我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀與思考

寧 宇

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京100013)

1 世界煤炭工業(yè)現(xiàn)狀

2011年，煤炭占到全球主要能源消費(fèi)量的30.3%，全世界有42%的電力來(lái)源于煤炭。2011年，全世界的煤炭產(chǎn)量約7.6954Gt，其中中國(guó)煤炭產(chǎn)量3.52Gt，占全世界煤炭產(chǎn)量的49.5%，中國(guó)的煤炭產(chǎn)量與排名第二至第七國(guó)家的產(chǎn)量總和相當(dāng)［1］。近年來(lái)，世界國(guó)家和地區(qū)煤炭產(chǎn)量見(jiàn)表1。

我國(guó)無(wú)論從煤炭產(chǎn)量還是煤炭消費(fèi)，均是世界首位。由此可見(jiàn)煤炭對(duì)我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)進(jìn)步所起的重要作用。

表1 世界國(guó)家和地區(qū)煤炭產(chǎn)量mt

2 我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采發(fā)展歷程

1974年前，我國(guó)基本沒(méi)有綜合機(jī)械化開(kāi)采工作面。1974年開(kāi)始，首次從德國(guó)引進(jìn)采煤機(jī)、垛式支架等設(shè)備，開(kāi)啟了中國(guó)綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備發(fā)展的先河。1982年，國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)綜放，并于1984年在沈陽(yáng)蒲河礦務(wù)局開(kāi)展首個(gè)60m長(zhǎng)的試驗(yàn)生產(chǎn)面。三十多年來(lái)，伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速平穩(wěn)地發(fā)展，我國(guó)煤炭工業(yè)也逐漸步入“安全、高效、潔凈”的健康發(fā)展快車(chē)道。無(wú)論是煤礦開(kāi)采技術(shù)，還是開(kāi)采裝備水平均取得顯著提升。

1980年，我國(guó)煤炭總產(chǎn)量為0.625Gt;2011年，我國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到了3.52Gt，提高了4.41倍。1993年，全國(guó)礦區(qū)的安全高效礦井僅為12處;截至2009年，全國(guó)安全高效礦井已達(dá)到了360處，增加了29倍;其中343處礦井的總產(chǎn)量達(dá)到0.85Gt，占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的28.6%。

隨著我國(guó)綜合機(jī)械化技術(shù)及裝備的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一大批年產(chǎn)千萬(wàn)噸的安全高效礦井，極大地改善了我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采面貌。我國(guó)千萬(wàn)噸級(jí)礦井?dāng)?shù)量由2001年的1處增加至2010年的40處，產(chǎn)量由11Mt增長(zhǎng)到0.56Gt，占到全國(guó)煤炭產(chǎn)量的17.3%。千萬(wàn)噸礦井總體經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并在綜采工作面單產(chǎn)、工效、綜掘進(jìn)尺指標(biāo)等方面突破多項(xiàng)世界記錄。

“十五”、“十一五”期間，我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)與裝備水平顯著提高，自主研發(fā)并成功采用了3.5～7.0m厚煤層大采高綜采技術(shù)、20m特厚煤層大采高綜放開(kāi)采技術(shù)，使工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)指標(biāo)大幅度提高。同時(shí)，我國(guó)煤機(jī)裝備制造業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，開(kāi)采裝備能力及設(shè)備可靠性均大幅度提高，在電牽引采煤機(jī)、系列化液壓支架、大型刮板輸送機(jī)及大運(yùn)量、大運(yùn)距膠帶輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的開(kāi)發(fā)上均取得了突破。

3 我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)與裝備的新進(jìn)展

3.1 綜采一次采全高開(kāi)采技術(shù)與裝備

目前，綜合機(jī)械化一次采全高是7m以下單一煤層安全高效開(kāi)采的主要采煤方法之一。針對(duì)不同煤層厚度，配套高可靠性的綜合機(jī)械化開(kāi)采裝備，實(shí)現(xiàn)了單一煤層的安全高效生產(chǎn)。

3.1.1 薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備

1.3m以下薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采主要通過(guò)薄煤層滾筒采煤機(jī)或刨煤機(jī)配套相應(yīng)的裝備實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采。薄煤層安全高效開(kāi)采一直是困擾我國(guó)煤炭行業(yè)的一個(gè)技術(shù)難題，由于作業(yè)空間狹窄，工人勞動(dòng)環(huán)境差、強(qiáng)度高，掘進(jìn)率高，現(xiàn)場(chǎng)管理復(fù)雜等諸多問(wèn)題，造成該類(lèi)煤層的開(kāi)采技術(shù)一直停留在機(jī)械化程度低、工效低、安全風(fēng)險(xiǎn)高、經(jīng)濟(jì)效益差的較低水平。薄煤層開(kāi)采急需解決的問(wèn)題主要有2個(gè):一是盡可能實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人的自動(dòng)化生產(chǎn);二是進(jìn)一步攻關(guān)開(kāi)采下限，提高資源采出率。

