薄煤層開采技術(shù)與綜采設(shè)備的發(fā)展

寧桂峰

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

1 概述

我國1.3m以下薄煤層儲量約占全國煤炭總儲量的20%，且分布廣泛，特別是在西南、華東地區(qū)薄煤層煤炭儲量更是占有絕對的比例，但由于薄煤層開采經(jīng)濟效益相對較差，許多礦區(qū)長期采厚丟薄，大量棄采薄煤層，造成資源浪費嚴重。薄煤層的安全高效開采對于解決礦區(qū)開采接續(xù)矛盾，提高資源采出率，緩解地區(qū)煤炭供求失衡意義重大。隨著煤炭市場的好轉(zhuǎn)，薄煤層開采開始得到普遍重視。

上世紀八十年代，我國薄煤層開采技術(shù)較為落后，曾經(jīng)出現(xiàn)過木樁、單體液壓支柱、摩擦式金屬支柱、金屬 (鉸接)頂梁、液壓切頂支柱、滑移頂梁支架、垛式支架、柔掩支架等支護方式以及風鎬落煤、爆破落煤、繩鋸式采煤、螺旋鉆開采等落煤方式，隨煤層地質(zhì)條件的不同，開采方式差別較大。國外薄煤層開采，早期烏克蘭用過螺旋鉆，美國采用過連續(xù)采煤機房柱式開采，由于適應(yīng)性較差，沒有得以推廣。

目前，柔掩支架在一些急傾斜薄煤層礦井中仍有使用，通過鋼絲繩串聯(lián)在一起的多邊形骨架結(jié)構(gòu)掩護支架隨著俯偽斜方式的煤層推進自動下落，并在重力作用下下滑回撤，雖然支護操作簡單，但空間狹小，安全性較差。繩鋸式采煤法是一種應(yīng)用于極薄煤層的刨剮結(jié)構(gòu)，絞車牽引布置了刨齒的長鋸做往復式運動，煤炭隨煤層角度自溜。

螺旋鉆采煤是利用螺旋鉆桿鉆入煤層采煤，并通過鉆桿將采落的煤運出，能夠?qū)崿F(xiàn)0.4～0.8m的煤層開采，特別適用于開采松軟煤層。雖然工人在巷道操作設(shè)備，安全性好，投資相對較少，但螺旋鉆采煤法存在鉆頭耐磨性差，留設(shè)鉆孔間煤柱和鉆孔組間煤柱，巷道掘進率高，丟煤多，效率低的問題。

總體來說，這些開采方式使用的設(shè)備較為簡單，安全性能差，頂板事故多，生產(chǎn)效率低，頂板可控性較差，沒有得到推廣。

2 薄煤層綜采及其裝備

薄煤層開采作業(yè)空間狹小，通風斷面小，開采裝備尺寸與裝機功率之間的矛盾制約設(shè)備配套。目前薄煤層綜合機械化開采方法有:刨煤機配液壓支架綜合機械化開采方法、滾筒采煤機配液壓支架綜合機械化開采、急傾斜薄煤層的綜采和極薄煤層自動化工作面。

2.1 刨煤機綜采

刨煤機采煤方式始于德國，利用帶刨刀的煤刨沿工作面往復落煤和裝煤，刨煤靠工作面輸送機導向。刨煤機結(jié)構(gòu)簡單，便于維修;截深小，單位煤量能耗少，煤的塊度大，煤粉及煤塵量少。刨煤機工作效率高，其切割速度可達到3m/s，切割功率超過2×200kW，最大截深可達到250mm。

刨煤機開采薄煤層的優(yōu)點:容易實現(xiàn)落煤、裝煤、運煤的定采高采煤、淺截深、多循環(huán)、高刨速、整機高度低，易實現(xiàn)工作面自動化開采。刨煤機動力部分放在兩側(cè)巷道中，不進工作面，由于刨頭較低，需要巷道空間尺寸小。由于截深小、粉塵少，在瓦斯突出危險煤層易于實現(xiàn)瓦斯釋放。工作面輸送機和刨煤機均可采用智能驅(qū)動系統(tǒng)，加上可靠的支架控制系統(tǒng)，通過井下計算機控制，刨煤機配套設(shè)備綜采是目前自動化程度最高，效果最好的采煤方式，巷道操作凸顯其在煤與瓦斯突出煤層應(yīng)用中的安全性優(yōu)勢。

刨煤機開采薄煤層的缺點:對復雜煤層條件的適應(yīng)性差;刨頭的破煤能力亟待提高，國產(chǎn)刨煤機可靠性差，進口刨煤機價格昂貴，投入產(chǎn)出比大，短期效益不明顯。

