设备工作面参数 ....................................... 13 （三）支护设备机选型 ........................................... 15 （四）结果 ..................................................... 16

四、刮板运输机选型设计 ......................................... 16

（一）刮板运输机的基本要求 ..................................... 16 （二）采煤工作面参数 ........................................... 17 （三）刮板运输机选型 ........................................... 18 （四）结果 ..................................................... 25

五、综采工作面机械配套设计 .................................... 27

（一）设备主要空间尺寸的配套关系 ............................... 27 （二）设备主要参数的匹配 ....................................... 28

六、结论 ......................................................... 28 参考文献 ......................................................... 29 结束语 ........................................................... 29

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一、绪论

（一）概述

综采工作面配套设备由采煤机、支护设备、刮板输送机等设备组成.所谓综采工作面配套设备的选型含义,系指依据煤层赋存和矿井生产技术条件,可获得良好使用效果而实际选用的综采成套设备。综采工作面设备配套的目的,首先在于总体配套是单机设计的依据,要解决成套设备各单机间的能力相互匹配和空间几何关系的配套;其次在于使成套设备性能与采煤工艺间相互适应。因而总体配套又是采区设计和采煤工艺设计的依据。采煤工作面中，采煤机、刮板运输机和支护设备（液压支架或单体支柱于顶梁）等组成一个采煤机的有机整体来实现采煤工艺的哥哥工序，他们在工作能力和结构尺寸的配套关系，直接影响采煤工艺的顺利实施和设备能力的充分发挥。 因此，为了正确的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，同时也要注意它们之间的配套性能，特别要把工作面“三机”— —“采煤机、刮板输送机、液压支架”配套搞好，否则综采生产将无法进行，勉强生产也获得不了好效果。

（二）原始参数

本次综采工作面的基本参数选定为原始参数第十组： 工作面长：150m；倾角：12°；煤层平均厚度：3m；顶板中等稳定；截割阻抗：A=300N/m；煤的坚硬度系数：f=3.5。

（三）选型基本原则

综采工作面三机配套方案： 综采工作面的“三机”是指采煤机、液压支架、刮板输送机,是综采工作面的主要设备。其选型首先必须考虑配套关系,选型正确先进、配套关系合理是提高综采工作面生产能力、实现高产高效的必要条件。 “三机”的基本选型原则：

1. 采煤机的选型原则

（1）采煤机能适合的煤层地质条件，其主要参数(采高、截深、功率、牵引方式)的选取要合理,并有较大的适用范围。

（2）采煤机应满足工作面开采生产能力的要求,其生产能力要大于工作面设计能力。

（3）采煤机的技术性能良好,工作可靠,具有较完善的各种保护功能,便于使

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用和维护。

采煤机的实际生产能力、采高、截深、截割速度、牵引速度、牵引力和功率等参数在选型时必须确定。实际生产能力主要取决于采高、截深、牵引速度以及工作时间利用系数。采高由滚筒直径、调高形式和摇臂摆角等决定。滚筒直径是滚筒采煤机采高的主要调节变量，每种采煤机都有几种滚筒直径供选择，滚筒直径应满足最大采高及卧底量的要求。截深的选取与煤层厚度、煤质软硬、顶板岩性以及移架步距有关。截割速度是指滚筒截齿齿尖的圆周切线速度，由截割部传动比、滚筒转速和滚筒直径确定，对采煤机的功率消耗、装煤效果、煤的块度和煤尘大小等有直接影响。牵引速度的初选是通过滚筒最大切削厚度和液压支架移架追机速度验算确定。牵引力是由外载荷决定的,其影响因素较多，如煤质、采高、牵引速度、工作面倾角、机身自重及导向机构的结构和摩擦系数等，没有准确的计算公式，一般取采煤机电机功率消耗的10%~25%。滚筒采煤机电机功率常用单齿比能耗法或类比法计算，然后参照生产任务及煤层硬度等因素确定。

2. 液压支架的选型原则

（1）液压支架的选型就是要确定支架类型（支撑式、掩护式、支撑掩护式）、支护阻力（初撑力和额定工作阻力）、支护强度与底板比压以及支架的结构参数（立柱数目、最大最小高度、顶梁和底座的尺寸及相对位置等）及阀组性能和操作方式等。

（2）选型依据是矿井采区、综采工作面地质说明书。在选型之前,必须将所采工作面的煤层、顶底板及采区的地质条件全部查清。然后依据不同类级顶板选取架型。最后依据选型内容结合国内现有液压支架的主要技术性能直接选定架型及其参数所对应的支架型号。

