煤柱回收可行性分析

張?zhí)烊?，魏棟梁，王悅?/p>

(三一重型裝備有限公司 支護(hù)研究院，遼寧 沈陽 110027)

目前，我國內(nèi)蒙古地區(qū)很多煤炭基地都利用房式開采體系，只采煤房，不采煤柱，這必然形成呆滯煤量。房式采煤這種掠奪式的開采，現(xiàn)已成為中國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的戰(zhàn)略性問題。提高煤炭資源回收率，不僅僅是一個(gè)企業(yè)、一個(gè)區(qū)域的問題，還是一個(gè)涉及到中國煤炭工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略問題，其研究及推廣意義重大[1]。本文闡述了煤柱回收不僅節(jié)約不可再生煤炭資源，其環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益也非常顯著。并根據(jù)鄂爾多斯地區(qū)房式采煤普遍的開采結(jié)果，有針對(duì)性的制定了煤柱回收切實(shí)有效的開采工藝，開發(fā)了成套先進(jìn)的煤柱回收設(shè)備。

1 煤柱回收的意義

鄂爾多斯地區(qū)煤礦長(zhǎng)期以來采用房式開采方法采掘煤炭，回采率非常低，只有20%～30%。這種掠奪式的開采，使該地區(qū)地下遺留許多采掘煤房后的礦井，存有大量的煤柱、頂煤及邊角煤，稱為呆滯煤炭。不但使優(yōu)質(zhì)的煤炭資源浪費(fèi)，還造成以下地質(zhì)災(zāi)害：

(1)殘煤井下自燃。每年都有一些廢棄的礦井發(fā)生自燃災(zāi)害，政府和企業(yè)要花費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行治理。

(2)地表突然塌陷。導(dǎo)致呆滯煤炭回收難度增大，甚至無法回收。

開展煤柱回收工程，不僅能大大提高不可再生的煤炭資源回收率，甚至與長(zhǎng)壁綜采面相媲美，消除因井下呆滯煤炭帶來的一系列問題。還可延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，并解決數(shù)以萬計(jì)人民的就業(yè)問題，增加國家和地方政府的財(cái)政收入，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是一個(gè)利國利民的好項(xiàng)目。

2 煤柱回收工藝

伊泰集團(tuán)對(duì)房式開采留下的煤柱回收工程，投入了很大的精力進(jìn)行攻關(guān)，積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，工藝基本成熟，已取得了較大進(jìn)展。

因圍巖條件不同，房柱開采結(jié)果不同，需采用不同的煤柱回收工藝[2]。根據(jù)鄂爾多斯地區(qū)較為普遍的情況，假定條件為：房柱式開采、煤柱十字布置、煤柱尺寸為8×8m、煤房寬度為8m；原采高≤4.4m、頂板較完整；礦井基本生產(chǎn)系統(tǒng)健全；具備機(jī)械化設(shè)備開采條件。

煤柱回收基本方法，是以履帶支架支護(hù)煤房頂板，逐排回收煤柱和頂板，然后推進(jìn)支架，強(qiáng)迫頂板垮落，回收下一排煤柱。主要包括：支護(hù)、切割煤柱、煤炭轉(zhuǎn)載運(yùn)輸、浮煤清理、強(qiáng)制放頂預(yù)打眼、支架前行、強(qiáng)制放頂、臨時(shí)支護(hù)、通風(fēng)和采空區(qū)防火等。主要工序具體如下：采用前一排距采空區(qū)側(cè)留設(shè)1.5m煤柱，6個(gè)煤柱橫向一次進(jìn)刀，采寬3.3m；然后，在最后一排每?jī)蓚€(gè)一組的煤柱縱向中心進(jìn)刀，采寬4m；每個(gè)煤柱只剩余三個(gè)矩形小煤柱(1.8m×8m，1.8m×3.2m，2m×3.2m)；在切割完剩余三個(gè)矩形小煤柱上打眼，工作面全部切割結(jié)束后，裝藥和連接遙控起爆接收器；履帶行走式液壓支架前移至切頂線以前，爆破穩(wěn)定后，再進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

爭(zhēng)取在發(fā)火期內(nèi)推進(jìn)完成一個(gè)條帶，盡量采用順槽保護(hù)煤柱和護(hù)巷煤柱做為采空區(qū)隔離帶，采空區(qū)防火密閉滯后工作面2～3排，隨工作面推進(jìn)；只要采空區(qū)與其他區(qū)域有連通，必須嚴(yán)格密閉，工作面結(jié)束后及時(shí)封閉。

