全自動(dòng)刨煤機(jī)在薄煤層開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

范寧

摘 要：從我國薄煤層開采現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)我國薄煤層開采技術(shù)發(fā)展緩慢的原因進(jìn)行了分析，介紹了全自動(dòng)刨煤機(jī)，包括：全自動(dòng)刨煤機(jī)適用條件和開采特點(diǎn)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置、國內(nèi)國外的應(yīng)用情況，指出全自動(dòng)刨煤機(jī)發(fā)展趨勢(shì)和在我國使用的前景，驗(yàn)證了全自動(dòng)刨煤機(jī)是薄煤層開采的必然。

關(guān)鍵詞：薄煤層；全自動(dòng)刨煤機(jī)；自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1.我國薄煤層賦存情況

我國煤炭資源豐富，已探明儲(chǔ)量約為7700億噸，煤炭資源是我國的寶貴財(cái)富，也是不能再生的一次能源。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在我國已探明的煤礦資源中，84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布，主要分布在河南、山西、河北、山東、四川、貴州、吉林、遼寧、安徽、內(nèi)蒙古等省區(qū)，其中有的礦區(qū)薄煤層儲(chǔ)量更是占有相當(dāng)大的比重，如安徽省占到了72%，四川省占60%，貴州省占37%。[1]

2.我國薄煤層開采技術(shù)發(fā)展歷程

我國薄和極薄煤層的開采經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，20世紀(jì)50年代我國在薄和極薄煤層中主要使用炮采工藝。60年代開始使用深截煤機(jī)掏槽爆破落煤，平面環(huán)行式薄煤層輸送機(jī)運(yùn)煤，人工裝煤，木柱或叢柱支護(hù)頂板，回柱絞車放頂?shù)墓に囅到y(tǒng)。70年代以來，薄煤層機(jī)組得到了較大的發(fā)展。1974年開始研制新型薄煤層采煤機(jī)。80年代以來單體液壓支柱的成功應(yīng)用，促進(jìn)了薄煤層機(jī)組的發(fā)展。BM—100、MLT—150、YRG型等采煤機(jī)等相繼出現(xiàn)，并在雞西、雙鴨山、七臺(tái)河、開灤等局使用，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但滾筒采煤機(jī)由于受到截深和牽引速度的限制，在單產(chǎn)上與中厚煤層的單產(chǎn)要小得多。近年來，各大局（礦）厚、薄煤層開采速度不相適應(yīng)的矛盾日益突出，特別是薄煤層作為解放層開采的礦井，由于薄煤層開采速度緩慢，造成下層厚煤層資源積壓，影響整個(gè)煤炭工業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.我國薄煤層開采技術(shù)發(fā)展緩慢的原因

近年來，各煤機(jī)制造企業(yè)緊緊依靠科技創(chuàng)新，大力發(fā)展綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，機(jī)械化程度非常高，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)步上升，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、全面發(fā)展。但是隨著采煤機(jī)械化的快速發(fā)展，礦區(qū)中厚煤層儲(chǔ)量比例日漸下降，相對(duì)1.5m以下薄煤層儲(chǔ)量比例上升。所以，在國內(nèi)尚無薄煤層高產(chǎn)高效開采技術(shù)條件下，中厚煤層的高強(qiáng)度開采與高產(chǎn)高效礦井持續(xù)性發(fā)展之間的矛盾己見端倪。癥結(jié)在于薄煤層開采作業(yè)空間小，技術(shù)裝備落后，工作條件惡劣，掘進(jìn)率高，回采效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。除特殊短缺煤種外，大部分薄煤層均被暫時(shí)放棄。特別是進(jìn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)后，煤炭行業(yè)整體困難，企業(yè)追求經(jīng)濟(jì)利益的情況下更很少有煤礦開采薄煤層。從而限制了薄煤層開采工藝和技術(shù)裝備水平的提高。

4.全自動(dòng)刨煤機(jī)適用條件及開采特點(diǎn)

全自動(dòng)刨煤機(jī)是一種應(yīng)用在薄煤層的淺截深式采煤機(jī)械，由刨頭和回采工作面兩端的驅(qū)動(dòng)裝置及無極牽引鏈組成。刨頭通過無極牽引鏈的牽引，沿滑行軌道往復(fù)運(yùn)動(dòng)刨削煤壁，刨落下的煤通過輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、自移裝置、皮帶機(jī)運(yùn)輸出工作面，是薄煤層工作面刨削煤層的動(dòng)力設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)薄煤層安全、高效、自動(dòng)化開采。

