前 言
综合机械化采煤是加速我国煤炭工业发展大幅度提高劳动生产率实现煤炭工业现代化的一项战略措施综合机械化采煤不仅产量大效率高成本低而且能减轻笨重的体力劳动改善作业环境是煤炭工业技术的发展方向我国综采技术日趋成熟生产水平工艺水平均已进入世界先进行列综合机械化采煤设备选择的是否合适决定着设备能否正常运行能否达到优越的技术经济效果以及能否获得良好的安全环境影响设备选型的原始因素有两类一类是围岩的岩石特征和地质条件包括顶底板岩石的力学性能煤层厚度煤质硬度倾角和构造等另一类是围岩缓倾斜煤层为顶板的工程特征如顶板移动规律和它与支架相互作用的状况等为了更好地发挥机械化的效益应根据不同的地质和煤层赋存条件采煤机械化设备的合理选型计算设备配套设备布置以及与之相适应的工作面有关参数选择等是综合机械化开采设备的重要内容为此结合我们专业的教学内容和安排编写了《综采工作面设备选型设计与计算》指导书以供学生课程设计参考
书中如有缺点和错误恳请读者批评指正 编者
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目 录
概述 1 一设计题目任务和要求设计条件 二选型的基本原则
第二章 采煤机的选型 2 一初选采煤机确定型号 二滚筒 三电机功率 四牵引力 五防滑设备
六采煤机允许的最大牵引速度 七采煤机喷雾供水装置 八采煤机的稳定性
第三章 刮板输送机选型 11 一初选刮板输送机 二运输能力的验算
三刮板输送机电机功率的验算及电机的数量 四刮板链强度验算
第四章 液压支架的选型 15 一确定架型
二主要参数计算和支架型号的确定 三性能验算
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四支架布置台数
第五章 乳化液泵站的选型 23 一乳化液泵
二乳化液泵的电机功率 三乳化液箱容积的验算 四乳化液
第六章 配套验算 27 一通风计算
二设备的空间尺寸配套关系 三综采工作面布置图
参考书 30 附录1采煤机技术特征表 31 附录2刮板输送机技术特征表 43
附录3缓倾斜煤层回采工作面顶板分类方案附录4经济型轻型系列综采设备 45 附录5液压支架技术特征表 46 附录6三机配套附图 47
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第一章 概 述
一设计题目设计条件任务和要求 1设计题目及设计条件 ⑴综采工作面机械化设备选型 ⑵设计条件
有关工作面设备选型设计的已知参数和依据设计时对号下达 2任务和要求
⑴完成综采工作面机械化各设备的选型计算即确定采煤机运输机液压支架和泵站的型号和参数的验算
⑵各设备匹配尺寸和参数验算完成一张1号综采设备之间的配套尺寸关系平面布置图
⑶编写出一本设计说明书字数在8千至1万字左右 二选型的基本原则 1采煤机
⑴采煤机必须满足煤层开采厚度和煤的切割阻力的需要要与煤层的倾角适应
⑵采煤机以最小的电耗获得最大的采煤速度即最大的生产能力以及获得最佳的块度
⑶要考虑与支架和运输机配套与支架移支速度和运输机运煤能力相适应 ⑷具备有效的喷雾抑尘装置 2运输机
⑴要满足工作面长度和倾角对于运输机铺设长度和稳定性的要求
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⑵运输机必须与采煤机的能力相适应要保证采煤机效能的发挥 ⑶要与支架和采煤机配套保证采煤机骑溜或不骑溜正常运行
⑷能在正常状态下随采煤机之后适当弯曲并配有清扫浮煤的装置并使移置液压支架和拖动电缆方便
3液压支架
⑴要顶得住它的初撑力和工作阻力要适应直接顶和老顶岩层移动所产生的压力包括二次来压使控顶区的顶板下沉量限制到最小程度
⑵要移得走它的结构形式和支护特性要适应直接顶下部岩层的冒落特点尤其要注意顶板在暴露后尚未支护情况下的破碎状态要尽量保持该处顶板的完整性支架底座要适应底板岩石的抗压强度以防底软而使支架陷入底板
⑶要适应采高变化和按煤层倾角考虑的对支架稳定性的要求
⑷要满足通风尤其是高瓦斯工作面和行人的需要以及要和采煤机运输机配套
⑸要考虑投资力求以较低的投资获得所需的技术经济效果支架复用次数高损坏情况少即能降低吨煤成本
由于以上这些要求显而易见故不拟作过多的说明
按开采技术特点可将煤层厚度分三类⑴薄煤层------从最小可采厚度到13m⑵中厚煤层------1335m⑶厚煤层------大于35m
按开采技术特点将煤层倾角分为三类⑴缓倾斜煤层------0°25° ⑵倾斜煤层------25°45°⑶急倾斜煤层------45°90°倾角小于12°的煤层对于综采机械化来说最为有利一般可以不考虑设备自重分力的影响煤层倾角加大会使采煤机上行采煤时的牵引阻力加大并造成机器下滑的危险使支架的横向稳定性
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变坏甚至下滑倾倒输送机也会下滑给采煤工作造成困难
下面主要介绍缓倾斜煤层的综采设备选型
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采煤机的选型
与液压支架配套的采煤机主要有两类一类是刨煤机另一类是滚筒式采煤机后者在我国用得较多下面着重介绍滚筒式采煤机的选型
一初选采煤机确定型号 一确定型号时考虑如下因素 1根据煤的坚硬度选型
滚筒式采煤机适于开采坚硬度系数f＜4的缓倾斜及急倾斜煤层对f 254的中硬以上的煤层应采用大功率采煤机
2根据煤层厚度选型
采煤机的最小采高最大采高过煤高度过机高度等都取决于煤层的厚度煤层厚度可根据技术要求分为三类
1薄煤层 煤层厚度小于是13m最小采高在06508 m时只能采用爬底板式采煤机最小采高在通常情况下 m时可选用骑溜式采煤机
2中厚煤层 煤层厚度为1335m开采这类煤层在技术上比较成熟根据煤的坚硬度等因素可选择中等功率的采煤机如MG340MXA30035MG300W2×300MG200W2×200等