3 煤柱回收設(shè)備

運(yùn)用煤柱回收成套設(shè)備，可省去以往的架設(shè)專用支架、錨桿支護(hù)等緩慢的輔助工序，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)房柱式落煤、裝煤、運(yùn)煤及支護(hù)工序的機(jī)械化生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全部垮落法管理頂板，提高資源采出率，安全生產(chǎn)。主要設(shè)備包括連續(xù)采煤機(jī)、梭車、履帶行走式液壓支架等。

3.1 ML340連續(xù)采煤機(jī)

連續(xù)采煤機(jī)[3]是一種適用于短壁式開采、集截割、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)、移動(dòng)行走、噴霧降塵于一身的綜合機(jī)械化開采設(shè)備。它具有體積小、調(diào)動(dòng)靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅可開采煤炭，還能用于巷道掘進(jìn)，在國外已廣泛地使用。

ML340連續(xù)采煤機(jī)是自主開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化連采機(jī)，該機(jī)主要用于巷道的快速掘進(jìn)以及房柱式采煤、回收邊角煤，適用于掘進(jìn)破碎煤層硬度≤f4，夾矸硬度≤f8，斷面9～28m2的煤、半煤巖巷道的巷道施工。

ML340連續(xù)采煤機(jī)機(jī)身矮，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，工作穩(wěn)定。主要特點(diǎn)如下：

(1)截割滾筒引用國外技術(shù)，采用小直徑截割頭，截齒布置合理，破煤過斷層能力強(qiáng)、截割振動(dòng)小、工作穩(wěn)定性好。

(2)星輪裝載機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，提高了裝載機(jī)構(gòu)的可靠性。

(3)采用履帶行走機(jī)構(gòu)，使用進(jìn)口的馬達(dá)帶動(dòng)減速機(jī)，性能好，故障率低，互換性強(qiáng)。漲緊液壓缸放置在履帶架側(cè)面，方便維護(hù)。

(4)電氣系統(tǒng)采用可編程控制器(EPEC)作為主控制器，具有工況檢測(cè)和故障診斷功能，可以實(shí)現(xiàn)無線遙控和手動(dòng)操作兩種方式，同時(shí)設(shè)有液晶顯示屏指示操作或進(jìn)行故障點(diǎn)顯示。

3.2 SC15/111梭車

梭車是短壁機(jī)械化開采設(shè)備中的關(guān)鍵配套設(shè)備之一[4]。主要功能是在連續(xù)采煤機(jī)后，將連續(xù)采煤機(jī)開采的煤轉(zhuǎn)運(yùn)至給料破碎機(jī)的料斗內(nèi), 卸完后返回連續(xù)采煤機(jī)處再一次裝煤。其特點(diǎn)是能較好地發(fā)揮連續(xù)采煤機(jī)的回采能力,較大幅度地提高短壁式開采的生產(chǎn)效率, 減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

SC15/111梭車適合于井下短距離運(yùn)煤、卸煤，運(yùn)距小于200m，為中厚煤層短壁機(jī)械化開采設(shè)備中與連續(xù)采煤機(jī)配套使用的關(guān)鍵運(yùn)煤設(shè)備。具有以下特點(diǎn)：

(1)車體防碰撞結(jié)構(gòu)，前、后機(jī)架分別用高強(qiáng)鋼板焊接而成，敞開式焊接結(jié)構(gòu)，承載能力大，卸載方便快捷，具有超強(qiáng)的防碰撞功能。

(2)雙向駕駛，座椅舒適可調(diào)，司機(jī)室頂棚高度液壓可調(diào)。

(3)采用EPEC專用控制器，CAN總線控制，有彩色液晶顯示、攝像監(jiān)控、瓦斯檢測(cè)報(bào)警等性能，能自動(dòng)顯示梭車工作參數(shù)、并進(jìn)行故障診斷。

3.3 ZX10000/30/50履帶行走式液壓支架

履帶行走式液壓支架集行走和支護(hù)于一體，主要與連續(xù)采煤機(jī)相配套進(jìn)行煤柱回收[5]?；厥彰褐鶗r(shí)，支架有效支護(hù)頂板，給人員及設(shè)備提供安全的作業(yè)空間；一旦支架被埋，可以輔助逃逸。

ZX10000/30/50履帶行走式液壓支架是在國際及國內(nèi)現(xiàn)有機(jī)型的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的，該機(jī)同奧地利阿爾卑尼公司的ABLS185/380/540型、美國弗萊徹公司的MRS-3H型、太原煤科院的XZ7000/24/45型履帶行走式液壓支架相比，在支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)高度、地隙、逃逸性能、控制系統(tǒng)抗干擾性能等方面，優(yōu)于同類產(chǎn)品。