4.1全自動(dòng)刨煤機(jī)適用條件

全自動(dòng)刨煤機(jī)用于薄煤層綜采工作面[2]，適應(yīng)煤層厚度0.8～2.0m，煤質(zhì)截割阻抗A≤350N/mm（f≤4），煤層傾角≤25°，裝備年產(chǎn)量1.5～2.0Mt的礦井。

4.2全自動(dòng)刨煤機(jī)特點(diǎn)

（1）生產(chǎn)成本低。在薄及中厚煤層長壁工作面使用刨煤機(jī)系統(tǒng)開采，生產(chǎn)成本低、效率高，刨頭以最大刨深高速運(yùn)行可達(dá)到高產(chǎn)。在僅1.3m厚的煤層，可實(shí)現(xiàn)5000噸以上的日產(chǎn)量。

（2）安全高效。不需要操作人員隨著設(shè)備行走，符合最高的安全標(biāo)準(zhǔn)。

（3）操作簡便。在工作面順槽或地面控制室配備優(yōu)化的人機(jī)對(duì)話界面，使自動(dòng)化系統(tǒng)更加靈活，并能對(duì)采礦條件和操作條件下的變化及時(shí)做出反應(yīng)。

（4）維修方便。生產(chǎn)過程中如果需要維修，在工作面任何地方都可以非常容易和快速地進(jìn)行檢修，不會(huì)造成長時(shí)間停工。

5.全自動(dòng)刨煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置

全自動(dòng)刨煤機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、 支架電液控制系統(tǒng)、主控制器、組合開關(guān)箱、擴(kuò)音電話系統(tǒng)等組成。通過主控制器和中央控制室內(nèi)上位機(jī)監(jiān)控軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面設(shè)備的手動(dòng)啟停操作、自動(dòng)刨煤控制以及對(duì)工作面所有設(shè)備狀態(tài)信息的監(jiān)視。

中央控制系統(tǒng)對(duì)采集來的子系統(tǒng)信息進(jìn)行處理，根據(jù)刨煤機(jī)生產(chǎn)過程工藝設(shè)置要求，對(duì)刨煤機(jī)、輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、液壓支架等執(zhí)行元件發(fā)出動(dòng)作指令、對(duì)水冷系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和擴(kuò)音電話系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

支架電液控制系統(tǒng)的主要功能是控制支架的所有動(dòng)作，控制在應(yīng)用程序基礎(chǔ)上進(jìn)行。控制的命令是操作者通過鍵操作發(fā)出，傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)值和用戶設(shè)置的各種參數(shù)也是控制過程的重要條件。

主控制器用于煤礦井下綜采工作面采/刨煤機(jī)、刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、液壓支架、乳液泵及清水泵等整個(gè)綜采系統(tǒng)設(shè)備的全自動(dòng)控制，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)備主要參數(shù)，還可實(shí)現(xiàn)工作面沿線的語音通訊和閉鎖控制。

上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和狀態(tài)監(jiān)視，同時(shí)可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。工作面主要參數(shù)包括刨頭的位置、運(yùn)行方向、液壓支架推移行程、壓力、動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備的啟停等等，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的控制，軟件界面如圖1所示。主要分為四個(gè)部分：支架行程及刨頭位置和運(yùn)行方向、支架壓力、各設(shè)備的啟停狀態(tài)、設(shè)備控制。

（1）支架行程及刨頭位置：用圖形實(shí)時(shí)地顯示各支架的推移行程及刨頭的位置和運(yùn)行方向；

（2）支架壓力：用圖形實(shí)時(shí)地顯示各個(gè)液壓支架立柱壓力大小；

（3）設(shè)備啟停狀態(tài)：用文字和圖形動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的啟停狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相應(yīng)圖形會(huì)閃爍；

（4）設(shè)備控制：功能與主控制器相同，包括手自動(dòng)切換、急停、對(duì)刮板機(jī)、刨頭、轉(zhuǎn)載破碎、乳化泵、清水泵的啟停操作。