3厚煤层 煤层厚度在35 m以上由于大采高液压支架及采煤运输设备的出现厚煤层大采高一次采全高综采工作面取得了较好的经济指标适用于大采高的采煤机应具有调斜功能以适应大采高综采工作面地质及开采条件的变化以及俯采的要求此外由于落煤块度较大采煤机和输送机应有大块煤机械破碎装置以保证采煤机和输送机的正常工作
适于煤层大采高一次全高的采煤机有MXA30045MXA60045MG300WG600AM500
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等型采煤机最大采高达45m
当采用厚煤层放顶煤综采工艺时在长度大于60 m的长壁放顶煤工作面采煤机选型与一般长壁工作面相同但在短壁工作面可选用正面截割的短工作面采煤机和侧面截割的短工作面采煤机两种机型前者其滚筒轴线平行于工作面致使顶底板由多个圆柱体相交而成为不平坦的表面造成支架和输送机移动的困难另外机身重心高稳定性差然而由于机身短结构紧凑操作维修方便较为适于短工作面使用侧面截割的MGD150NW采煤机则克服了上述缺点该机摇臂在机身中间出轴并可旋转270°机身短工作平稳装煤效果也很好
3．根据煤层倾角选型
煤层倾角分为三类0°25°为缓倾斜煤层25°45°为倾斜煤层45°以上为急倾斜煤层
骑溜子或以溜子支承导向的爬底板采煤机在倾角较大时还应考虑滑问题在干燥条件下金属间的摩擦系数为相应的摩擦角为°故煤层倾角大于10°时须设置防滑装置在工作面潮湿的条件下摩擦系数减小倾角大于8°时就应备用防滑装置
普遍采用的防滑装置是固定在工作面回风巷内的同步绞车当采煤机由下向上截割时液压绞车除了防止采煤机下滑外还起到辅助牵引的作用而当采煤机由上向下截割时液压绞车的液压马达以液压泵工况运行产生阻止采煤机下滑的阻力矩一旦采煤机下行超速时限速装置切断电源绞车自动抱闸一般讲同步绞车的牵引力应大于80100KN
MG2×300MG200QWWG150WAM500等型采煤机具有双牵引部牵引力大其双自动抱闸装置防滑性能强在倾斜煤层中使用时可取消辅助绞车
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二根据表2-1和采煤机的技术特征表见附录一来确定采煤机的型号 表2-1
采高条件 地质条件
采高范围m 倾角αo
坚硬度f
夹矸情况
煤脆韧性 直接顶级别 老顶级别 工作面长度L m
二滚筒
地板允许比压q
kgcm2
一种型号的采煤机通常配备几种规格的滚筒可供选择 1滚筒直径的确定
⑴薄煤层双滚筒采煤机或一次采全高的单滚筒采煤机滚筒直径按下式选取 式中------最小煤层厚度〔m〕
01～03------考虑到割煤后顶板的自行下沉量〔m〕 ⑵中层煤层用的单滚筒采煤机主要用于普采滚筒直径为 式中------最大煤层厚度〔m〕
⑶中厚煤层用双滚筒采煤机滚筒直径应略大于最大采高的一半或根据两个滚筒的装煤量相等的原则来选取即
令 有 整理得
式中 螺旋滚筒装煤效率
即 ------计算时取最大采高〔m〕
注⑴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
滚筒直径已经系列化分别为〔m〕
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⑵考虑该采煤机的实际配备系列的滚筒规格 2滚筒转向和叶片的转向
转向和旋向根据采煤机的不同使用条件二者应相匹配 ⑴左工作面和右工作面
人在工作面下巷向上看左侧为左工作面右侧为右工作面如图2-1所示 ⑵叶片的旋向与滚筒转向
为了使滚筒落下的煤能装入刮板输送机滚筒上螺旋叶片的螺旋方向必须与滚筒旋转方向相适应确定的原则为
人站在采空区侧看顺时针旋转的滚筒右转------叶片为右旋如图2-2a逆时针旋转的滚筒左转------叶片为左旋如图2-2b即归结为右转右旋左转左旋
⑶滚筒的转向
在采煤机往返采煤的过程中滚筒的转向虽然不变却出现两种不同的情况 逆转装煤效果好能耗低重复破碎低 顺转装煤效果差能耗高重复破碎稿 单滚筒采煤机
滚筒应位于采煤机机身的下顺槽侧如图2-3其优点是煤不经机身下的输送机运输以免堵塞煤流据此滚筒转向必须上行时顺转图a其优点①有利装煤上行顺转摇臂不挡煤流装煤口大下行时逆转碎煤在滚筒前面摇臂也不挡煤②工作平稳性好
右工作面滚筒逆时针转左转------叶片为左旋即右------左------左规则 左工作面滚筒顺时针转右转------叶片为右旋即左------右------右规则 双滚筒采煤机
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为了使两个滚筒的截割阻力能相互抵消以增加机器的工作稳定性必须使两个滚筒转向相反滚筒的转向分两种方式前顺后逆和前逆后顺
小直径滚筒时无论是骑运输机还是爬底板的薄煤层采煤机滚筒的转向为前逆后顺最为适宜优点由于薄煤层装煤问题比较突出这样前后两滚筒都不经摇臂
下面装煤有利于提高滚筒的装煤效率和生产率如图2-4a
大直径滚筒时滚筒的转向一般采用前顺后逆为好其优点煤尘较少碎煤不易抛出伤人装煤的能耗较低装煤和截煤的效率都比较高如图2-4b
图2-4 3滚筒截深
截深是指一次截割深度是由滚筒外约请缘到端盘外侧截齿齿尖的距离确定的为有效地利用煤层的压张效应现代采煤机的截深都小于1m截深过小采煤机生产率受到影响但加大截深会使支架的步距加大顶梁长度和千斤顶行程加大同时也使采煤机电动机功率及运输机的输送能力加大因此要综合权衡利弊选用合理截深
目前多数采煤机采用的com大功率采煤机可取075m左右在薄煤层中由于工作条件困难牵引速度不能太大为了达到较高的生产率在顶板条件允许时可选用截深07510m在厚煤层中由于受输送机生产率的限制截深可适当减小0405 m这对缩小控顶距避免冒顶和片帮事故有益处
注①目前采煤机的截深有m等几种也可以与厂家联系定做非标准的 ②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截齿和截齿排列 截齿类型
