連續(xù)采煤機(jī)在露天煤礦端幫安全開(kāi)采的應(yīng)用研究

高云峰

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西省太原市，030006)

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連續(xù)采煤機(jī)在露天煤礦端幫安全開(kāi)采的應(yīng)用研究

高云峰1,2

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西省太原市，030006)

介紹了端幫采煤機(jī)和端幫開(kāi)采技術(shù)工藝，為了解決我國(guó)露天煤礦端幫經(jīng)濟(jì)和安全開(kāi)采技術(shù)難題，太原研究院研究了使用連續(xù)采煤機(jī)對(duì)露天煤礦端幫進(jìn)行開(kāi)采，分析了連續(xù)采煤機(jī)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和端幫開(kāi)采的工程應(yīng)用，最后闡述了連續(xù)采煤機(jī)端幫開(kāi)采的前景展望。

露天煤礦 邊坡開(kāi)采 連續(xù)采煤機(jī) 端幫采煤機(jī)

1 端幫采煤機(jī)概述

目前，大多端幫開(kāi)采由端幫采煤機(jī)開(kāi)采，端幫采煤機(jī)基本使用的都是美國(guó)生產(chǎn)的SHM端幫采煤機(jī)，SHM端幫采煤機(jī)體積龐大，高為9.3 m,寬為10.3 m,長(zhǎng)為20.2 m，整機(jī)重量不包括截割頭部分就重達(dá)213825 kg。SHM端幫采煤機(jī)主要由基架、液壓動(dòng)力站、旁側(cè)卸載機(jī)、前承重梁、后承重梁、鎧裝圓盤(pán)、推板增減機(jī)構(gòu)、推進(jìn)臂、電氣控制模塊、液壓系統(tǒng)、操控室、截割頭模塊、重型履帶行走裝置、移動(dòng)變壓器等組成。

SHM端幫采煤機(jī)對(duì)電力需求較大，整套系統(tǒng)僅電機(jī)部分就有1臺(tái)水噴射泵電機(jī)、1臺(tái)空氣壓縮電機(jī)、2臺(tái)截割電機(jī)、2臺(tái)收集電機(jī)、1臺(tái)水循環(huán)泵電機(jī)、1臺(tái)液壓油循環(huán)泵電機(jī)、2臺(tái)平行螺旋鉆電機(jī)、1臺(tái)液壓泵電機(jī)、1臺(tái)基礎(chǔ)傳送電機(jī)、1臺(tái)右側(cè)角傳送電機(jī)、1臺(tái)堆垛鏈動(dòng)電機(jī)以及4臺(tái)冷卻系統(tǒng)電機(jī)等多達(dá)18臺(tái)電機(jī)組成，總功率高達(dá)1525 kW，供電方式可以選擇通過(guò)一個(gè)移動(dòng)變電站從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電，也可以選擇SHM自己設(shè)計(jì)的柴油發(fā)電機(jī)組供電。SHM端幫采煤機(jī)可采煤層厚度范圍為0.76～5.5 m，采硐深度最大可達(dá)300 m。按照美國(guó)的采礦運(yùn)行制度(每天兩班)，開(kāi)采0.8 m左右的薄煤層，月產(chǎn)量可達(dá)6～9萬(wàn)t，開(kāi)采1.5 m左右的中薄煤層月產(chǎn)量可達(dá)9～12萬(wàn)t，開(kāi)采3 m左右的中煤層月產(chǎn)量可達(dá)10～15萬(wàn)t，每班僅需3～4人，開(kāi)采效率極高。

使用端幫采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是引進(jìn)整機(jī)系統(tǒng)價(jià)格較高(近億元)，目前，國(guó)內(nèi)露天礦還沒(méi)有采用SHM端幫采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用基本是空白。但我國(guó)露天煤礦基本現(xiàn)狀是幾乎所有的端幫都由于剝采比太高、經(jīng)濟(jì)性不滿足要求而大量壓煤，由于無(wú)法開(kāi)采基本屬于廢棄資源，為了減少資源浪費(fèi)，推行綠色開(kāi)采，依據(jù)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)煤機(jī)裝備技術(shù)現(xiàn)狀，有必要研究使用其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)行端幫開(kāi)采應(yīng)用研究。

