1.0米以下薄煤層全自動(dòng)化刨煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)研究與實(shí)踐

楊清成　馮志偉

摘 要：通過(guò)對(duì)1.0米以下薄煤層全自動(dòng)化刨煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)研究與實(shí)踐，破解了極薄煤層安全、高效開(kāi)采的的世界性技術(shù)難題，為我國(guó)薄煤層煤炭資源的安全、高效開(kāi)采奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)提高我國(guó)煤炭資源回收率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：薄煤層開(kāi)采；全自動(dòng)化；刨煤機(jī)；相關(guān)技術(shù)；安全高效

前言

鐵法礦區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量22.59億t，占遼寧省總儲(chǔ)量的1/3以上，1.5m 厚以下的薄煤層儲(chǔ)量6.2億t，占礦區(qū)總儲(chǔ)量的26%。從鐵法礦區(qū)開(kāi)采程序來(lái)看，各礦井首先主要開(kāi)采條件較好的4號(hào)、7號(hào)煤層（中厚煤層），而4號(hào)、7號(hào)煤層儲(chǔ)量逐年減少，下部的8號(hào)、9號(hào)煤層以及下煤組（大部分煤厚均在1.5m以下）急需開(kāi)采，應(yīng)用傳統(tǒng)的開(kāi)采方法回采薄煤層，必然造成單產(chǎn)低，經(jīng)濟(jì)效益下降。如放棄不采，或放到后期集中開(kāi)采，就會(huì)減少礦井服務(wù)期限，造成煤礦嚴(yán)重虧損。為了破解薄煤層安全高效開(kāi)采這一技術(shù)難題，1999年鐵煤集團(tuán)在全國(guó)率先從德國(guó)引進(jìn)自動(dòng)化刨煤機(jī)，經(jīng)過(guò)小青礦井下工業(yè)性試驗(yàn)取得成功。至2013年底，集團(tuán)公司共擁有德國(guó)DBT刨煤機(jī)4套、國(guó)產(chǎn)化刨煤機(jī)1套，分布在小青礦、大明礦、曉南礦、曉明礦開(kāi)采1.3～1.6m厚的薄煤層，共回采薄煤層工作面34個(gè)，累計(jì)生產(chǎn)煤炭1392.5萬(wàn)t。在此基礎(chǔ)上，鐵煤集團(tuán)又劍指1.0m以下薄煤層刨煤機(jī)全自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)難題，組織專業(yè)人員開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，并于2014年成功打造了“鐵法模式”升級(jí)版，取得了1.0m以下薄煤層年產(chǎn)100萬(wàn)t以上的技術(shù)成果。

1 1.0m以下薄煤層全自動(dòng)化刨煤機(jī)開(kāi)采適應(yīng)條件

1.0m以下薄煤層全自動(dòng)化刨煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)，一般適合開(kāi)采煤厚不低于0.8m，煤層傾角小于15°，煤層起伏小于6°，硬度為2～3的薄煤層；當(dāng)煤層硬度大于3時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整支護(hù)參數(shù)、落煤深度和利用工作面超前壓力對(duì)煤層的影響等方式來(lái)適應(yīng)煤層硬度變化；當(dāng)煤層頂板破碎或底板較軟影響開(kāi)采效率時(shí)，可以將自動(dòng)移架改為人工操作移架。

2 1.0m以下薄煤層全自動(dòng)化刨煤機(jī)工作面設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)

2.1 采煤工作面設(shè)計(jì)

1.0m以下薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)一般采用長(zhǎng)壁式布置方式，推進(jìn)長(zhǎng)度根據(jù)地質(zhì)條件一般布置在3000m以內(nèi)。工作面長(zhǎng)度一般布置在200m左右，按3組支架為1組的尺寸遞減，如煤層賦存條件允許，為增加開(kāi)采效率，工作面面長(zhǎng)可布置到300m，工作面長(zhǎng)度達(dá)到300m時(shí)，考慮到通風(fēng)以及工作面設(shè)備檢修、維護(hù)的安全和高效，可采用兩入一回的W型通風(fēng)的巷道布置方式。工作面兩順根據(jù)自動(dòng)化開(kāi)采設(shè)備的需要，運(yùn)輸順槽寬度一般為5.6m，高度為3.0m；回風(fēng)順槽一般寬度為5.0m，高度為2.8m。

2.2 設(shè)備選型

為實(shí)現(xiàn)薄煤層機(jī)械化落煤、采空區(qū)自然垮落、自動(dòng)化無(wú)人（或少人）控制，依據(jù)薄煤層開(kāi)采技術(shù)選取配套的設(shè)備類型。

