薄煤層綜合機(jī)械化開采設(shè)備的研究

辛永剛　崔麗娟　劉軍美

【摘要】 在我國煤礦中, 較薄煤層的儲量占可采儲量比例較大, 為保證礦區(qū)的可持續(xù)性發(fā)展, 薄煤層的開采被提到議事日程上來。介紹了開灤東歡坨礦、棗莊田陳礦、晉城鳳凰山礦綜合機(jī)械化開采工藝, 同時(shí)對配套設(shè)備及今后注意改進(jìn)方向進(jìn)行了研究, 并分析了其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

【關(guān)鍵詞】 機(jī)械化；開采設(shè)備；研究

一、薄煤層開采的現(xiàn)狀

我國具有豐富的薄煤層資源，據(jù)資料介紹已探明的可開采薄煤層儲量達(dá)到61.5億噸。近年來，薄煤層可采儲量所占比例逐年增加，2006年薄煤層可采儲量已經(jīng)占總煤炭可采儲量的41.18%。其中0.8-1.3m的緩傾斜薄煤層占73.4%。中硬以下的薄煤層占總層數(shù)的64.5%。總的來說，我國薄煤層資源中厚度0.8-1.3m中硬度煤層占大多數(shù)，這些煤層完全可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采。國內(nèi)薄煤層開采技術(shù)的長期落后，許多礦井無法遵循科學(xué)開采程序，被迫“吃肥丟瘦、采厚棄薄”，過早開采厚煤層，造成其上覆一定范圍內(nèi)的薄煤層原始賦存狀態(tài)和連續(xù)性遭受實(shí)質(zhì)性破壞，以致這些資源無法回收的問題十分嚴(yán)重。

二、目前薄煤層開采配套型式

①采用刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的刨煤機(jī)綜采機(jī)組；

②采用滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的采煤機(jī)綜采機(jī)組。

兩種機(jī)組各有特點(diǎn)與適應(yīng)性。刨煤機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可以開采厚度較小的煤層，缺點(diǎn)對地質(zhì)條件要求較高；滾筒式采煤機(jī)優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)能力強(qiáng)，對地質(zhì)條件要求不高，缺點(diǎn)是最小采高受到一定限制。

刨煤機(jī)開采優(yōu)點(diǎn)：

⑴結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，易于實(shí)現(xiàn)自動控制；

⑵充分利用地壓采煤，能耗較低；

⑶原煤塊度大，煤粉及煤塵量少，勞動條件好；

⑷司機(jī)不必跟機(jī)作業(yè)，可在平巷內(nèi)操作，拉架和移動輸送機(jī)時(shí)工人的工作位置相對固定，勞動強(qiáng)度小；

⑸開采瓦斯涌出量均勻，有利于高瓦斯礦井生產(chǎn)。

刨煤機(jī)開采缺點(diǎn)：

刨煤機(jī)缺點(diǎn)是對工作面地質(zhì)條件要求較高，其適宜的開采條件要求工作面斷層相對少，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層硬度系數(shù)f<3～4，頂板相對穩(wěn)定，底板比較平整，煤不粘頂。

滾筒采煤機(jī)開采優(yōu)點(diǎn)：

①適應(yīng)于煤層厚度變化較大的工作面；

②對煤層頂?shù)装迤鸱兓m應(yīng)能力強(qiáng)；

③適用于含有夾矸的煤層回采；

④對工作面長度要求較刨煤機(jī)低。

滾筒采煤機(jī)開采缺點(diǎn)：

薄煤層滾筒采煤機(jī)最大缺點(diǎn)是“小機(jī)身、大功率”問題難以得到有效解決，如何在降低機(jī)面高度的前提下進(jìn)一步提高裝機(jī)功率是薄煤層采煤機(jī)面臨的最大難題。

從各國的使用情況來看，刨煤機(jī)綜采設(shè)備工作安全、塊煤率高，適于開采厚度較小且地質(zhì)條件變化不大的煤層；滾筒式采煤機(jī)對地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)，適應(yīng)于硬煤以及煤層厚度變化較大的薄煤層開采。

三、薄煤層綜采設(shè)備

薄煤層綜合采煤機(jī)械化工作面的設(shè)備與普通綜采工作的設(shè)備相同，只是由于受到采高的限制。各種配套設(shè)備要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)綜采工作面的割煤、裝煤、推溜、移架等全部操作，各種設(shè)備就需要合理的配套。