2 端幫開(kāi)采技術(shù)工藝

使用端幫采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采和使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采雖然設(shè)備不同，但基本工藝是相同的。SHM端幫采煤機(jī)開(kāi)采工程應(yīng)用已經(jīng)很成熟，基本應(yīng)用條件是開(kāi)采水平或者近水平煤層，基本用于開(kāi)采煤層傾角8°以?xún)?nèi)，煤層頂?shù)装鍡l件要求比較高，巖層穩(wěn)定不破碎，滲水少，瓦斯含量低。

無(wú)論端幫采煤機(jī)還是連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采都是探入式開(kāi)采，采硐之間需留設(shè)一定寬度的支撐煤柱，一般根據(jù)工程地質(zhì)條件采硐間需要留設(shè)1～3 m寬度的煤柱，具體參數(shù)需要根據(jù)計(jì)算所得，同時(shí)每采3～10個(gè)采硐需要留設(shè)一個(gè)4～8 m寬度的大煤柱，具體根據(jù)邊坡穩(wěn)定性要求和工程地質(zhì)條件綜合確定。雖然留設(shè)不同形式的煤柱但是回采率仍然不低，采1 m厚度的薄煤層露頭煤回采率可高達(dá)80%以上。根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)例來(lái)看，采不同厚度和不同賦存深度的煤層回采率變化較大，在賦存深度百米范圍內(nèi)，回采率隨賦存深度的增加基本呈線性降低，隨煤層厚度的增加而降低，基本規(guī)律見(jiàn)圖1。

圖1 端幫開(kāi)采回采率變化規(guī)律

3 連續(xù)采煤機(jī)端幫開(kāi)采應(yīng)用

3.1 國(guó)內(nèi)連續(xù)采煤機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)連續(xù)采煤機(jī)研究相對(duì)落后，從20世紀(jì)90年代末才開(kāi)始連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及配套設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作。90年代以煤炭科學(xué)研究總院太原研究院為首的煤機(jī)生產(chǎn)科研單位與神東公司合作，在消化吸收國(guó)外先進(jìn)短壁開(kāi)采裝備的基礎(chǔ)上，逐漸開(kāi)始研制國(guó)產(chǎn)短壁成套開(kāi)采裝備。相繼研制出XZ系列履帶行走式液壓支架、LY系列連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、CMM系列四臂錨桿鉆車(chē)、GP系列給料破碎機(jī)、WD13梭車(chē)等短壁開(kāi)采配套設(shè)備，隨著2007年國(guó)內(nèi)首臺(tái)EML340型連續(xù)采煤機(jī)的問(wèn)世，我國(guó)已經(jīng)具備生產(chǎn)連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采成套裝備的能力，同時(shí)使煤炭科學(xué)研究總院太原研究院成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)開(kāi)發(fā)出連續(xù)采煤機(jī)的企業(yè)。

