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益门煤矿综合机械化改造采区机电运输设计

2023-10-27 81 上传者：管理员

摘要：综合机械化采煤改造是中小煤矿企业发展的必由之路。根据益门煤矿生产实践，对21采区机械化升级改造中的机电运输、供电系统进行方案设计、设备选型和结果验算。验算结果表明，21采区机械化升级改造后所选用设备均能满足开采需求，供电线路温升（载流量）、电压损失以及采区运输系统的提升能力、钢丝绳安全系数、刮板输送机的运力等参数均满足规范要求。

关键词：
机械化改造
温升
电力负荷
电压损失
设备选型
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煤炭是中国的主体能源，煤炭产量关乎中国的经济命脉。目前，中国西南地区煤炭资源赋存条件复杂。贵州省原有煤矿多为小型煤矿，许多机电运输设备老化，机械化水平低，不符合技术及经济发展的需要，亟须更新换代[1,2,3]。近年来，煤矿机电事故频发，机电系统老化也为煤矿安全生产埋下隐患。

为了增加益门煤矿煤炭产量，同时提升矿井技术水平，提高矿井安全保障水平，决定对益门煤矿21采区进行综合机械化改造[4,5]。采区机械化改造的关键是供电系统和运输提升系统的改造，直接关乎改造的成本，是机械化改造的关键。对益门煤矿21采区机械化升级改造中的机电运输、供电系统进行方案设计、设备选型和结果验算，以期为相似条件矿井采区设计提供参考。

1、工程概况

益门煤矿核定生产能力600 000 t/a，采用“斜井+平硐”综合开拓，开采深度+1 740～+2 018 m，划分为+1 941 m水平（二水平）、+1 810 m水平（三水平）。矿井虽为低瓦斯矿井，但采用残煤复采方式开采，瓦斯涌出规律特殊[6]。开采C1,C2,C3煤层，煤尘具有爆炸危险性，煤层自然发火倾向性为自燃（II类），无冲击地压危险。

21采区布置综合机械化采煤工作面，工作面设计走向长度180 m，倾向长度70 m，采高2.4 m。采区煤层已为前期采掘活动破坏，煤层较软，煤的视密度为1.5 t/m3。煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板情况表

2、采区机电设计

2.1 采区主要机电设备选型

根据采区煤层赋存条件进行采区设计，采区的主要设备选型如表2所示。工作面总负荷为806 k W (1.2 k V),167 k W (0.69 k V）

表2 采区主要设备选型表

2.2 采区供电设计及校验

井下供电利用现有6 k V电压供电系统。该采区机械化改造后供配电系统电力负荷全部取自二水平N3车场变电所，该变电所在21采区工作面形成后负荷参数为：装机容量1 946.3 k W，工作容量1 701.3 k W，有功功率1 182.95 k W，无功功率1 069.33 kvar，视在功率1 594.63 k V·A，功率因数0.74。电源电缆引自地面变电所，电源电缆需要按温升（载流量）、经济电流密度、电压损失校验电缆截面。

2.2.1 温升校验

线路长时负荷电流的计算公式为：

式中：Ig为长时负荷电流的数值，单位A;Pe为高压电缆所带的设备额定功率之和的数值，取1 182.95 k W;Ue为高压电缆额定电压的数值，取6 k V;cosφ为功率因数的数值，取0.74。

将以上数据代入式(1)可知，所选线路长时工作电流约为154 A。电源线路型号为MYJV22-6/10 k V,3×50 mm2。环境温度为35℃时，电缆长时允许负荷电流为194 A。194 A>154 A，说明电源线路的载流量大于线路长时负荷电流，故所选型号为MYJV22-6/10 k V的电源线路的载流量满足设计要求。

2.2.2 经济电流密度校验

电缆经济截面积的计算公式为：

式中：Aj为电缆经济截面积的数值，单位mm2;n为同时工作的电缆数量，取1;Ij为经济电流密度的数值，21采区年最大利用负荷小时数在3 000～5 000 h的档位，故取2.25 A/mm2。根据2.2.1节的计算可知，线路长时工作电流Ig≈154 A。将以上数据代入式(2)计算得Aj≈68 mm2。

所选电缆的截面积为50 mm2，小于68 mm2，故所选电缆截面积不满足要求。

2.2.3 按电压损失校验

电源线路型号为MYJV22-6/10 k V,3×50 mm2，供电电压为6 k V。记电源线路电压损失百分数的计算公式为：

式中：Δug为电源线路电压损失百分数；Kde为需用系数的数值，综采工作面取0.7;Lg为高压电缆长度的数值，取1.8 km;R为高压电缆每千米阻抗的数值，查表得R=0.435Ω/km;X为高压电缆每千米电阻的数值，查表得X=0.099Ω/km;tanφ为电网平均功率因数角对应正切值的数值，取0.9。

将以上数据代入式(3)，得Δug≈2.17%<5%，所选线路满足要求。

经过验算，改造后矿井地面变电所至二水平N3车场变电所电源电缆除经济电流密度不满足要求外，其余如温升（载流量）、电压损失均满足要求。现阶段为减少矿井投资，从变电所供电电源运行方式方面进行调整，可达到要求。

3、采区运输设计方法

3.1 采区绞车设计方法

绞车及钢丝绳运输时最大静载荷计算公式如式(4)所示：

Fmax=[me(sin α+f1×cos α)+mrL(sin α+f2×cos α)]g,(4)式中：Fmax为绞车及钢丝绳运输时最大静载荷的数值，单位k N;me为提升或拖运设备质量的数值，单位kg;mr为单位长度钢丝绳质量的数值，单位kg/m;L为最大提升距离的数值，单位m;α为巷道最大提升坡度的数值，单位°；f1为设备或车辆运动阻力系数的数值；f2为钢丝绳运动阻力系数的数值；g为重力加速度的数值，取0.009 8 k N/kg。