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扁行截齿刀形径向------适用于韧性粘性高的煤以及有夹石硬煤 镐形截齿切向------适用于脆性及裂隙发达的煤 截齿排列
顺序配置------用的最普通它的截割能力强适用于硬煤 交错棋盘配置------根据需要来定 注①应能绘出选用的截齿配置图
②清楚滚筒截齿配置的特点叶片每条截线上的齿少m 1～3大都是0角度齿截线距大t 32～65mm端盘每条截线上的齿多m 4～7大多是角度齿最大35°以上截线距小≤
5滚筒的转速
类似滚筒直径一样现代滚筒采煤机每种型号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实际的采煤机基本已匹配好的大直径滚筒选用低档转速小直径滚筒选用高档转速
一般认为滚筒转速为30～50rmin较适宜目前滚筒转速有降低的趋势最低转速为15～20rmin对薄煤层小直径滚筒突出的问题是装煤因此滚筒转速可提高到60～100rmin
⑴截割速度验算
目前常用的截割速度 3～5ms最好在4ms左右过高将使煤尘增多大大降低截齿的寿命
式中------选定的滚筒直径mm------选定的滚筒转速rmin 滚筒应有的落煤生产率为
由可以求得滚筒装煤而不被堵塞的临界转速
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式中------叶片外内缘直径〔m〕 n------滚筒转速〔rmin〕 Z------叶片头数一般2～3个 S------叶片螺距〔m〕 ------叶片厚度〔m〕 ------叶片外缘开角〔°〕
------装满系数011～058〔可查表〕计算时近似取平均值 J------截深〔m〕
------牵引速度〔mmin〕工作牵引速度最大一般取 3～5mmin H------采高计算时取最大采高〔m〕 ------煤的松散系数 15～17
------浮煤高度有挡煤板时 0～005无挡板时 为考虑浮煤量系数〔m〕 K------应有滚筒装出的煤量系数对前滚筒K DH对后滚筒K 1-
滚筒转速n应满足以下条件使滚筒既不被煤堵塞又不致抛过筒毂造成循环煤
式中------临界转速〔rmin〕
------防止碎煤抛过筒毂循环的转速〔rmin〕对于D 05～06m时 80～120rmin对于D 18～20m时 30～40rmin
三电机功率
根据采煤机的生产率来验算其装机功率详见〔Ⅰ〕 双滚筒时采煤机装机功率为
式中-------功率利用系数单机驱动时取1分别驱动时取08
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------功率水平稀疏见〔Ⅰ〕
------后滚筒的工作条件稀疏见〔Ⅰ〕后滚筒的转向如图2-5 ------采煤机的生产率
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
理论生产率 工作面平均采高 滚筒有效截深
给定条件下可能的最大牵引速度 煤的密度一般为
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它由下式求得
式中 技术生产率
采煤机技术上可能达到的连续工作系数一般
技术上越陷越深完善系数越高理论生产率和技术生产率的差距也越小 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
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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 实际生产率
采煤机在实际工作中的连续工作系数一般 ------采煤比能耗〔kw·hT〕
------截割阻抗取180～200〔Nmin〕 ------对于A的采煤比能耗见〔Ⅰ〕
------工作面煤的截割阻抗≤180Nmm软煤 180～240Nmm中硬煤 240～360Nmm硬煤
即所算出的N≤选用的采煤机装机功率否则重新选机型改变工作参数如 采煤机的装机容量是由生产能力决定的生产能力为 th时装机容量约 kW国外一些采煤机的生产能力已达到 th其装机容量也高达 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
四牵引力
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kN装机容量300kw时牵引力达 kN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
P 1113 N 式中P牵引力kN N装机容量的KW数
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按向上牵引工作来计算详见〔Ⅰ〕 〔T〕
式中------摩擦系数018～025骑溜子时03～04爬底板时 ------经验稀疏06～08计算时取小值 ------估算稀疏0～02 ------系数按〔Ⅰ〕来选取 ------采煤机移动重量〔T〕 ------煤层倾角〔度〕
若牵引力不够时⑴重选机型⑵增设辅助牵引设备 五防滑设备
骑在输送机上工作的采煤机当煤层倾角大于10°时就有下滑的危险特别是链牵引采煤机向上工作时一旦断链就会造成机器下滑的重大事故因此煤矿安全规程规定当倾角大于10°时应设防滑装置
防滑杆最简单这种防滑装置只用于中小型采煤机上 抱闸式结构比较复杂不易调整现并不常用
制动器目前大多数的采煤机都设有这种装置采煤机自带即防止采煤机下滑又能防止回链敲缸同时能起到低压保护作用对于链牵引采煤机不能防断链下滑
液压安全绞车它可与各种采煤机配套使用在一定的煤层倾角范围内防止下滑及断链跑车事故保障人身设备安全配用本绞车后又可起辅助牵引作用补充采煤机牵引力不足更好地发挥采煤机的作用这种设备愈来愈广泛地被使用
六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