6.全自動(dòng)刨煤機(jī)在我國的應(yīng)用

由于刨煤機(jī)成套開采技術(shù)融合了機(jī)械、液壓、電子、網(wǎng)絡(luò)控制等多學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的科技成果，技術(shù)含量高，研制難度大，我國在刨煤機(jī)產(chǎn)品開發(fā)和制造方面進(jìn)展緩慢[3]。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)試圖進(jìn)行研發(fā)，但由于其可靠性與自動(dòng)化水平太差，效率低故障率高，并未得到成功應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)薄煤層安全、高效、自動(dòng)化開采的國產(chǎn)刨煤機(jī)尚屬空白。目前該項(xiàng)技術(shù)被世界上規(guī)模最大的采掘設(shè)備供應(yīng)商德國DBT公司獨(dú)家壟斷，價(jià)格極其昂貴，全套設(shè)備的價(jià)格在人民幣2億元左右，我國共進(jìn)口了9套刨煤機(jī)成套開采設(shè)備，其中鐵法煤業(yè)擁有4套，是應(yīng)用刨煤機(jī)成套開采技術(shù)最成熟的企業(yè)。因此，可實(shí)現(xiàn)薄煤層安全、高效、自動(dòng)化開采的刨煤機(jī)成套設(shè)備在我國并沒有普及應(yīng)用。

7.全自動(dòng)刨煤機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

目前世界刨煤機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)出兩大特點(diǎn)：一是刨煤機(jī)的裝機(jī)功率越來越大，以德國為代表，80年代中期最大功率也只有500kW，目前已達(dá)到800～1600kW，其體積向著緊湊型方向發(fā)展，可靠性更高，自動(dòng)化控制程度更高。由于功率的增大，使刨煤機(jī)的生產(chǎn)能力，刨削硬煤的能力有了明顯提高，適應(yīng)性增強(qiáng)，使工作面過小地質(zhì)構(gòu)造能力增強(qiáng)，給生產(chǎn)管理帶來方便。德國DBT公司是世界上研制刨煤機(jī)最早、產(chǎn)量最大、技術(shù)水平最高的一家公司。目前刨煤機(jī)的技術(shù)水平已發(fā)展到了采高0.6～3 m，截深最大可達(dá)300 mm，可刨煤硬度f=4，刨速最高可達(dá)3 m/s，刨鏈達(dá)φ42 mm，裝機(jī)功率最大可達(dá)2×800 kW，鋪設(shè)長度達(dá)350 m。其二是刨煤機(jī)的適用范圍不斷擴(kuò)大，刨煤機(jī)不但用于采煤，還用于開采油母頁巖等其他有用礦物，并取得較好的效果。

8.全自動(dòng)刨煤機(jī)在我國的使用前景

隨著國家對(duì)資源管理力度加大與資源費(fèi)用的大幅度提高，煤炭產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，由于缺乏有效的開采手段使占煤炭總資源20%的大部分薄煤層未進(jìn)行開采，厚煤層的資源卻在逐漸的枯竭，薄煤層開采已經(jīng)是勢(shì)所必然。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，如果薄煤層產(chǎn)量中有10%左右由刨煤機(jī)開采，每年就需要40套刨煤機(jī)成套開采設(shè)備，如果參照國外刨煤機(jī)的應(yīng)用情況，我國的薄煤層90%以上用刨煤機(jī)成套開采設(shè)備，市場(chǎng)份額可達(dá)600億元以上，發(fā)展前景十分廣闊。

9.結(jié)語

全自動(dòng)刨煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)薄煤層高效、安全、全自動(dòng)化開采，可解決長期困擾我國薄煤層安全、高效開采的難題，對(duì)提高煤炭資源利用率，延長礦井服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。采用新型控制技術(shù)、控制手段，不僅能夠有效的降低無用功的浪費(fèi)，而且可以有效的降噪，降塵，提高煤礦工人的工作舒適度，可實(shí)現(xiàn)薄煤層安全、高效、自動(dòng)化高產(chǎn)，有效改善薄煤層工作面的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)煤礦井下安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉子良.薄煤層工作面全自動(dòng)化刨煤機(jī)成套設(shè)備研究[J].山西焦煤科技，2007，（11）： 7-10.

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