ZX10000/30/50履帶行走式液壓支架，可實(shí)現(xiàn)本架手動(dòng)和遠(yuǎn)距離有線、無線控制三種操作方式，滿足房柱式開采煤柱回收工況需要。具有以下特點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)件制造優(yōu)良，運(yùn)用先進(jìn)、可靠的高強(qiáng)度鋼板焊接技術(shù)和熱處理工藝，可靠性大大提高。

(2)一個(gè)發(fā)射器可控制五臺(tái)履帶行走式液壓支架；主控制器采用具有CAN通訊功能的EPEC，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性；遙控器采用德國HBC的技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。

(3)該支架采用整體焊接摩擦板式剛性底座,解決了在高達(dá)10000kN的工作阻力下，履帶板易損壞問題。該項(xiàng)技術(shù)已申請(qǐng)實(shí)用新型專利。

4 安全性分析

煤柱回收設(shè)備中，關(guān)鍵設(shè)備是履帶行走式液壓支架，依靠多臺(tái)履帶支架成組分散支撐在相應(yīng)煤房中，采完煤柱后移動(dòng)到下一排煤房中，來保證人員和設(shè)備的安全。ZX10000/30/50履帶行走式液壓支架有以下特點(diǎn)：

(1) 支護(hù)阻力大，達(dá)到10000 kN,可保證對(duì)煤房頂板的可靠支撐；

(2) 無線和有線遙控功能，遙控距離30m，操作人員可以站在安全區(qū)域內(nèi)進(jìn)行操作；

(3) 有較強(qiáng)逃逸功能，一旦頂板在預(yù)期外塌落，可以實(shí)現(xiàn)自助逃逸和互助逃逸；

(4) 回收工藝中考慮保留預(yù)警煤柱，等行走支架等設(shè)備安全撤離以后對(duì)其實(shí)施爆破，強(qiáng)行控制頂板落下，減少頂板壓力，增強(qiáng)安全性。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

使大量呆滯煤柱實(shí)現(xiàn)回收利用，提高資源回收率；并且使已經(jīng)破壞的環(huán)境得以改善，減少地質(zhì)安全隱患；可以對(duì)舊礦井稍加改造，整理運(yùn)輸通道和添加通風(fēng)設(shè)施后就可以采煤，大量減少礦井投資，縮短建井周期；根據(jù)工作面具體情況，選擇行走支架數(shù)量，投入成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相同產(chǎn)量綜采工作面，大概為綜采工作面的1/2～1/3,回采率也能達(dá)到70%左右。

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，伊泰集團(tuán)呆滯煤炭?jī)?chǔ)量約4.35億t,至少能回收2億t，工業(yè)產(chǎn)值約360億元，利潤約200億元；整個(gè)鄂爾多斯地區(qū)呆滯煤炭可采儲(chǔ)量約10億t，工業(yè)產(chǎn)值約1800億元，利潤約1000億元。若每年開采20個(gè)回收礦井，每個(gè)礦井回收100萬t煤炭(工業(yè)產(chǎn)值約36億元，利潤20億元)，則可以持續(xù)回收50年。

6 結(jié) 語

綜上所述，自主開發(fā)的房柱式開采成套設(shè)備，其性能接近(某些方面甚至超過)國外公司的水平，但價(jià)格只有國外設(shè)備的70%左右，配件供應(yīng)和售后服務(wù)國外產(chǎn)品更是無法比擬。不僅可以用于煤柱回收項(xiàng)目，也可以用于房柱式開采，較之長(zhǎng)壁式開采工藝具有投資少、見效快的顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其適合內(nèi)蒙古等地區(qū)的煤炭地質(zhì)條件。

[1] 鹿志發(fā),孫建明,潘金，等.旺格維利(Wongawilli)采煤法在神東礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002，30(增刊):11-18.

[2] 劉克功. 短壁開采技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2007.

[3] 王安.連續(xù)采煤機(jī)房柱式短壁機(jī)械化采煤技術(shù)的研究與實(shí)踐[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2002.

[4] 李春英,樊運(yùn)平. 一種新型短壁開采設(shè)備—TY9FB型梭車[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005,128(1):51-53.

[5] 任葆銳. 履帶行走式液壓支架的研究[J]. 煤礦機(jī)械，1999(10)：15-18.