3.2 國(guó)內(nèi)端幫開(kāi)采工程應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)有4家露天煤礦曾經(jīng)試驗(yàn)或正在進(jìn)行端幫開(kāi)采，霍林河露天煤礦采用的是仿制的端幫采煤機(jī)，由于開(kāi)采的是露頭煤，屬于風(fēng)氧化煤，煤巖層過(guò)軟導(dǎo)致壓覆端幫采煤機(jī)而失??；烏蘭礦業(yè)集團(tuán)特拉布拉露天煤礦比較特殊，它使用的是橫軸的掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)加后配套而成的一套體系進(jìn)行端幫開(kāi)采，效率更低，年產(chǎn)量只有15萬(wàn)t；鄂爾多斯上灣地區(qū)烏蘭露天煤礦在2011年就已經(jīng)開(kāi)始試驗(yàn)進(jìn)行端幫開(kāi)采，但采用的不是端幫采煤機(jī)而是以太原院連續(xù)采煤機(jī)為基礎(chǔ)加后配套而成一套體系，基本價(jià)格在1200萬(wàn)元左右(刨除研發(fā)費(fèi)用)，以目前產(chǎn)能來(lái)看日產(chǎn)量最高可達(dá)3000 t，但是由于設(shè)備后配套相對(duì)落后，效率較低，同時(shí)連續(xù)采煤機(jī)本身可靠性較差，系統(tǒng)整合能力也較差，冷卻系統(tǒng)能力低，開(kāi)機(jī)率較低，月平均產(chǎn)量只有3萬(wàn)t左右。由于該礦煤質(zhì)較好，售價(jià)500元/t，每個(gè)班組3～4人，無(wú)支護(hù)，開(kāi)采成本較低，整套設(shè)備投資下來(lái)僅需開(kāi)采近一個(gè)月就能將成本全部回收，這一點(diǎn)對(duì)各大露天煤礦企業(yè)來(lái)說(shuō)誘惑力極大。

3.3 五彩灣露天煤礦端幫開(kāi)采

新疆五彩灣露天煤礦東端幫有壓覆煤炭資源，為了保證采端幫煤不致滑坡，在進(jìn)行開(kāi)采之前對(duì)東端幫重新進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)前選取典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，初步了解目前端幫穩(wěn)定性情況，穩(wěn)定性系數(shù)在1.8以上，有余力進(jìn)行端幫開(kāi)采可行性分析。在留設(shè)支撐煤柱下開(kāi)采煤層會(huì)大大降低穩(wěn)定性系數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在采硐間留設(shè)煤柱1.5 m，5個(gè)采硐間留設(shè)6 m大煤柱情況下，穩(wěn)定性系數(shù)在1.16以上。東幫采掘平面圖如圖2所示 ，開(kāi)采前邊坡穩(wěn)定性情況如圖3所示，開(kāi)采情況下邊坡穩(wěn)定情況如圖4所示。

圖2 東端幫工程平面圖

圖3 開(kāi)采前邊坡穩(wěn)定性情況

圖4 開(kāi)采情況下邊坡穩(wěn)定情況

為了保證在進(jìn)行端幫開(kāi)采時(shí)不致滑坡壓覆設(shè)備，考慮到剛體極限平衡計(jì)算時(shí)沒(méi)有融入變形影響，又是二維模型計(jì)算，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行三維建模評(píng)價(jià)，采用的計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)計(jì)算指標(biāo)

三維模型共建立20356個(gè)單元，32541個(gè)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，沒(méi)有產(chǎn)生大范圍滑坡，三維計(jì)算模型如圖5所示，位移矢量圖如圖6所示，最大位移圖如圖7所示，剪切應(yīng)變?cè)隽繄D如圖8所示。

從圖6和圖7可以看出，大范圍滑坡不會(huì)發(fā)生，不會(huì)因滑坡而導(dǎo)致壓覆設(shè)備，僅有局部片幫。從圖8可以看出，主要是因?yàn)橥翆涌辜魪?qiáng)度太小而發(fā)生的局部片幫，煤層抗剪強(qiáng)度大沒(méi)有發(fā)生片幫，片幫屬于正?，F(xiàn)象。

圖5 三維計(jì)算模型

圖6 位移矢量圖

在五彩灣露天煤礦開(kāi)采方案確定后，使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采，以1臺(tái)JOY12連續(xù)采煤機(jī)為核心，該系統(tǒng)主要構(gòu)成是采煤系統(tǒng)、二次運(yùn)輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、全景監(jiān)控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等構(gòu)成。由于JOY12故障率較低，生產(chǎn)效率較高，2煤煤層平均厚度為3.5 m，月最高產(chǎn)量可達(dá)6萬(wàn)t，平均月產(chǎn)量可達(dá)5.1萬(wàn)t。