2.2 騎溜式滾筒采煤機綜采

2.2.1 國外薄煤層采煤機情況

國外薄煤層采煤機主要有美國JOY公司的4LS，德國 Eickhoff公司的 EDW－170LN，EDW－300LN，英國Anderson公司的AM420，AS270薄煤層電牽引采煤機、前蘇聯(lián)的K103等采煤機，基本上滿足采高0.6～1.7m煤層開采需要，其主要特點是采煤機總裝機功率較大。

2.2.2 國內(nèi)薄煤層采煤機情況

國內(nèi)薄煤層采煤機主要有MG100/240(200)－BW1，MG100/238－WD，MG150/346－WD，配液壓支架，基本上能夠適應(yīng)緩傾斜以及大傾角薄煤層工作面的綜采。針對具體的煤層條件，通過配套技術(shù)的研究，多電機縱橫向布置采煤機;扁平鏈、外掛式銷排，非常規(guī)矮槽幫;降低配套機面高度;預留最小采高一定挑頂量，采煤機彎搖臂改為直搖臂，實現(xiàn)降低最小采高的目的，該配套方式可實現(xiàn)0.70～0.8m左右采高。

2.2.3 騎溜式滾筒采煤機的典型配套

采煤機的單機效能在很大程度上取決于電動機功率的大小，只有大功率，才有高效能。由于薄煤層賦存條件變化較大，斷層、夾矸、薄帶等地質(zhì)構(gòu)造較多，薄煤層采煤機截割堅硬矸石的幾率比中厚煤層要高，采用大功率電動機或多電動機以增大總裝機容量。目前，滾筒式采煤機截割功率較大的如烏克蘭YKII300薄煤層采煤機、國內(nèi)MG180/420－BWD采煤機。

采煤機采用組合式模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，拆卸方便快捷，動力設(shè)備、控制設(shè)備、冷卻降塵系統(tǒng)組件、減速結(jié)構(gòu)均安裝在主機機身以內(nèi)，主機機身懸掛在運輸機的側(cè)面，機身高度低，過煤空間大，運行速度達到12m/min，能夠?qū)崿F(xiàn)大于500t/h的落煤量，實現(xiàn)采高0.85～1.5m。表1為典型的騎溜式薄煤層滾筒采煤機綜采配套。

表1 典型的騎溜式薄煤層滾筒采煤機綜采配套

總的來說這種配套采煤方式對煤層頂?shù)装鍡l件的相對適應(yīng)性強，設(shè)備投資少，開機率較高。不足的是裝煤效果差，過煤空間小，功率受配套尺寸限制，過構(gòu)造能力差，進一步降低采高受限。

2.3 急傾斜薄煤層綜采

急傾斜薄煤層開采難度較大，煤炭裝備領(lǐng)域?qū)ζ溥M行了綜采機械化有益探索，西班牙研發(fā)了專門用于急傾斜開采的HUNOSAH－1型采煤機，工作面采用7～32°俯偽斜布置，最大傾角81°，工作面支護采用Panzer支撐式兩柱節(jié)式自移支架，支架具有二級擋矸板，適用于0.8～1.7m煤層，上世紀八十年代引進后輾轉(zhuǎn)至重煤中梁山局，因效果不好停止使用。

烏克蘭主要采用了急傾斜煤層的沿傾角俯采推進刨運機組，包括2АНЩ型液壓傳動盾構(gòu)式掩護支架、1АЩМ型刨煤運輸一體機、CHT32－20型液壓泵站等設(shè)備。集支護、控制落頂、采煤和運輸?shù)裙δ転橐惑w，實現(xiàn)急傾斜薄煤層的機械回采。支架對圍巖進行支撐，固定在主支架上的刨煤運輸機對煤層進行剝離，并將剝離下的煤、巖通過巷道送入運輸巷的煤倉中。通過裝在支架上的控制閥和千斤頂，可控制刨煤運輸機進行0.63m截深的剝離作業(yè)。盾構(gòu)式支架專門用于對工作面頂板進行支護，防止工作面上部巖石塌落，控制采空區(qū)頂板落頂，但工作面推進支架要穿越整個工作面，搬家費力，工作面短，效率低下。

天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部采用俯偽斜走向長壁綜采工藝研發(fā)了急傾斜薄煤層設(shè)備，工作面呈俯偽斜布置，避免了煤壁片幫傷人，減少了煤炭自溜過程中因串入采空區(qū)而造成的丟煤。整個工作面沿俯偽斜30°布置，采煤機、輸送機、菱形液壓支架滿足偽斜角度配套要求，該急傾斜長壁綜采首先在奉春煤礦進行試采，設(shè)備調(diào)節(jié)作用良好，積累了有益經(jīng)驗。