2.2.1 落煤設(shè)備

1.0m以下薄煤層開(kāi)采技術(shù)目標(biāo)是“實(shí)現(xiàn)0.8m采高、自動(dòng)化無(wú)人（或少人）操作、月產(chǎn)8萬(wàn)t以上”，這就要求落煤設(shè)備符合0.8m采高的技術(shù)要求。GH9-38Ve/5.7N型刨煤機(jī)，刨頭最低高度800mm，符合1.0m以下采高的技術(shù)要求。選取該型刨煤機(jī)。刨煤機(jī)生產(chǎn)能力為735t/h；電機(jī)功率為200/400kW；截深為0～195mm；采用無(wú)極鏈牽引方式。

2.2.2 支護(hù)設(shè)備

采用ZY4800/06/16.5型支架，該支架最大有效支撐高度1650mm，最小合理支護(hù)高度800mm，伸縮比較大，能夠適應(yīng)薄煤層煤厚的變化。為適應(yīng)薄煤層開(kāi)采技術(shù)要求，支架設(shè)備設(shè)施占用空間能進(jìn)一步減少，對(duì)支架設(shè)備設(shè)施做重新設(shè)計(jì)布置，從而進(jìn)一步降低工作面液壓支架的支護(hù)高度。

（1）功能控制閥組布置設(shè)計(jì)方式?？缮炜s式布置。為實(shí)現(xiàn)支架的自動(dòng)化操作，支架采用PMC-R電液控制系統(tǒng)。控制閥組位置向架內(nèi)移200mm，行人空間寬度加大200mm?？刂崎y組固定方式由螺栓式改為滑道銷固定，滑道行程為500mm，檢修時(shí)控制閥組可拉出500mm，便于檢修和操作。

（2）架前空間調(diào)整方式?？烧{(diào)節(jié)式布置。支架推移桿滑移連接頭固定銷向后調(diào)整一個(gè)檔位，支架相對(duì)運(yùn)輸機(jī)距離拉大100mm，空間寬度加大100mm，支架對(duì)應(yīng)運(yùn)輸機(jī)電纜槽位置上方的頂梁厚度由原來(lái)170mm降到130mm，空間高度增加40mm。

（3）閥鎖位置設(shè)計(jì)布置。外露式布置。將平衡千斤頂單向閥改到前面，立柱雙向鎖位置由掩護(hù)梁改至頂梁立柱柱窩后側(cè)便于檢修。

（4）供液管路布置方式。多通式布置。對(duì)主供液多通塊設(shè)計(jì)為水平布置，使進(jìn)、回液膠管平行工作面吊掛在主閥前支架底座上，防止在架內(nèi)壓壞，行人不受阻擋，增大了有效空間。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新后，（空間計(jì)算）工作面采高0.9m時(shí)，有效作業(yè)斷面0.70m2（寬度上0.9m、下1.2m、高0.77m）。支架與運(yùn)輸機(jī)間距達(dá)到200mm，增強(qiáng)了對(duì)煤層起伏及厚度變化的適應(yīng)性。

2.2.3 運(yùn)輸設(shè)備

根據(jù)薄煤層開(kāi)采運(yùn)輸能力要求采用DBT-PF3/822型運(yùn)輸機(jī)，電機(jī)功率為200/400kw；輸送能力為2500t/h；中部槽尺寸：1505×1534×569mm。為使運(yùn)輸設(shè)備附屬設(shè)備設(shè)施結(jié)構(gòu)更緊湊，增大工作面內(nèi)部作業(yè)空間，做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

（1）電纜槽設(shè)計(jì)。壓縮式設(shè)計(jì)。采用兩端供電、集中控制技術(shù)后，取消了工作面4根動(dòng)力電纜，只鋪信號(hào)電纜，釋放了空間。為此運(yùn)輸機(jī)電纜槽高度設(shè)計(jì)為70mm高電纜槽，降低了運(yùn)輸機(jī)整體高度，減少了占用的空間，防止支架壓運(yùn)輸機(jī)。

（2）附屬設(shè)施位置布置。內(nèi)含式布置。電話及急停開(kāi)關(guān)由側(cè)面改到電纜槽下方，增大了架前與運(yùn)輸機(jī)之間的空間，更加便于施工人員作業(yè)及通行。

2.2.4 端頭設(shè)備

為減小前后三角點(diǎn)的斷面，降低端頭支架的占用空間，進(jìn)行了兩項(xiàng)自主設(shè)計(jì)：

（1）瘦身式支架設(shè)計(jì)。工作面前端頭采用三組ZT6200/18/32D端頭支架，為了縮小巷道斷面，研發(fā)了1240mm窄小端頭支架，支架中心距1480mm，總寬度4440mm，運(yùn)順寬度5.2m滿足生產(chǎn)需要。運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭階梯式推移梁改為一字水平梁，端1前提800mm，使端頭架切頂線一致，減小了控頂面積，改善了端頭架支護(hù)質(zhì)量。