圖8 剪切應(yīng)變?cè)隽繄D

4 連續(xù)采煤機(jī)端幫開(kāi)采前景展望

目前，國(guó)內(nèi)使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采應(yīng)用較少，太原院是國(guó)內(nèi)第一個(gè)開(kāi)發(fā)出連續(xù)采煤機(jī)的企業(yè)，目前技術(shù)已經(jīng)比較成熟。鄂爾多斯上灣地區(qū)烏蘭露天煤礦早在2011年就已經(jīng)使用太原院生產(chǎn)的EML340連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采，經(jīng)過(guò)5 a的磨合和不斷的技術(shù)改進(jìn)，烏蘭露天煤礦與太原院已經(jīng)合作共同開(kāi)發(fā)邊坡連續(xù)采煤機(jī)，樣機(jī)已經(jīng)試制完成，取得安標(biāo)即可生產(chǎn)銷(xiāo)售。該邊坡連續(xù)采煤機(jī)基于EML340，主要針對(duì)此前開(kāi)機(jī)率低、缺乏冷卻系統(tǒng)、機(jī)尾連接件抗拉強(qiáng)度低、缺乏全景監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)能力低等主要問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，可靠性將大大增強(qiáng)，生產(chǎn)效率將大幅提高。

我國(guó)的露天煤礦端幫壓煤非常普遍，壓覆煤炭資源較大。神華集團(tuán)寶日希勒露天礦地處呼倫貝爾草原中部，1998年9月12日正式開(kāi)工建設(shè)，地質(zhì)儲(chǔ)量為7600萬(wàn)t，近年年產(chǎn)量超過(guò)千萬(wàn)噸，資源開(kāi)采強(qiáng)度較大，端幫壓煤量大，在資源尤為寶貴的今天，端幫壓煤開(kāi)采極為必要；國(guó)電平莊煤業(yè)蒙東能源集團(tuán)公司地處錫林郭勒盟錫林浩特市，因其旗下下轄多個(gè)露天煤礦，尤其是內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特地區(qū)勝利煤田所屬勝利西二號(hào)露天煤礦東西端幫壓煤，且西端幫曾經(jīng)滑坡大量壓煤；勝利煤田所屬烏蘭圖嘎煤礦鍺坑西端幫大量壓煤，煤層中含有鍺，鍺的價(jià)格高于1萬(wàn)元/kg，價(jià)值非常高，但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因無(wú)法使用端幫采煤機(jī)開(kāi)采，由于考慮當(dāng)前一套完整的端幫采煤機(jī)需要投資近億元，以目前蒙東能源公司經(jīng)濟(jì)狀況無(wú)法使用端幫采煤機(jī)開(kāi)采，如果使用中國(guó)煤炭科工太原煤科院生產(chǎn)的邊坡連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采整套設(shè)備下來(lái)估計(jì)僅在1500萬(wàn)元左右，應(yīng)用前景較好；同屬勝利煤田東二號(hào)露天煤礦(大唐錫林浩特礦業(yè)有限公司所屬后被神華收購(gòu))存在部分端幫壓煤，目前由于該礦主要問(wèn)題是煤層最厚處超過(guò)200 m，存在高大煤質(zhì)邊坡對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)很多不利影響；同屬勝利煤田神華北電勝利公司由于開(kāi)發(fā)較早且存在自己的電廠，經(jīng)濟(jì)條件較好，端幫也存在壓煤情況，使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)可行；平莊煤業(yè)集團(tuán)公司所屬元寶山露天煤礦也存在端幫壓煤情況，元寶山露天煤礦使用半連續(xù)開(kāi)采工藝，技術(shù)水平相對(duì)較高，使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采具備一定的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)；平莊煤業(yè)集團(tuán)所屬的白音華一號(hào)露天煤礦，地處內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西烏珠穆沁旗白音華鎮(zhèn)，2012年時(shí)年產(chǎn)量就已經(jīng)突破1000萬(wàn)t，目前煤價(jià)上漲煤炭銷(xiāo)售剛由虧損轉(zhuǎn)入盈利階段，經(jīng)濟(jì)條件轉(zhuǎn)好，也存在端幫壓煤情況，該礦具備使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件；與其相鄰的白音華二號(hào)露天煤礦和白音華三號(hào)露天煤礦隸屬于中電投，也存在端幫壓煤情況，尤其是白音華二號(hào)露天煤礦2012年1月8日端幫發(fā)生大規(guī)模滑坡導(dǎo)致大量壓煤；相鄰的阜新礦業(yè)集團(tuán)公司所屬白音華四號(hào)露天煤礦也存在端幫壓煤情況；同屬西烏珠穆沁旗，在吉林郭勒鎮(zhèn)有吉林郭勒二號(hào)露天煤礦(錫林郭勒盟政府、遼寧春成工貿(mào)有限公司、遼寧鐵法煤業(yè)集團(tuán)公司三家共營(yíng)單位，鐵法控股)，目前也存在端幫壓煤；神華準(zhǔn)能黑龍江寶清露天煤礦、鄂爾多斯黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦也存在端幫壓煤情況；大唐尹敏露天煤礦和伊蘭露天煤礦也同樣存在端幫壓煤。