2.4 極薄煤層自動化工作面

極薄煤層自動化工作面采用爬底板式電牽引采煤機，通過多電機橫向布置鏈牽引結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，機身高度低于370mm，適用于開采0.5～0.8m的極薄煤層。爬底板式采煤機截割能力強，采用交流變頻調(diào)速，牽引能力大，易于實現(xiàn)自動化，遙控離機控制，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離操作;機面高度低，過煤空間高，電機功率大，機身短，便于實現(xiàn)工作面頭尾的割煤處理，具有較大生產(chǎn)能力。

與之配套，天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部開采裝備技術(shù)研究所研發(fā)了一種極薄煤層新型綜采液壓支架，為實現(xiàn)極薄煤層綜采提供了技術(shù)和物質(zhì)保障，打破了極薄煤層沒有綜采液壓支架支護的局面，滿足了極薄煤層綜合機械化采煤方法的要求。從工藝和技術(shù)裝備上全面解決了極薄煤層的綜采關(guān)鍵技術(shù)問題，包括綜采工作面人員安全、輸送機自動推移、液壓支架自動移架、極薄煤層綜采工作面的循環(huán)作業(yè)，為極薄煤層實現(xiàn)自動跟機等無人自動化工作面創(chuàng)造了前提條件，開創(chuàng)了世界極薄煤層實現(xiàn)自動跟機等無人自動化工作面的先河。

3 薄煤層裝備技術(shù)的發(fā)展

隨著原材料性能的提高和基礎(chǔ)研究的深入，薄煤層裝備研發(fā)制造均得到了提高。

(1)采煤機 機身高度降低的同時，裝機功率加大;無鏈交流電牽引技術(shù)成熟，多電機驅(qū)動、電機橫向布置，從有鏈牽引向無鏈牽引及電牽引方向發(fā)展;截割與牽引功率的增大能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖同采、有較強過斷層能力;提高采煤機的工作可靠性，煤巖識別技術(shù)及自適應(yīng)截割高度。

(2)刮板輸送機 注重結(jié)構(gòu)強度，采用鋼塑復合材料，提高耐磨性，延長壽命，降低摩擦系數(shù)，提高圓環(huán)鏈的性能;重型化、自動化趨勢明顯加強;降低機頭和減速器的高度，保證采煤機割透三角煤，提高采煤效率。

(3)液壓支架 呈現(xiàn)以下特點:支架高度變化范圍大，要求支架立柱伸縮比增大，適應(yīng)薄煤層支架大的采高變化范圍，采煤實踐中支架適應(yīng)高度變化，立柱絕對變化量值不宜小于100mm，不能單獨依靠梁端距的變化提高支架大的高度變化量;由于煤礦地質(zhì)條件、采煤方法以及生產(chǎn)管理的不同，對液壓支架要求迥異，要求液壓支架與采煤機、輸送機等設(shè)備進行綜合考慮，實現(xiàn)設(shè)備成套化設(shè)計與制造，同時還要服務(wù)于采煤工藝特殊性，配套更加合理實用，面向用戶，支架結(jié)構(gòu)趨于多樣化;電液控制系統(tǒng)可使得液壓支架與采煤機、輸送機等一起實現(xiàn)順序、分組或者巷道集中控制，工作面自動化程度提高，便于實現(xiàn)支架狀態(tài)可監(jiān)、可控，參數(shù)量化，改善支護效果，適應(yīng)工作面高產(chǎn)高效安全要求;隨著材料強度等級及其焊接工藝的提高，頂梁厚度降低，同時支架可靠性提高，減少維修，有利于運輸搬家，滿足礦井集約化生產(chǎn)要求，輕型、強力化明顯。

4 展望

薄煤層受空間限制，機、電、通、控需求強烈，采用現(xiàn)代信息處理技術(shù)及多傳感器信息融合技術(shù)，實現(xiàn)綜采設(shè)備的分布式控制;借助PC機控制核心與外圍設(shè)備雙向高速通訊技術(shù)，通過控制器單元執(zhí)行機構(gòu)載體，監(jiān)測采煤機、輸送機、液壓支架等設(shè)備的工況，對機械傳動系統(tǒng)、電氣控制和驅(qū)動系統(tǒng)等故障進行判別和診斷;研究多傳感器融合技術(shù)、設(shè)備故障診斷預警系統(tǒng)等，實現(xiàn)對工作面設(shè)備的自動監(jiān)測、控制及故障診斷;工作面采掘生產(chǎn)過程的“人員值守、無人操控”遠距離機械化、自動化。

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