钢丝绳安全系数M计算公式如式(5)所示：

式中：Fq为钢丝绳破断拉力的数值，单位k N。

3.2 采区材料上山双速绞车验算

选用绞车型号为JSDB-19，该绞车主要用于21采区重型机械的辅助运输使用，不用于生产用材料运输。钢丝绳型号为6×37+FC，钢丝绳直径为24.5 mm，钢丝绳质量为2.165 kg/m，钢丝绳破断拉力为347.9 k N，钢丝绳静张力190 k N，最大倾角25°，提升距离140 m，运输用平板车型号为MPC20-6，其质量为1 230 kg。21采区机械化改造最大提升设备为液压支架，液压支架最大不可拆卸质量为10 500 kg。车轮与轨道之间的阻力系数f1取0.015，钢丝绳运动阻力系数f2取0.200。将以上数据代入式(4)、式(5)计算可知：1)最大静载荷Fmax=51.94 k N;2)表征钢丝绳提升能力的静张力Fj=190 k N>Fmax，钢丝绳提升能力满足要求；3)钢丝绳安全系数M≈6.70>6.50。《煤矿安全规程》第408条规定，专为升降物料的钢丝绳安全系数的最低值为6.50。故所选用的直径24.5 mm的钢丝绳能满足使用要求。

3.3 采区材料上山材料运输绞车验算

选用绞车型号为JTPB1.0×0.8P，钢丝绳型号为6×37N+FC，钢丝绳直径为15.5 mm，钢丝绳质量0.817 kg/m，钢丝绳破断拉力为135.73 k N，钢丝绳静张力90 k N，最大倾角25°，提升距离140 m，运输用物料车质量250 kg，运送物料最大质量200 kg，单次运送挂载车辆上限为10辆。车轮与轨道之间的阻力系数f1取0.015，钢丝绳运动阻力系数f2取0.200。将以上数据代入式(4)、式(5)计算可知：1)最大静载荷Fmax≈19.91 k N;2)表征钢丝绳提升能力的静张力Fj=90 k N>Fmax，提升能力满足要求；3)钢丝绳安全系数M≈6.82>6.50。《煤矿安全规程》第408条规定，专为升降物料的钢丝绳安全系数的最低值为6.50，故直径15.5 mm的钢丝绳能满足使用要求。

3.4 运输巷牵引刮板输送机验算

选用的绞车型号为JSDB-10，绞车最大静张力为100 k N，钢丝绳直径为15.5 mm，钢丝绳质量0.846 kg/m，钢丝绳破断拉力为135.73 k N，最大坡度0.40°，牵引长度为40 m，验算最大牵引质量，以刮板输送机质量为准，取1.0×104kg。刮板输送机在巷道底板上的阻力系数f1取0.3，钢丝绳运行阻力系数f2取0.02。将以上数据代入式(4)、式(5)计算知：1)最大静载荷Fmax=30.15 k N;2)绞车最大静张力Fj=100 k N>Fmax，因此运输巷牵引选用JSDB-10绞车能满足所需牵引力的要求；3)钢丝绳安全系数M≈4.5>3.5，底板拖运时取钢丝绳的最小安全系数为3.5。因此，选择直径15.5 mm钢丝绳满足要求。

3.5 刮板输送机运量核算

采区预计使用2台SZZ 620/55型刮板输送机，对工作面产出的煤炭进行转运，后再使用2台DTL 65/20/37型带式输送机运输至21采区下山胶带机巷，通过下山上的DTL 65/30/37+30型带式输送机运输至二水平运输大巷。

根据工作面生产能力，核算该工作面预计煤炭产出量为502 t/班；矿井采用三八制生产，1个工作日内1个班次检修，2班次生产，日割煤刀数为2刀。工作面日产量=循环产量×日割煤循环数=502×2=1 004 t/d。

3.5.1 刮板输送机运量核算

刮板输送机运输量计算如式(6)所示：

式中：Qg为刮板输送机实际输送量的数值，单位t/h;A为刮板输送机中间槽断面积的数值，单位m2；φ为物料装填系数的数值，一般在0.50～0.75，取0.60；ρ为物料堆积密度的数值，取0.7 t/m3；ν为刮板输送机链条运行速度的数值，取1 m/s。

选用SZZ 620/55型刮板输送机，中间槽断面宽度0.620 m、高度0.180 m。将以上数据代入式(6)可得Qg≈168.74 t/h。平均每生产班连续工作5 h，则所选刮板输送机的每班运量为843.7 t/班，大于502 t/班。因此，该刮板输送机能够满足工作面产煤要求。

3.5.2 平巷带式输送机运量核算

平巷选用2台DTL 65/20/37型带式输送机搭接进行运输，运送能力200 t/h，平均每生产班连续工作5 h，则所选带式输送机每班运量为1 000 t/班，大于刮板输送机运量（843.71 t/班）。因此，该带式输送机运输能力满足工作面生产需要。

3.5.3 下山带式输送机运量核算

下山胶带选用DTL 65/30/37+30型带式运输机，运送能力为300 t/h，平均每生产班连续工作5 h，则所选带式输送机每班运量为1 500 t/班，大于平巷带式输送机的运量（1 000 t/班）。因此，该带式输送机运输能力满足工作面生产需要。

4、结束语