在太原煤科院所屬山西境內(nèi)僅河曲梁家磧露天煤礦端幫壓覆煤炭資源就將近1000萬(wàn)t。為了盡可能地減少端幫煤炭資源浪費(fèi)，各露天煤礦普遍做法就是盡可能提高端幫邊坡角，通過(guò)犧牲邊坡穩(wěn)定性降低剝采比來(lái)采端幫煤，邊坡角可達(dá)30°以上，但從根本上無(wú)法改善端幫大量壓煤狀況，使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)可大大改善這種狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開(kāi)采技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)可行，符合我國(guó)國(guó)情，能夠大大減少資源浪費(fèi)，減少占用土地，減輕排土場(chǎng)排棄壓力。

連續(xù)采煤機(jī)運(yùn)用于我國(guó)露天端幫開(kāi)采通常需要對(duì)邊坡進(jìn)行放緩設(shè)計(jì)，運(yùn)用合理的剛體極限平衡分析法結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)能夠確定最優(yōu)煤柱留設(shè)寬度。連續(xù)采煤機(jī)端幫開(kāi)采使用前景非常廣闊，但是目前應(yīng)用不多，主要原因是邊坡連續(xù)采煤機(jī)使用仍有一定的局限性，對(duì)頂?shù)装逡筝^高，國(guó)產(chǎn)設(shè)備可靠性較差，開(kāi)機(jī)率較低，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining

Gao Yunfeng

(1. Taiyuan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan, Shanxi 030006, China; 2.Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Equipment Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030006, China )

The author introduced end slope miner and end slope mining technology, and in order to solve the technological problem of end slope's economical and safe mining in China open-pit mine, Taiyuan Research Institute researched continuous miner open-pit end slope mining, analyzed development state and engineering application of continuous miner in domestic end slope mining, and elaborated prospect forecast of continuous miner in end slope mining.

open-pit mine, side slope mining, continuous miner, end slope miner

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1361130)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(3142015021，3142015124，3142015119)

高云峰.連續(xù)采煤機(jī)在露天煤礦端幫安全開(kāi)采的應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(3)：74-77，119. Gao YunFeng. Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining[J].China Coal，2017，43(3)：74-77，119.

TD4.65

A

高云峰(1981-),男，山東煙臺(tái)人，助理研究員，現(xiàn)就職于中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，主要從事短壁開(kāi)采工藝及巷道支護(hù)等技術(shù)研究及管理工作。