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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810mmin国外有的采煤机牵引速度高达1520mmin然而增加装机容量加大牵引速度并中是增加综采工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
1保证滚筒工作时叶片不碰撞煤壁的条件 截齿伸出的径向长度应大于最大切削厚度即 70％≥ 〔mm〕
式中------牵引速度〔mmin〕 ------滚筒转速〔rmin〕
------每条截线上的齿数一般取1～3
------滚筒的齿长若未知可近似取刀型截齿 65～100〔mm〕镐型截齿 60～80〔mm〕
则有 〔mmin〕 2根据滚筒截齿协调性的条件 即见前二5 可得 〔mmin〕
｛｝------在不考虑其它限制条件时如移架速度运输机运输能力装机功率及牵引力等允许的最大牵引速度即短时允许最大工作牵引速度
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七采煤机喷雾供水装置
采煤机喷雾系统中喷咀的数量选择应使一定水压下的总流量等于计算耗水量
〔〕
式中------采煤机生产率〔〕 ------单位耗水量〔〕
值对于具体的工作面可按采煤机最大实际生产率前面已说明计算一般单位耗水量的确定与煤层条件有关可按表2-2来选取
表2-2几种煤层条件下的单位耗水量 采用喷雾的煤层条件 单位耗水量 厚＜07m
15～20
无烟煤 20～25
烟煤
层
层厚07～15m 20～40 层厚＞15m 30～40
在表中的上限用于煤含水量小雨3～5％工作面风速大于2ms以及采煤机穿梭式工作时喷咀入口水压1～2MPa同时为防止喷咀堵塞不宜小于1 MPa要根据管路的远近及管路的弯曲段数目等在井下进行实际调整保证喷咀入口水压1～2MPa观看水压表或水的雾化情况
根据计算耗水量查表2-3来选择喷雾泵 表2-3 XPB型喷雾泵技术特征
型号 额定压力MPa 额定流量 电机功率kw
XPB25055 55 250 30 1680×800×700 1680×800×700
外形尺寸mm
XPB20055 55 200 30
XPB16055 55 160 22 1680×800×700
XPB12045 45 120 13 2000×850×755
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八采煤机的稳定性
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第三章 刮板输送机选型 一初选刮板输送机
综采工作面一般均使用重型可弯曲刮板输送机其中有单链双中心链双边链等几种类型根据刮板输送机选型的基本原则和产品说明书介绍的技术特征及其使用条件来选择型号并参考下面计算的
产品说明所列铺设长度一般均为水平长度货一定倾角煤层如10°向下运煤时的铺设长度实际上各工作面长度和煤层倾角煤层厚度等条件各不相同所以确定了型号后需要验算所选刮板输送机的运输生产能力电机功率及刮板链强度并确定每台刮板输送机驱动电机的数量
二运输能力的验算
按采煤机生产能力计算刮板输送机的运输能力 60 〔Th〕
式中------煤的容量135
------同前 3～5mmin------平均采高〔m〕 ------装载不均匀系数一般取15
------采煤机和运输机同向运输时的修正系数 为刮板输送机链速查附录二 ------运输倾角和运输方向的系数见表3-1 表3-1
运输情况 水平运输时 倾角5～10° 倾角10°以上
向上
向下
向上
1 09 13 07 15
向
下
按此式计算的是要刮板输送机运走的煤量小时生产能力 按刮板输送机的工作状况及有关参数计算输送能力
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主要是根据已选定的输送机技术特征验算是否能够满足所要求的运输能力 36· 〔Th〕
式中------输送机单位长度上货载重量〔Kgm〕 1000·F
F------货载断面积〔〕 F 计算参考图3-1
------溜槽承载段横截面积查特征表查不到可近似计算 ------原煤在溜槽中的动堆积面积 ------原煤动安息角一般取20° ------装满系数见表3-2 ------煤的松散容重085～10 若≥则符合要求 表3-2
输送情况 水平及向下运输 向上运输
5°
装满系数 09～10 08 06 05
三刮板输送机电机功率的验算及电机的数量 1电机功率 〔kw〕
式中------电动机轴上的功率〔kw〕 ------传动装置效率一般为08～085 ------刮板输送机主链轮的牵引力〔Kg〕
21
°
15
10°
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式中------溜槽弯曲段的附加阻力一般取11 ------重段阻力
式中的号用于向上运输号用于向下运输 ------空段阻力
式中的号用于向上运输号用于向下运输 ------按 1000·F计算值
------刮板输送机的铺设长度〔m〕 ------刮板输送机的铺设倾角〔度〕 ------刮板链单位长度重量〔Kgm〕 ------煤在溜槽中的运行阻力系数查表3-3 ------刮板链在溜槽中的运行阻力系数查表3-4 W值 表3-3
刮板输送机的结构形式 W值 链上面 055
单链或双中心链
工作链布置在回空双边链 有导向装
工作链和回空链在同一水平上 075
置铺设平直 06～08
值 表3-4
有导向装置底板起伏不平 12
刮板输送机的结构形式 值
单链或双中心链 无导向装置 025～035
有导向装置 035～040
双边链 无导向装置 020～025
有导向装置 025～035
综合机械化采煤工作面与采煤机配合工作的可弯曲刮板输送机货载的装载