1、三機(jī)選型及配套原則

(1)按照煤層附存條件和生產(chǎn)條件，合理配套綜采設(shè)備，提高設(shè)備對煤層的適應(yīng)性。

(2)選擇成熟合理的設(shè)備，充分發(fā)揮設(shè)備的綜合潛力，滿足最低綜采指標(biāo)的要求。

(3)設(shè)備選型配套能力要適當(dāng)留有余地，以便有利于進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力。

2、工作面“三機(jī)”選型

(1) 采煤機(jī)的要求：

a ）機(jī)型以騎溜子采煤機(jī)為主，爬底板采煤機(jī)雖然具有機(jī)面高度低，功率大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于這種機(jī)型對地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，使用范圍受到限制。

b ）總裝機(jī)功率要進(jìn)一步提高，裝機(jī)功率、機(jī)面高度與過煤空間三者之間的矛盾仍然是大功率薄煤層采煤機(jī)的主要技術(shù)難題，除發(fā)展新型高效電機(jī)外，采用特殊的總體布置方式仍是一條有效途經(jīng)。

c）以交流變頻調(diào)速電牽引技術(shù)為主，根據(jù)不同用戶的需求，其他電牽引方式如開關(guān)磁組和電磁滑差調(diào)速也要有所發(fā)展。

d）改進(jìn)截割機(jī)構(gòu)，提高截割效率，降低工作面粉塵生成量。采用中高壓噴霧降塵，改善工作面生產(chǎn)環(huán)境。增加滾筒截深，增大截深可提高每一循環(huán)的產(chǎn)量，截深從目前的800mm增加1000mm左右 。

e）完善采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)薄煤層采煤機(jī)遠(yuǎn)距離操縱和故障的早期處理，并逐步發(fā)展自動調(diào)高技術(shù)，實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面自動化開采 。

(2)液壓支架的要求

在液壓支架有足夠初撐力和工作阻力、足夠的強(qiáng)度前提下，盡量減少頂梁、底座的厚度，增加頂梁下行人道的尺寸，提高支架調(diào)高范圍，發(fā)展支架遠(yuǎn)程遙控操作，減少勞動強(qiáng)度。

針對具體煤層條件，支架應(yīng)滿足下列要求：

a)適應(yīng)采高，薄煤層的厚度變化一般較大，采高調(diào)節(jié)幅度大，盡量選擇伸縮比大的支架；

b）能有效支護(hù)頂板，支護(hù)強(qiáng)度符合要求，頂梁相應(yīng)加長；

c）支架底座設(shè)計(jì)盡量要薄，且推移千斤頂后方能排掉矸石，選用兩柱掩護(hù)型；

d）支架上的操縱閥設(shè)置要為增加行人空間提供便利；

e）對于破碎頂板采場，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)前伸縮梁，并將伸縮梁千斤頂鑲嵌于支架頂梁內(nèi)，以保證梁下高度。

考慮到薄煤層礦壓顯現(xiàn)相對緩和、保證行人空間、滿足通風(fēng)要求等綜合因素，目前薄煤層一般選擇兩柱掩護(hù)型支架。

(3)刮板運(yùn)輸機(jī)的要求

a) 機(jī)頭要為矮機(jī)頭，以適應(yīng)電機(jī)在工作面中的布置。

b）中部槽采用低合金鋼鑄造槽幫，底板、中板為高強(qiáng)度耐磨板，提高了中部槽的整體強(qiáng)度和耐磨性。槽間連接采用啞鈴銷連接，強(qiáng)度提高，連接強(qiáng)度可達(dá)800-1000KN.