（2）運(yùn)輸機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接設(shè)計(jì)。定位軸可旋轉(zhuǎn)聯(lián)接式。PF3/822運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭卸載方式為端卸式，機(jī)頭與底座之間鉸接方式設(shè)計(jì)為定位軸可旋轉(zhuǎn)式連接方式，運(yùn)輸機(jī)頭在平面上的旋轉(zhuǎn)角度增加到8°（刨煤機(jī)前置電機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)之間限位8°），能夠適應(yīng)25°傾角的煤層和150m以上旋轉(zhuǎn)開(kāi)采的需要，提高了刨煤機(jī)的適應(yīng)性。定位軸式連接方式使運(yùn)輸機(jī)頭卸貨點(diǎn)距離縮小了100mm，防止了運(yùn)輸機(jī)拉回頭煤。定位軸式連接裝置高度為510mm，運(yùn)順巷道高度2.6m可以滿足生產(chǎn)需要。

3 供電方式

3.1 兩端供電技術(shù)

兩端供電集中控制技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)采煤工作面動(dòng)力電纜的布置方式，采用在采煤工作面運(yùn)回順各安設(shè)一組變電列車，刨煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)分別從運(yùn)回順變電列車直接供電。由于工作面不布置動(dòng)力電纜，使電纜的檢查維護(hù)變得十分輕松方便，避免了以往工作面推溜、拉架對(duì)電纜造成傷害，避免了工作面電氣故障的發(fā)生。

3.2 集中控制技術(shù)

PROMOS中的智能接線盒kcck輸出直流24伏給一臺(tái)繼電器供電。通過(guò)繼電器的兩組常開(kāi)接點(diǎn)經(jīng)工作面關(guān)聯(lián)線，控制運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾兩組開(kāi)關(guān)啟動(dòng)。兩臺(tái)開(kāi)關(guān)低速無(wú)源常開(kāi)接點(diǎn)和高速常開(kāi)接點(diǎn)串接，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)開(kāi)關(guān)有故障另一臺(tái)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，避免了單電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了同步啟動(dòng)、同步保護(hù)的功能。刨煤機(jī)將電機(jī)控制線用工作面關(guān)聯(lián)線連接機(jī)頭和機(jī)尾KE1004開(kāi)關(guān)，PROMOS直接完成頭尾電機(jī)同步啟動(dòng)。

4 回采技術(shù)

4.1 自動(dòng)化控制

依據(jù)薄煤層開(kāi)采技術(shù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由PROMOS主控系統(tǒng)和PMC支架電液控制系統(tǒng)兩部分組成。

控制的原理：

PROMOS控制系統(tǒng)?；夭稍O(shè)備的運(yùn)行由PROMOS執(zhí)行。

PMC電液控制系統(tǒng)。通過(guò)PMC服務(wù)器接收PROMOS數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，指揮PMC-R控制單元對(duì)支架進(jìn)行各種動(dòng)作。

通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)工作面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、無(wú)人操作，達(dá)到安全、高效生產(chǎn)。

4.2 回采工藝

依據(jù)薄煤層開(kāi)采技術(shù)，刨煤機(jī)沿刨煤機(jī)軌道通過(guò)刨鏈往復(fù)牽引落煤。采用“單向雙切”進(jìn)刀方式，雙向穿梭式的落煤方式。運(yùn)輸機(jī)的推移均由主控系統(tǒng)采集刨煤機(jī)運(yùn)行位置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)控、無(wú)人操作。

5 試驗(yàn)面概況及生產(chǎn)情況

鐵煤集團(tuán)大興礦N1E902工作面煤層厚度平均0.90m，垂直節(jié)理發(fā)育，屬于易刨煤層。煤層賦存為舒緩向斜，煤層傾角7°工作面走向342m，切眼200m，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量9.17萬(wàn)t。直接頂泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖厚1.38m，易冒落，老頂粗砂巖厚5.0m，較穩(wěn)定。煤層瓦斯絕對(duì)涌出量27.7m3/min。N1E902工作面2014年3月25日完成安裝及調(diào)試工作，開(kāi)始正常回采至結(jié)束，日進(jìn)尺最高10m、產(chǎn)量3000t，平均日進(jìn)尺8m，平均單產(chǎn)2500t/d，平均月產(chǎn)7.5萬(wàn)t，實(shí)際回采煤炭12.67萬(wàn)t，取得了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了安全高效的目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

鐵煤集團(tuán)1.0m以下極薄煤層全自動(dòng)化刨煤機(jī)開(kāi)采工業(yè)性實(shí)驗(yàn)的成功，不但破解了極薄煤層安全、高效開(kāi)采的世界性技術(shù)難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)極薄煤層開(kāi)采的技術(shù)空白，還為解放我國(guó)約60多億噸的薄煤層煤炭資源奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)提高我國(guó)煤炭資源回收率具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

作者簡(jiǎn)介：楊清成（1968-），男，遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦學(xué)專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)職：遼寧省鐵嶺市調(diào)兵山市鐵法能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部采煤科科長(zhǎng)。