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长度随着采煤机的移动而变化因此电机负荷也是变化的即
满载时最大电机功率 〔kw〕空载时最小电机功率 从而得到所需刮板输送机的等效功率 电机容量 115～12
式中115～12------备用系数
所选的刮板输送机电机容量≥时即符合要求否则要重选或考虑双电机两端驱动当然这对原选用一端驱动情况可以这样考虑
2电机数量
常见的是单电机和双电机在确定刮板输送机的型号及电机容量的计算中就要考虑电机的数量电机的数量决定了采用一端驱动还是采用两端驱动这影响到刮板输送机刮板链的张力计算
四刮板链强度计算
根据刮板链的最大张力来验算刮板链强度而刮板链最大张力可用逐点计算法求出最大张力的计算方法与传动装置的布置方式有关如图3-2所示A为一端传动方式b为两端传动方式
所谓逐点计算法就是按运行方向刮板链某一点的张力等于它前一点的张力加上这两点之间的运行阻力值和即
式中------刮板链点的张力 ------刮板链-1点的张力 ------刮板链-1点到点之间的阻力
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对于一端传动方式最小张力点为1点最大张力点为8点
对于两端传动方式确定最大张力点要根据不同情况进行具体地分析当重段阻力为正值时每一传动装置主动链轮相遇点的张力均大于其分离点的张力因此1点和5点为最小张力点而最大张力点发生在4点和8点究竟是4点张力最大还是8点张力最大要看两端传动装置的功率比值及重段空段阻力大小而定
注⑴最小张力点张力初始张力对于单链刮板 200～300kg对于双链刮板 400～600kg
⑵各点张力的计算过程和强度校核详见〔Ⅱ〕
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液压支架的选型 确定架型
按顶板分类方案对液压支架的架型进行初选
根据煤炭部81煤科字第429号文件关于《缓倾斜煤层工作面顶板分类》方案按稳定性不同直接顶分为四类按来压强度不同将老顶分为四级并分别提出相应的架型支护强度和顶板管理方法
1顶板分类级
直接顶分为四类见〔Ⅰ〕 老顶分为四级见〔Ⅰ〕 2架型与支护强度初选
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层的顶板条件〔Ⅰ〕表9-1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
对于不同类级顶板其架型支护强度的选择见〔Ⅰ〕
液压支架架型的选择除了取决于顶板条件之外还应考虑以下因素并结合各类支架的不同性能和特点最终选择一种较为合理的架型
⑴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2528m 软煤取下限硬煤取上限 时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
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-
⑵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时应设防滑和调架装置当倾角超过时应同时具有防滑防倒装置
⑶底板性质
底板承受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软底板为左右
⑷瓦斯涌出量
对于瓦斯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
⑸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58和20以下时暂不宜采用液压支架
主要参数计算和支架型号的确定 1支护强度工作阻力
支架的结构尺寸确定之后与支架重量和成本关系最大的参数是支架的支护强度从理论上分析合理的支护强度应正好与顶板压力相平衡支护强度过大不仅增加支架重量和设备投资而且给搬运安装带来困难过小则会造成顶板过早下沉离层冒落使顶板破碎造成顶板维护困难因此支护强度的大小应取决于工作面采场矿压的大小但由于目前对采场矿压的大小还不能进行准确的定量计算这样目前主要以经验法或实测数据来确定支架的支护强度下面介绍两个经验公式
⑴
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-
式中------液压支架的支护强度〔〕 ------采高〔m〕
------顶板岩石容量一般取23
------顶板岩石破碎膨胀系数一般取12～15 ------工作面倾角〔度〕
------附加阻力系数二排立柱支架取16单排立柱支架取12 ------顶板周期来压动载系数
值可按以下情况选取周期来压不明显顶板取11周期来压明显顶板取13周期来压强烈顶板取15～17
⑵
式中作用于支架上的顶板岩石系数一般取58顶板条件好皱起来压不明显时取下限否则取上限
H采高m
顶板岩石密度一般取23×kgm 放顶煤支架的支护强度一般为0507MPa
支架工作阻力P应满足顶板支护强度要求即支架工作阻力由支护强度和支护面积所决定
式中 F 支架的支护面积m可按下式计算 式中 L支架顶梁长度m C梁端距 m B支架顶梁宽度m 架间距m
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支架中心距m
对支撑式支架支架立柱的总工作阻力等于支架工作阻力对于掩护式和支撑掩护式支架由于受到立柱倾角的影响支架工作阻力小于支架立柱的总工作阻力工作阻力与支架立柱的总工作阻力的比值称为支架的支撑效率所以支架立柱的总工作阻力为
支撑式支架的 100支掩护式和支撑掩护式支架取 80左右 2初撑力