2000年，鐵法礦務(wù)局與DBT公司合作裝備了國(guó)內(nèi)首個(gè)薄煤層刨煤機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)工作面，配套國(guó)產(chǎn)液壓支架、破碎機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備，工作面達(dá)到了年產(chǎn)1.2～1.5Mt的水平。

“十一五”期間，天地科技股份有限公司承擔(dān)完成的國(guó)家科技支撐計(jì)劃“薄煤層機(jī)電一體化高效開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項(xiàng)目，研制成功了MG100/238－WD型騎溜式電牽引滾筒采煤機(jī)，裝機(jī)總功率238kW，適應(yīng)煤層厚度0.8～1.25m，標(biāo)志著我國(guó)突破了綜合機(jī)械化開(kāi)采1.0m煤層厚度的限制，達(dá)到了最低開(kāi)采厚度0.8m，創(chuàng)薄煤層綜采工藝及配套裝備國(guó)內(nèi)新水平。

上述實(shí)踐表明，科學(xué)合理的綜合機(jī)械化配套設(shè)備在采高較小的煤層條件下，同樣能夠取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。目前，國(guó)內(nèi)厚度1m左右的薄煤層配套合理設(shè)備，產(chǎn)能可達(dá)到1Mt/a左右。

3.1.2 中厚煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備

1.3～3.5m的中厚煤層開(kāi)采技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均已非常成熟，通過(guò)配套合理的綜采裝備，最大產(chǎn)能可達(dá)到5Mt/a左右。如陜煤集團(tuán)黃陵一號(hào)井采用ZY6400/17/35型液壓支架，工作面平均日產(chǎn)達(dá)到15kt;神東公司榆家梁煤礦4－3煤層，平均厚度1.85m，通過(guò)配套大功率采煤機(jī)及自動(dòng)化配套裝備，實(shí)現(xiàn)了工作面自動(dòng)化生產(chǎn)，工作面具備3Mt/a能力，是國(guó)內(nèi)首個(gè)滾筒采煤機(jī)自動(dòng)化工作面。

3.1.3 厚及特厚煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備

3.5～7m的厚煤層一次采全高高效綜采技術(shù)是世界煤炭井工生產(chǎn)技術(shù)及裝備的主要競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)以神華集團(tuán)為代表的煤礦企業(yè)，通過(guò)引進(jìn)大功率高可靠性采煤機(jī)等關(guān)鍵進(jìn)口設(shè)備，率先實(shí)現(xiàn)了厚及特厚煤層的安全高效綜采，建成了年產(chǎn)千萬(wàn)噸的安全高效礦井，整體技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先。

2004年，神東公司上灣礦采用大采高綜采突破10Mt/a，該礦2007年建成國(guó)內(nèi)首個(gè)6.3m大采高綜采工作面，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)綜采工作面采高最大的世界紀(jì)錄。2009年底，神東公司補(bǔ)連塔礦裝備了國(guó)內(nèi)首個(gè)7m大采高綜采工作面，再次刷新了大采高工作面的采高記錄。2011年，陜煤集團(tuán)紅柳林煤礦采用國(guó)產(chǎn)ZY17000/32/70大采高綜采液壓支架(電液控制)，配套艾科夫SL1000電牽引采煤機(jī)，工作面實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)千萬(wàn)噸能力。

近幾年來(lái)，我國(guó)的大采高綜采煤機(jī)裝備制造領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足發(fā)展，在電牽引采煤機(jī)、系列化液壓支架、大型刮板輸送機(jī)及大運(yùn)量、大運(yùn)距帶式輸送機(jī)開(kāi)發(fā)上取得了突破。

“十一五”期間，國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)礦井大采高綜采成套裝備及關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目成功研制MG1000/2500－WD電牽引采煤機(jī)。通過(guò)配套全套國(guó)產(chǎn)設(shè)備，建成了西山斜溝礦年產(chǎn)10Mt的18105綜采示范工作面，工業(yè)性試驗(yàn)階段，工作面最高日產(chǎn)36kt，最高月產(chǎn)876kt，基本達(dá)到了年產(chǎn)千萬(wàn)噸能力的預(yù)定目標(biāo)。