3. 刮板输送机的选型原则

（1）刮板输送机的输送能力应大于采煤机的最大生产能力,一般取1.2倍。 （2）要根据刮板链的质量情况确定链条数目,结合煤质硬度选择链子结构型式。

（3）应优先选用双电机双机头驱动方式。 （4）应优先选用短机头和短机尾。

（5）应满足采煤机的配合要求,如在机头机尾安装张紧、防滑装置,靠煤壁一

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侧设铲煤板,靠采空区一侧附设电缆槽等。在选型时要确定的刮板输送机的参数主要包括输送能力、电机功率和刮板链强度等。输送能力要大于采煤机生产能力并有一定备用能力。电机功率主要根据工作面倾角、铺设长度及输送量的大小等条件确定。刮板链的强度应按恶劣工况和满载工况进行验算。

综上所述，选型的基本原则就是： 在满足生产能力要求采煤机生产能力要与综采工作面的生产任务相适应,工作面刮板输送机的输送能力应大于采煤机的生产能力,液压支架的移架速度应与采煤机的牵引速度相适应,而乳化液泵站输出压力与流量应满足液压支架初撑力及其动作速度要求。 同时满足设备性能要求输送机的结构形式及附件必须与采煤机的结构相匹配,如采煤机的牵引机构、行走机构、底托架及滑靴的结构,电缆及水管的拖移方法以及是否连锁控制等。输送机的中部槽应与液压支架的推移千斤顶连接装置的间距和连接结构相匹配。采煤机的采高范围与支架的最大和最小结构尺寸相适应,而其截深应与支架推移步距相适应。

二、采煤机选型设计

（一）采煤机械的基本要求

对采煤机械的基本要求是高效、经济、安全。具体要求为： （1）采煤机械的生产率应能满足采煤工作面的产量要求。

（2）工作机构能在所给煤层力学特性（硬度、截割阻抗）的条件下正常截割；装煤效果好；落煤块度大、煤尘、能耗低。

（3）能调节采高，适应工作面煤层厚度变化；能自开缺口。

（4）有足够的牵引力和良好的防滑、制动装置，能在所给煤层倾角下安全生产；牵引速度能随工作条件变化而调节，其大小能满足工作要求。

（5）有可靠的喷雾降尘装置和完善的安全保护装置，电气设备必须能够防爆。

（6）采煤机械是机采工作面的关键设备，它的维护费用在吨煤成本中所占比例相当大。因此，要求采煤机械的性能必须可靠，维持正常工作所必需的各种消耗（动力、液压油、润滑油、易损失等）应较低。

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（二）采煤工作面参数 1、工作面长度150m； 2、倾角：12度； 3、煤层平均厚度：3m； 4、顶板中等稳定； 5、A=300N/mm f=3.5。

（三）采煤机选型

正确选择采煤机是提高采煤工作面生产能力的一项主要任务，对采煤工作面的生产效率、能耗、安全等都具有重要影响，但采煤机选型涉及问题较多，它不仅与煤层的厚度，倾角及煤的物理机械性质、地质条件等有关，还要考虑与支护设备，运翰设备之间的配套关系，因此，在选型过程中要考虑诸多方面的因素，经综合分析后再确定。

(1)滚筒的直径

由于综采工作面双滚筒采煤机一般都是一次采全高，故滚筒直径D应稍大于最大采高之半，即

D>1/2×Hmax

（2-1）

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D 0.5 3.3 1.65

（m）

目前采煤机滚筒直径已经系列化，分别为0. 6m、0.65m、0.7m、0.8m、0.8m、0.9m、1.0m、1. 1m、1.25m、1. 4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.3m、2.6m。

计算结果要按照滚筒系列化标准进行圆整后，最后确定滚筒直径。根据上述计算参数，并结合采煤机系列化标准，初步确定采煤机滚筒直径为2.0m。

(2)滚筒的截深

(3)截深是指采煤机一次循环的推进量，选择滚筒的截深要与现有的滚筒系列和选定支架等设备配套

(4)目前采煤机的截深有：0.5，0.6，0.7，0.75，0.8，0.9及1.0m等几种，初步确定采煤机截深为0.8m。

(5)(3)滚筒的转速

类似滚筒直径一样，现代滚筒采煤机的每种型号都有几种滚筒转速供选择。采煤机滚筒转速的选择要兼顾截煤及装煤两种工艺，以适应不同的煤质情况，目前大部分厂家的采煤机基本都已匹配好的。