c） 采用D級鏈條或扁平鏈，中雙鏈結(jié)構(gòu)，受力較均勻，有利于提高輸送機(jī)的可靠性。

d） 銷排側(cè)掛，最大限度減小機(jī)面高度。

3、三機(jī)合理配套

(1)工作面“三機(jī)”合理配套的幾何尺寸：見圖1

A——采煤機(jī)機(jī)身高度；

B——截深，采煤機(jī)滾筒的寬度；

C——割煤安全高度；

D——梁端距；

E——輸送機(jī)與采煤機(jī)之間的過煤高度；

F——立柱底到煤壁的距離；

G——輸送機(jī)寬度；

H——采高；

L——立柱到梁端的長度；

S——輸送機(jī)中部槽寬度；

a——電纜槽和導(dǎo)向槽寬度；

b——前柱與電纜槽之間的距離；

e——煤壁與鏟煤板之間的空隙距離；

f——鏟煤板的寬度；

x——立柱斜置產(chǎn)生水平增距。

(2)三機(jī)能力配套

采煤工作面生產(chǎn)能力取決于采煤機(jī)落煤能力，而刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架及轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮皮帶設(shè)備能力要大于采煤機(jī)的生產(chǎn)能力，液壓支架移架速度要滿足采煤機(jī)割煤、落煤、裝煤的工作速度的要求。

(3)滿足設(shè)備性能要求

①采煤機(jī)自開切口時(shí)搖臂長度、臥底深度與刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾長度相適應(yīng)。

②采煤機(jī)底托架型式、規(guī)格參數(shù)與刮板運(yùn)輸機(jī)的中部槽及鏟煤板、擋煤板的導(dǎo)向方式與其強(qiáng)度相適應(yīng)。

③采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)與刮板運(yùn)輸機(jī)的聯(lián)系、配合方式及其強(qiáng)度相適應(yīng)。

④液壓支架推移裝置與刮板運(yùn)輸機(jī)的連接及運(yùn)用方式、連接位置及性能強(qiáng)度相適應(yīng)。

⑤液壓支架移架速度與采煤機(jī)割煤速度相適應(yīng)。

⑥液壓支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)與煤層傾角相適應(yīng)。

⑦采煤機(jī)的采高、機(jī)身高度、刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭機(jī)尾高度與液壓支架的高度相適應(yīng)。

⑧采煤機(jī)的截深與支架的移架步距相匹配。

4、滿足安全生產(chǎn)的要求

①梁端距一般為150—300mm，以防止漏頂和滾筒切割頂梁。

②保證過煤高度達(dá)到350—400mm，以便煤流順利通過采煤機(jī)機(jī)身底部。

③保證割煤安全高度一般不小于200—300mm。

④保證支架與刮板運(yùn)輸機(jī)及采煤機(jī)有足夠的安全距離，最小200—400mm。

⑤推移千斤頂?shù)男谐桃笥诓擅簷C(jī)截深，一般為100—200mm.

⑥煤壁和鏟煤板之間有空隙，防止采煤機(jī)在通過刮板運(yùn)輸機(jī)彎曲段時(shí)滾筒割鏟煤板，間隙保證100—200mm。

⑦總的配套要使支架柱前到煤壁無柱空間寬度愈小愈好。

四、結(jié)論

薄煤層綜采通過生產(chǎn)檢驗(yàn)，在技術(shù)上可行，安全上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理，井下安全狀況得到改善，生產(chǎn)高度集中，生產(chǎn)系統(tǒng)簡化，為管理科學(xué)現(xiàn)代化礦井創(chuàng)造了條件，為礦井減負(fù)增效、扭虧增盈和建設(shè)現(xiàn)代化礦井打下良好基礎(chǔ)。（薄煤層綜采年產(chǎn)達(dá)到60萬噸，采高1.1-1.5m，高檔普采月產(chǎn)達(dá)2.3萬噸）

我國是世界煤炭產(chǎn)量最大的國家，2006年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的37.4%，占世界井工產(chǎn)量的3/4，可我國人均可采儲量僅相當(dāng)世界平均水平的62%。黨和政府提出了建設(shè)節(jié)約型社會、節(jié)約利用資源的國策。薄煤層是寶貴的煤炭資源。近年來，我國薄煤層機(jī)械化開采技術(shù)和裝備取得新的進(jìn)展，積累了在各種地質(zhì)和礦井條件下的高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。我國引進(jìn)和新研制各種薄煤層機(jī)械化開采裝備必將為提高薄煤層產(chǎn)量和開采技術(shù)水平做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

1中國工業(yè)煤炭協(xié)會《我國薄煤層和傾斜煤層開采經(jīng)驗(yàn)匯編》

2中國礦業(yè)大學(xué)出版社 《采場支架圍巖關(guān)系及應(yīng)用》

3煤炭工業(yè)出版社《綜采技術(shù)手冊》