初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言并与顶板的性质有关液压支架的初撑力对支架维护顶板的性能方面要比工作阻力支护强度起着更加显著的作用有足够初撑力的支架一开始就能和顶板压力取得平衡可最大限度地减小顶板下沉初撑力偏低要等顶板下沉时才能增阻会增大顶板的下沉量初撑力过大会使顶板反复受拉导致直接顶蠕动造成直接顶早剥离使顶板管理困难所以支架初撑力选择的合理与否时非常重要的
目前在坚硬中硬和破碎的顶板条件下多趋向于采用较高的初撑力现在支架的设计中初撑力已高达工作阻力支护强度的90％以上根据有关资料介绍初撑力与支护强度的比例关系即 初撑力强度支护强度以顶板的的稳定性不同一般在60～85％区内选取为宜
在确定出撑力时可按以下原则考虑对于不稳定和中等稳定顶板为了维护机道上方的顶板应取较高的初撑力约为工作作阻力的80对于稳定顶板初撑力不易过大一般不低于工作阻力的60对于周期来压强烈的顶板为了避免大面积垮落对工作面的动载威胁应取较高的初撑力约为工作阻力的75
3移架阻力及推溜力
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移架阻力与支架结构吨位支撑高度顶板状况是否带压移架等因素有关通常根据煤层的厚度来考虑即采高愈大移架阻力愈大一般薄煤层支架的移架力为中厚煤层支架为厚煤层支架为
推溜力一般为 4支架高度
支架高度一般系指支架的最大和最小结构高度它必须适应煤层采厚变化所要求的最大和最小支撑高度最小高度过大可能会出现压架现象最大支撑高度过小可能会造成丢煤浪费资源或支架顶空现象
支架的最大和最小支撑高度应根据煤层厚度的变化合理选择片面地认为调高范围越大越好过大地加大调高范围将增加设备重量及制造成本
支架高度可由下式计算 －02
式中------支架最大结构高度〔m〕 ------支架最小结构高度〔m〕 ------煤层最大采高〔m〕 ------煤层最小采高〔m〕
------支架前柱上方顶板下沉量一般取01m ------支架后柱上方顶板下沉量一般取02m ------支架前移时可缩余量一般取不小于005m ------支架与顶底板间的浮煤破矸厚度一般取01m
根据一些生产的实际经验为防止伪顶冒落而引起支架顶空现象和一些难于
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预见的因素最大结构高度要在计算的基础上再考虑增加01～03m的富裕量确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度支架的伸缩比
值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力其值越大说明支架适应煤层厚度变化的能力超强采用单伸缩立柱值一般为16左右若进一步提高伸缩比需采用带机械加长杆的立柱或双伸缩立柱其值一般为25左右薄煤层支架可达3
5顶梁长度
顶梁长度取决于必要的作业空间和通风断面要求还与支架方式有关支护方式有超前支护和滞后支护两种方式根据选定的架型和支护方式来估算所需支架的顶梁长度范围以供确定支架型号作参考
⑴直接撑定掩护式支架如图4-1所示
式中------铲煤板铲尖到煤臂的距离取100～200mm具 体大小也可计算 FGJV
式中F------铲煤板宽度一般取150～240mm G------中部槽宽查特征表
J------导向槽宽度无链牵引时尚有齿轨部分宽度 V------电缆槽宽参数查不到时可估算V 350～450mm ------超前移架时取＞截深滞后移架时可取零 e------人行道宽度不小于06m高度不小于采高的70％ H------采高〔m〕 ------立柱倾角
------梁端距取250～350mm 顶梁全长
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⑵支撑掩护式如图4-2所示 式中同前
------由结构而定考虑支架稳定性和减少底座前端的比压＞300mm ------通常 09～12m在中厚煤层中可设置为人行道 ------由结构而定一般情况为300～500 mm 顶梁全长
注1 顶梁的长度和宽度取决于支架的类型它影响支架与顶板的接触性能控顶距移架速度和稳定性一般在保证一定的工作空间和合理布置设备的前提下应尽量减小顶梁长度以缩小控顶距和支架的重量对于支撑式和支撑掩护式支架由于立柱为双排布置支撑力较大故这类支架的顶梁较长当采用滞后支护时顶梁全长为25m左右当采用及时支护时顶梁全长为3040m对于掩护式支架由于一般用于破碎顶板应尽量减小支架对顶板的重复支撑次数加之立柱多为单排布置故顶梁长度较小通常1525m最大达3 m左右顶梁的宽度应根据支架间距和架型来定我国规定支架标准中心距为15m掩护式和支撑掩护式支架包括侧护板在内的顶梁宽度为1416m 下限为侧护板收缩时的运输宽度15m为支架的正常宽度16m为调架时侧护板伸出后的最大宽度 垛式支架的架间距一般为0102m
2 底座的宽度
支架底座宽度一般为1112m为提高横向稳定性和减小对底板比压厚煤层支架可加大到13 m左右放顶煤支架为 1314m底座中间安装推移装置的槽子宽度与推移装置的结构和千斤顶缸径有关一般为mm
6确定支架型号
根据以上所确定的架型和计算的参数查附录5或〔Ⅰ〕表8-4支架技术特征
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表选择支架
注⑴采高达到2528m以上时需要选择带有护帮装置的液压支架
⑵要考虑是否需设防倒防滑装置我国《缓倾斜煤层工作面顶板分类方案》中规定
煤层倾角大于10°支撑式支架应带有防滑装置
煤层倾角大于15°掩护式和支撑掩式支架应带有防滑装置 煤层倾角大于18°各类支架都应带有防倒装置
⑶考虑到支架对底板的最大比压防止支架底座会被压如底板 三性能验算 1底板比压
顶板压力是通过顶梁支柱传到底板的如底板的抗压如强度小于支架所要求的抗压强度则支架底座会被压如底板因此合理的选择支架对底板的最大比压支架技术特征表中可查是支架选型中一个很重要的指标特别对于底板松软的工作面更为重要必要时应进行测定和计算计算公式如下
＞