滚筒转速的取值：直径为0.5～0.6m的滚筒转速n=80～120r/min;直径为1.8～2.0m的滚筒转速n=30～40r/min。大直径滚筒选用低档转速，小直径滚筒选用高档转速。为防止碎煤抛过筒缘循环的转速，一般认为滚筒转速为30～50r/min较适宜，目前滚筒转速有降低的趋势。根据上述所确定的采煤机滚筒直径为2.0m，设计推荐滚筒转速为30r/min较合适。

Vf过高将使煤尘增多，目前常用的截割速度Vf=3～5m/s，最好在4m/s左右。

大大降低截齿的寿命。

式中：

D——选定的滚筒直径，1250mm; n——选定的滚筒转速，60r/min。

则：

Vf

D n

60000

（2-2）

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6 综合机械采煤工作面配套机械选型设计

Vf

3.192(m

60000

/s)

根据上述验算结果，截割速度为3. 192m/s符合要求。 (4)采煤机生产率

采煤机和其他工作面设备的基本功能就是按照所要求的生产率完成其生产过程。采煤机的生产率取决于矿山地质和矿山技术条件、机器工况和结构参数以及时间利用率等因素。因此采煤机的生产率分别以理论、技术和使用生产率表示。

1)理论生产率

在给定条件下，以最大参数连续运行时的生产率称为理论生产率，理论生产率Q的计算公式为：

式中：

Q——理论生产率，t/h; H——工作面平均采高，m； B——滚筒有效截深，m；

vq——给定条件下可能的最大牵引速度，m/min; ——煤的密度，一般为1.3～1. 4 t/m3。 则：

Q 60 3 0.8 4 1.3 749

Q 60HBvq

（2-3）

（t/h）

采煤机的理论生产率是确定与其配套设备生产能力的依据，是由工作条件、机器工况和结构参数确定的。在实际工作中，只有与其配套的设备生产能力大于采煤机的生产能力时，采煤机才能达到给定的理论生产率。

2)技术生产率

考虑根据循环图表而进行的辅助工作，如更换截齿、开切口、检查机器和排除故障所花费时间后的

生产率称为技术生产率，技术生产率Q的计算公式为：

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式中：

Q——技术生产率，t／h；

k1——采煤机技术上可能达到的连续工作系数，一般k1=0.5～0.7。

则：

Qt 749 0.5 374.5

Qt Qk1

(2-4)

（t／h）

3)实际生产率

实际使用中，考虑了工作中发生的所有类型的停机状况，如处理输送机和支架的故障、处理顶底板事故等。使用生产率可由下列公式计算：

式中：

Qm——实际生产率，t／h；

k2——采煤机在实际工作中的连续工作系数，一般k2=0.6～0.65。

则：t／h

4)采煤机允许的最大牵引速度

牵引速度是采煤机的一个重要参数，牵引速度直接决定了机器的生产能力。装机容量、移架速度、输送机生产能力等因素又限制了牵引速度的增长；从另一方面讲，牵引速度加大后，切屑厚度过大将导致齿座挤压煤体，造成截割阻力的急剧上升。

随着装机容量的加大，采煤机牵引速度已达8～13m/min，国外有的采煤机牵引速度高达l5～20m/min。然而增加装机容量，加大牵引速度，并不是增加工

Qm Qk2

(2-5)

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作面生产能力的唯一途径，综合机械化采煤是一个复杂的生产过程，除了需要解决和改进技术和装备上的问题外，尚需改进管理上存在的问题，其中首要的问题是提高采煤机的开机率。统计资料表明，即使年产百万吨的综采工作面，其生产班的平均开机率也不足50%，而全国的平均水平仅为其一半，足见改进管理的潜力是很大的。

采煤机最大牵引速度用下式计算：

Vq'max=(0.7 n m)／1000

(2-6)

式中：

Vq'max——牵引速度，m/min;

n——滚筒转速，r/min;

m ——每条截线上的齿数，一般取1～3;

I——滚筒的齿长若未知，可近似取刀型截齿l=65～lOOmm;镐型截齿l=60～80mm。

则：

Vq'max=(0.7 60 )／1000 2.52

（m/min）

5)采煤机功率 1)预计装机功率 2)采煤机的装机功率：

N0

60BHmaxvqmaxHw

3.6

(2-7)