目前，我國(guó)井下在用的兩柱大采高液壓支架工作阻力最大達(dá)18800kN，支架最大高度達(dá)7.2m，并已研制成功MG1150/3000－WD電牽引采煤機(jī)，ZY18800/36/80D兩柱掩護(hù)式液壓支架;SGZ1400/3×1600重型刮板輸送機(jī)等一系列大采高重型煤機(jī)裝備，這些成果均表明我國(guó)綜采一次采全高技術(shù)及裝備制造技術(shù)已躍上了一個(gè)新臺(tái)階。

3.2 綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)與裝備

放頂煤開(kāi)采最早源于歐洲，而其發(fā)展成熟卻在中國(guó)。通過(guò)近30a的發(fā)展，放頂煤開(kāi)采在中國(guó)的厚及特厚煤層開(kāi)采方面表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，已成為此類(lèi)煤層安全高效開(kāi)采的主要采煤方法之一。2003年，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司天地科技開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部研究人員綜合放頂煤及大采高的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新性地提出了大采高綜放開(kāi)采方法，目前已成為14～20m特厚煤層一次開(kāi)采的主要方法。

“十五”期間，兗州興隆莊煤礦實(shí)踐的“600萬(wàn)噸綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”項(xiàng)目在綜放技術(shù)領(lǐng)域取得突破?！笆晃濉逼陂g，國(guó)家科技支撐計(jì)劃“特厚煤層大采高綜放開(kāi)采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”項(xiàng)目針對(duì)14～20m特厚煤層大采高綜放開(kāi)采，研制成功年產(chǎn)10Mt大采高綜放開(kāi)采技術(shù)及配套裝備，研發(fā)成功ZF15000/28/52四柱大采高綜放液壓支架，將放頂煤工作面機(jī)采高度增加至5m，一次采出厚度可達(dá)20m，項(xiàng)目通過(guò)在同煤大唐塔山煤礦8105工作面進(jìn)行了技術(shù)與裝備的集成示范，工作面實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)千萬(wàn)噸能力，研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

目前，配套全部國(guó)產(chǎn)裝備的綜放工作面可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)6～10Mt。這些成果標(biāo)志著國(guó)內(nèi)對(duì)年產(chǎn)千萬(wàn)噸大采高綜放工作面技術(shù)及裝備取得的豐碩成果，大采高綜放開(kāi)采技術(shù)在國(guó)內(nèi)外類(lèi)似條件煤層開(kāi)采中具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

3.3 短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采 (也稱(chēng)為旺格維利采煤法)是礦井不規(guī)則煤柱及塊段區(qū)域，以及不適宜布置長(zhǎng)壁工作面的區(qū)段煤層實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開(kāi)采的主要方法。90年代末，由澳大利亞引進(jìn)我國(guó)并在神東礦區(qū)推廣使用，目前主要在我國(guó)神東礦區(qū)、鄂爾多斯及榆林地區(qū)、山西晉城、大同、西山等礦區(qū)廣泛應(yīng)用。

以神東公司上灣礦為例，2002年，該礦利用旺格維利采煤法，全年生產(chǎn)原煤3.348Mt，回采工作面效率為174.07t/工。

“十一五”期間，國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“煤炭資源高效采選關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”項(xiàng)目研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)EML340連續(xù)采煤機(jī)及后配套連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)連續(xù)采煤機(jī)制造的空白。

此外，我國(guó)針對(duì)短長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采需求，自主研發(fā)了單滾筒電牽引短壁采煤機(jī)。在整機(jī)功率相同情況下，單滾筒采煤機(jī)比雙滾筒采煤機(jī)更適宜于工作面長(zhǎng)度小于90m的短長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采需要。由于只有單個(gè)滾筒，滾筒的截割功率更高，生產(chǎn)效率更高。

3.4 困難條件下綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)與裝備

近年來(lái)，我國(guó)煤礦技術(shù)人員積極攻關(guān)難采煤層開(kāi)采技術(shù)。通過(guò)不斷地努力，已取得階段成果，在部分條件下的難采煤層開(kāi)采已可實(shí)現(xiàn)更高程度的機(jī)械化開(kāi)采，甚至可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開(kāi)采。