式中------实测底板的最小抗压入强度〔〕 ------底板载荷集中系数一般取3 ------洒水影响系数一般取12～16
------支架对底板的最大比压〔〕可由支架特征表查得若查不到也可计算 的计算
⑴平均接触比压若正压力正好通过底座的形心且底座为刚性则接触比压在整个接触面积上是均匀分布的它的平均接触比压为
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式中------支架工作阻力 ------底座与底板的接触宽度 ------底座与底板的接触长度
⑵最大接触比压实际上支架底座对底板的正压力并不通过底座的形心如图4-3所示底座正压力作用点的位置
底座正压力作用点的位置可按下述公式求出 tg
式中------正压力作用点到底座前端的距离 ------底座与底板的接触长度 ------的作用点到O点水平距离 ------底座后端到O点的水平距离 ------支护高度
------顶梁与顶板的摩擦角f tan 01～03
正压力作用点位于接触长度前半段时
当≤时接触比压分布图形为三角形如图4-4a所示最大接触比压数值为 ≥2
当＜＜时接触比压分布图形为梯形如图4-4b所示最大接触比压数值为 ＜＜2
正压力作用点位于接触长度后半段时
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最大接触比压位于底座后端与底板的接触点处接触比压分布图形与前面所述相似如图4-4c和d所示的计算类同上述情况只要将式中用代替即可若确定不下来可按 2来验算
我国煤田一般顶底板单轴抗压强度试验数据 岩石类别 抗压强度 中粒砂岩 粗砂岩
粉砂岩 1060～1460 875～1360 580～1260 370～560
砾岩类 沙砾岩
砂岩类 细砂岩
砾岩 710～1240 820～960
页岩类 砂质页岩
砾岩 400～920 190～400 力的验算
对于掩护式和支撑掩护式支架立柱多为倾斜布置因此工作阻力和初撑力随支架的工作高度的不同而不同高度大支撑力大支架的技术特征大多给出的是最大值在最大高度下为此对于立柱倾角比较大时需验算该支架用于这个采高下的工作阻力和初撑力即
所选定的支架在H采高时的支撑力支护强度≥计算值
当然若使用高度与支架本身的最大高度相差不多或立柱倾斜角较少时可以
灰岩
石灰岩 540～1610
2工作阻力支护强度和初撑
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不用计算
3顶板覆盖率
支架顶梁对支护面积的覆盖率为 式中------覆盖率 ------顶梁宽度〔m〕 ------支架间距〔m〕 ------顶梁长度〔m〕 ------梁端距〔m〕
由侧护板的支架取01m无侧护板的支架取01～02m
覆盖率应符合顶板性质的要求一般不稳定顶板不小于8595中等稳定顶板不小于7585稳定顶板不小于6070
四支架布置台数
式中------支架布置台数 ------工作面长度〔m〕
------一台支架支护宽度通常为15m
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乳化液泵站的选型 一乳化液泵
乳化液泵站是采煤工作面液压支架的动力源一般由两台乳化液泵一个或两个乳化液箱以及相应的电机电控保护原件所组成
在选择泵站时主要的指标是满足液压支架所要求的泵站工作压力以保证支架有足够的初撑力另外为保证液压支架的升降和工作面的支护速度乳化液流量也是一个重要的因素目前泵站的乳化液流量有逐渐向大流量发展的趋势以获得较高的支护速度
1泵站压力的确定 ⑴根据初撑力的要求 MPa
式中------确定的支架初撑力〔N〕 ------支架立柱缸径〔m〕 ------支架立柱个数
------考虑到立柱倾斜布置等因素的修正系数为立柱倾斜角度 ------由初撑力确定的泵站压力 ⑵根据拉架力和推溜力的要求
拉架力和推溜力的计算应根据支架所采用的推拉方式具体考虑例如框架式推拉方式则有
MPa
式中------确定的拉架力〔N〕 ------推拉油缸缸径〔m〕
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------由拉架力确定的泵站压力〔N〕 MPa
式中------确定的推溜力〔N〕 ------推拉油缸活塞杆直径〔m〕 ------由推拉力确定的泵站压力 对于其它推拉公式的推拉力计算省略
取大者即 ｛｝再考虑压力损失得所需的泵站压力 ≥· 压力损失系数 11～12 2泵站流量确定
确定的原则是液压支架的移架速度≥采煤机的工作牵引速度这样才能保证连续安全地进行生产即
≥
式中------采煤机工作牵引速度〔mmin〕
------支架的移架速度〔mmin〕即单位时间内移动支架的数目它反映了沿采煤机牵引方向的距离
式中------一台支架支护宽度一般为15m
------移架时间 为降架移架升降的动作时间供液时间为操作调整时间一般约为03～05分架
与移架千斤顶立柱调架千斤顶的缸径和行程以及乳化液泵站的流量有关 〔分架〕
式中------所需乳化液泵的额定输出流量〔min〕
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-
------移架千斤顶缸径和行程≈014m≈06m
------前探梁短柱缸径和移架时升降行程约为005～01m
------立柱缸径和移架时升降行程降架移架时为005～01m带压移架时 0 ------升降的立柱个数 即有从此式中可求出 3选择乳化液泵
根据和选泵查表〔Ⅰ〕P210表9-7
注说明一点若现有的泵站流量满足不了的要求则适当选一型号并可采取一些措施提高移架速度
⑴减少操作调整时间提高工人的操作水平和适当增加操作人员
⑵采用不同的移步方式以保证≥的要求常用的移步方式有顺序和交错移步前者移架速度小于后者故在条件允许下可采用交错移步以提高
顺序移步支架沿采煤机牵引方向依次迁移移动步距等于截深对顶板的支护较好操作较简单如图5-1a所示移架速度为