式中：

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Hw——采煤机截煤的单位能耗，MJ/m3：一般取Hw=1.1～4.4，硬煤及韧性煤取上限，软煤及脆性煤取下限。本次设计取4。

则：

N0

60 0.8

403

3.6

（kW）

6)截割功率

采煤机工作机构消耗的功率一般占装机功率的80%～85%；故采煤机截割功率：

（kW） Nj (0. 8～0. 85) N0 0. 8 403 322.4

7)牵引和辅助功率

牵引和辅助装置消耗装机功率的15%～20%，其中，牵引系统消耗的功卒占到90%以上，故采煤机牵引

功率：

Nq 0.9 (0. 15～0. 2) N0 0.9 0.15 403 54.4（kW）

辅助装置功率：

0.15 403 6 Nf 0.1 (0. 15～0. 2) N 0.1

kW

8)装机功率

上述计算结果，要按采煤机配备电动机的标准功率进行圆整。则采煤机实际装机功率：

N Nj Nq Nf 322.4 54.4 6 382.8（kW）

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采煤机的装机容量是由生产能力决定的，生产能力为500～700 t/h时，装机容量约600～750 kW。国外一些采煤机的生产能力已达到1500～2000 t/h，其装机容量也高达1100～1500 kW。

采煤机的生产能力正比于采高，因此也可以根据采高估计装机容量的大小。对于硬煤，装机功率应加大一倍。

9)采煤机牵引力

采煤机的牵引力与装机容量关系密切，装机功率150kW时，牵引力为160～180kN;装机容量300kW时，牵引力达250～300kN。牵引力与牵引机构的刚度系数、采煤机的质量、摩擦系数、牵引速度、截割阻力及载荷的不均衡性、机道形状等因素有关，很难精确计算，一般用经验公式确定。

式中：

P——牵引力，kN；

N——采煤机装机容量，kW。

则：

P 1.1 421（N）

P 1. 1 1.3 N

(2-8)

（四）结果

根据上述资料,选择如下采煤机:

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生产厂家：鸡西煤矿机械有限公司（原鸡西煤矿机械厂） 型号：MG700－WD1型系列交流交频电牵引采煤机，见表1所示。

表1 采煤机型号

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三、支护设备选型设计

（一）支护设备的基本要求

正确选择支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效能，实现高产高效，是一个很重要的因素。在具体选择架型时，首先要考虑煤耗层的顶板条件表2-2就是根据国内外液压支架的使用经验，提出了各种顶板条件下适用的架型。它是选择支架架型的主要依据。

1、煤层厚度

煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。当煤层厚度大于2. 5～2. 8m（软煤取下限，硬煤取上限）时，应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。当煤层厚度变化较大时，应选用调高范围大的支架。

2、煤层倾角

煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑等现象。当煤层倾角大于10°～15°时，应设防滑和调架装置，当倾角超过18°时，应同时具有防滑防倒装置。

3、底板性质

底板随支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压（对于砂岩底板，允许比压为1. 96～2. 16Mpa，软底板为0.98Mpa左右）。

4、瓦斯涌出量

对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。

5、地质构造

地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间分别在5~8 m2和20min以下时，暂不宜采用液压支架。

6、设备成本

在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。

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（二）支护设备工作面参数 （1）支护强度

q n M ,KN/m2

(2-9)

式中：q——支护强度 M——采高，m；

——为岩石容重；kN/m3, g,岩石密度如上取1.35t/m3，g取10m/s2 N——不同条件下的倍数,一般认为，对中等稳定以下顶板，取6~8；对周期来压明显、顶板稳定性条件，取9~11；对来压及其强烈的坚硬性顶板，取n>11，此处取n=10（公式参见《煤矿矿井支护新技术与支护设计计算及支护产品选型、设计、维护实用手册；刘文韬》）

则：

q n M 10 3 13500 405000kN/m2 0.405（MPa）

（2）工作阻力

工作面支护强度确定以后，支架工作阻力主要取决于支护顶板的控顶面积。支架控顶面积主要与工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸有关。

工作阻力：

式中 q——为综采工作面支护强度 L——为支架中心距。取L=1.5m：

Bc——为控顶距，为梁端距与顶梁长度之和，取Bc=4.2m； 支撑效率，取 =0.9。

（取值参见《矿山机械》中国矿大出版社）

对以上计算结果考虑一定富裕量，工作阻力取1900kN。

F q Bc L/0.9 0.405 1.5 4.2/0.9 2835（kN）