例如，我國(guó)針對(duì)急傾斜薄煤層復(fù)雜的開(kāi)采條件，自主研發(fā)成功了急傾斜薄煤層走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法及配套全部開(kāi)采裝備。研制成功的JBB－Ⅰ型急傾斜薄煤層刨運(yùn)綜采機(jī)組可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大傾角70°，0.7～1.5m的急傾斜薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采。目前，該套機(jī)組已完成工業(yè)性試驗(yàn)，課題研發(fā)由“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目基金支持。

4 存在的問(wèn)題及發(fā)展方向

目前，我國(guó)在高端液壓支架、重型輸送機(jī)設(shè)備等裝備核心技術(shù)方面已經(jīng)居于國(guó)際先進(jìn)水平，綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)及裝備均處于國(guó)際領(lǐng)先地位。煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采所需的液壓支架及其電液控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。此外，由我國(guó)生產(chǎn)的成套綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備已實(shí)現(xiàn)出口。

但同時(shí)也要看到，我國(guó)煤炭綜合機(jī)械化發(fā)展道路仍然存在一些問(wèn)題急需解決。

(1)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層、難采煤層的綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)問(wèn)題 難采煤層是指那些賦存不穩(wěn)定、構(gòu)造復(fù)雜或有特殊災(zāi)害威脅，在當(dāng)前的開(kāi)采技術(shù)條件下，開(kāi)采困難、安全生產(chǎn)條件不好、難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開(kāi)采的煤層。各類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)條件下的難采煤層是綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)推廣的難點(diǎn)，需進(jìn)一步攻關(guān)解決。

(2)中小煤礦綜合機(jī)械化改造及提高資源采出率技術(shù) 我國(guó)既有以代表國(guó)際領(lǐng)先水平的先進(jìn)產(chǎn)能的大型千萬(wàn)噸安全高效高采出率礦井，也同時(shí)存在開(kāi)采方法、技術(shù)及裝備均非常落后的中小煤礦。我國(guó)大量的中小煤礦普遍采用落后的開(kāi)采技術(shù)及裝備，效率低，安全風(fēng)險(xiǎn)高，資源采出率低。需進(jìn)一步針對(duì)此類(lèi)礦井條件，研發(fā)適合中小煤礦綜合機(jī)械化改造的技術(shù)及裝備，淘汰落后產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)我國(guó)大量中小煤礦的安全高效高采出率生產(chǎn)。

另外，對(duì)于不同條件下煤層的提高資源采出率技術(shù)也需要進(jìn)一步研究，例如我國(guó)厚及特厚煤層目前主要采用的大采高綜采及綜放開(kāi)采2種方法實(shí)現(xiàn)了厚及特厚煤層的安全高效生產(chǎn)，但同樣存在巨厚頂煤回收、端頭及三角區(qū)域頂煤回收、區(qū)段煤柱回收等問(wèn)題。

(3)國(guó)產(chǎn)大型設(shè)備整機(jī)可靠性、使用壽命及智能化攻關(guān) 我國(guó)生產(chǎn)的工作面高端裝備與國(guó)外產(chǎn)品的差距不在功率和生產(chǎn)能力上，而在于可靠性、使用壽命及自動(dòng)化功能。以大功率采煤機(jī)為例，我國(guó)生產(chǎn)的高端采煤機(jī)裝備與國(guó)外產(chǎn)品相比，在整機(jī)可靠性、壽命及自動(dòng)化方面依然存在較大差距，導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的千萬(wàn)噸工作面仍主要采用進(jìn)口采煤機(jī)。因此，我國(guó)亟需提高綜采工作面主要設(shè)備的整機(jī)可靠性、使用壽命和自動(dòng)化水平。

(4)煤機(jī)裝備的關(guān)鍵元部件可靠性難題攻關(guān) 目前，我國(guó)生產(chǎn)的高端煤機(jī)裝備能力及功率數(shù)據(jù)雖然都較高，但此類(lèi)高端煤機(jī)裝備的主要元部件卻仍主要采用進(jìn)口產(chǎn)品。因此，我國(guó)需要繼續(xù)開(kāi)展對(duì)工作面關(guān)鍵設(shè)備的主要元部件，例如密封、電控、齒輪、變頻器、軸承、軟啟動(dòng)、減速器等的技術(shù)和可靠性攻關(guān)，縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備取得了巨大進(jìn)步?！笆濉?、“十一五”期間，我國(guó)在煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備研發(fā)方面的創(chuàng)新步伐逐漸加快，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)取得重大突破?！笆濉逼陂g，我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及裝備必將取得更多重大突破，煤炭工業(yè)整體將取得更大進(jìn)步，為保障我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的健康、快速發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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