交错移步支架呈交错布置隔架前移移动步距为两个采煤机截深减少了对顶板岩层的多次作用这种移步方式的缺点是增加了工作面空间没支护的面积支架立柱排间的行人通道易堵塞此方式多用于顶板比较稳定的煤层由于只移一半支架移架速度比较快如图5-1b所示移架速度为
二乳化液泵的电机功率 〔kw〕
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式中------选用乳化液泵的工作压力〔〕 ------选用乳化液泵的流量〔min〕 ------乳化液泵的总效率07～08 三乳化液箱容积的验算
乳化液箱应能容纳以下三部分流量即
式中 3〔〕
3------三分钟泵的流量〔〕 ------箱底存液量计算时取 ------停泵时管路回流液量〔〕 〔〕
式中------分别为主供液和主回液管的内径和长度 ------查Ⅰp219表10-3〔cm〕 ------取工作面长度〔cm〕 ------煤层厚度变化造成的液量差 〔〕
式中------立柱缸径〔cm〕 ------工作面煤层厚度变化量〔cm〕 ------梅架支架的立柱数 2------同时动作的支架数 四乳化液
液压支架一般用乳化液作工作介质它是由水和乳化油按不同比例配制而成
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乳白色液体按其比例的不同乳化液分两类⑴水包油型乳化液ow乳化油含量为3～5％⑵油包水型乳化液wo乳化油含量为15～40％国内外的液压支架多用水包油型乳化液
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第六章 配套验算 通风计算
通风的目的是为了冲淡有害气体达到安全生产以及保证工作面适宜的气象条件综采面的风量计算较为复杂牵扯因素也比较多常用的简化算法有按沼气涌出量计算按工作面温度计算而在实际中一些矿井的综采面采用经验供风
1按工作面温度计算风量
回采工作面应有良好的劳动气象条件其温度和风速应符合表6-1的要求《煤矿安全规程》1986年版
长壁工作面实际需要风量按下式计算
式中------回采工作面的平均断面积可按最大和最小控顶断面积的平均值计算〔〕
式中------平均采高〔m〕
------有效通风断面系数它随采高和支架架型的不同变动在055～080之间掩护式支架取小值支撑式支架取大值
表6-1 回采工作面 15
15～18 18～20 20～23 23～26 03～05
空气温度与风速对应表
空气温度℃ 风速
＜
41
-
05～08 08～10 10～15 15～18
回采工作面允许极限风速
最低风速ms
最高风速ms
025 40
2经验供风
工作面的风量对采高为2～25m时其风量为400～500其他采高下的风量可按比例选取例如若采高为1～125m时所需风量约为则有
200～250 风速的验算
应满足《煤矿安全规程》的规定 设备的空间尺寸配套关系
采煤机刮板输送机液压支架之间的配套尺寸关系如图6-1所示该图表示采煤机割过煤并移架后的工作面剖视图
图中E------煤壁与铲煤板间的距离一般100～200mm F------铲煤板宽度一般150～240mm X------前柱与电缆槽间隙X≥150～200mm M------人行道宽度M≥700mm
T------梁端距一般250～350mm最小可到150mm薄煤层可取小值 C------过煤高度C≥250～300mm薄煤层时C在200～240mm
Y------过机高度Y≥90～到200～250mm在底板清理良好及机身较短的场合可取小些
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根据选定的设备结合绘制综采工作面机械设备平面布置图加以验证以上参数
综采工作面布置图
综合机械化采煤工作面的配套设备及工作布置图如图6-2所示 图6-2
1 集中控制台2伸缩胶带输送机 3 转载机4 转载机推移装置5 移动变电站6 乳化液泵站7 配电箱8绞车9 锚固支架 com板输送机 12采煤机13巷道棚架14端头支架
参考书
〔Ⅰ〕《采掘机械》 陶驰东 主编 煤炭工业出版社
〔Ⅱ〕《矿山运输机械》 中国矿业学院 主编 煤炭工业出版社
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附录1 附录2 附录3 附录4
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附录5
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附录6 各种典型综采工作面三机配套附图 晋城古书院矿三机配套图 ZZ液压支架 AM500滚筒采煤机 SGB刮板输送机 ZYG型液压支架 MLS3P-170型滚筒采煤机 SGWD-180型刮板输送机 BY3300-1333型掩护式支架 KWB-3KDU型滚筒采煤机 SGZ-刮板输送机
淮安五阳矿架后铺网三机配套图 ZYP型铺网支架
KWS-3KDVW-160X2型滚筒采煤机 SGZ-刮板输送机 ZY大采高支架 MXA-30045滚筒采煤机 SGZC刮板输送机 ZZ支撑掩护式支架 MXA30045滚筒采煤机 SGZ-刮板输送机 VHP型单输机放顶煤支架
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MXA-30045型滚筒采煤机 SGZ-刮板输送机
FY280型插板式放顶煤支架 MGD150-NW滚筒采煤机
前部输送机SGD-90W730后部输送机SGW-40T ZZPL型前铺网支架 MG600W型滚筒采煤机 SGZ-型刮板输送机 TZ720-20532型强力支架 AM500型滚筒采煤机 SGB-型刮板输送机
MG463-DW采煤机与运输机配套关系图
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