神府礦區(qū)薄煤層經(jīng)濟高效綠色開采技術(shù)探索與應(yīng)用

張金貴

(陜西省神木市能源局，陜西 神木 719300)

神府礦區(qū)是目前世界上探明儲量豐富、煤層賦存條件優(yōu)越、煤層開采條件簡單、自然災(zāi)害因素少、煤炭質(zhì)量優(yōu)良的特大型礦區(qū)之一。因資源稟賦優(yōu)越，本著短期效應(yīng)、吃肥丟瘦的心態(tài)，薄煤層在該礦區(qū)成了名符其實的“雞肋”，有些礦井甚至棄之不采，對資源造成極大浪費，垮落破壞后的煤體形成自然發(fā)火隱患。探索薄煤層經(jīng)濟高效綠色開采工藝技術(shù)，并在神府礦區(qū)推廣應(yīng)用刻不容緩，且意義深遠(yuǎn)。

按國家有關(guān)規(guī)定，厚度1.3m以下煤層即為薄煤層[1]，考慮神府礦區(qū)煤礦開采的實際，本文將0.8～1.5m厚可采煤層納入薄煤層開采范疇。按保守估計，神府礦區(qū)處于該厚度范圍內(nèi)煤層儲量應(yīng)該超過2.0Gt，如果考慮0.8m以下的煤層部分可采，則儲量遠(yuǎn)超過2.0Gt。研究其經(jīng)濟高效綠色開采工藝技術(shù)并付諸實施，具有極高的經(jīng)濟、安全、環(huán)保價值，而且對毗鄰礦區(qū)及類似條件礦井也具有極好的借鑒和推廣意義，更能在煤炭行業(yè)補齊薄煤層開采理論及工藝技術(shù)方面的短板。

1 神府礦區(qū)薄煤層開采技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 長壁炮采工作面

神府礦區(qū)老張溝煤礦，煤層厚度1.1～1.3m，近水平煤層(傾角0～4°)，采用長壁對拉炮采工作面開采采煤法，單體支柱配合鉸接頂梁支護，全部垮落法處理頂板。對拉工作面[2]總長度240m，工作面巷道高度2.4m，刮板轉(zhuǎn)載機配合膠帶運輸。工作面日推進2個循環(huán)，進尺2.0m。按密度1.3t/m3，采高1.2m，采出率97%計，日產(chǎn)量約730t；按每月25d工作日計，月產(chǎn)約18.2kt。工作面用人150人左右。

從該礦工作面現(xiàn)場情況看，工作面維護狀態(tài)較好。煤層頂板主要為粉砂巖，偶為泥巖；底板以泥巖為主，部分為粉砂巖。煤層頂板隨著工作面回柱放頂能及時冒落充填采空空間。

1.2 搖臂式采煤機長壁綜采工作面

在神府礦區(qū)有多個礦井裝備有此類薄煤層工作面。煤層厚度1.3～1.5m，近水平煤層(傾角0～4°)；煤層頂板主要為粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，偶為泥巖；底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，部分為粉砂巖。煤層堅固性系數(shù)f一般為2～4。

從各礦開采實踐來看，存在采煤機配套功率大、工作面截割頂?shù)装鍘r石較厚的情況。因煤質(zhì)、采高、裝備、頂?shù)装鍒杂驳纫蛩刂萍s，工作面日進刀一般在6～7刀。按工作面面長170m，煤機截深800mm，采高1.4m，日進6.5刀，密度1.3t/m3，采出率95%計，日產(chǎn)量約1530t；按每月25d工作日計，月產(chǎn)約38.2kt。工作面用人70人左右。

1.3 固定滾筒式采煤機長壁綜采工作面

神府礦區(qū)鄰近米脂蘆則溝煤礦，煤層厚度約1.0m左右，裝備此類工作面回采薄煤層。固定滾筒式采煤機靠機身上的液壓缸調(diào)整滾筒截割高度，即挖底和抬底，但調(diào)整幅度很小。因此其對煤層厚度、傾角變化適應(yīng)性較差，經(jīng)常出現(xiàn)采煤機截割頂?shù)装宓那闆r，巖性堅硬時影響截割速度，從而影響產(chǎn)量和煤質(zhì)。

1.4 刨煤機長壁綜采工作面

神府礦區(qū)瑞豐煤礦，煤層厚度1.5m左右，近水平煤層(傾角0～4°)；采用刨煤機開采，工作面長度250m；電液控液壓支架支護頂板，全部垮落法處理頂板。該礦刨煤機工作面創(chuàng)造了連續(xù)8個月月產(chǎn)60.0kt以上工作效果，工作面月推進約130m。

但在實際生產(chǎn)過程中存在刨煤機[3]漂刀、斷鏈，刮板、支架扎底等嚴(yán)重影響生產(chǎn)的情況。

2 薄煤層開采工藝技術(shù)方案分析

2.1 長壁炮采

優(yōu)點：工藝技術(shù)成熟，條件適應(yīng)性好；工作空間高度能充分利用到煤層厚度；煤質(zhì)有保障，基本做到不破頂?shù)装濉?/p>

缺點：爆破落煤，火工品使用量大，管理成本高，管理難度大；炮采工藝屬于淘汰工藝，與當(dāng)前大力推進機械化開采政策相背；機械化程度低，工人勞動強度大；產(chǎn)量受工藝性質(zhì)制約，較低的單產(chǎn)無法提升；采用單體支柱支護頂板，存在頂板控制方面的安全風(fēng)險；工作面用人多，增加了礦井安全管理風(fēng)險；單產(chǎn)低，人工工效低。

2.2 搖臂式采煤機長壁綜采

優(yōu)點：工藝技術(shù)成熟，條件適應(yīng)性較好；機械化程度高，工人勞動強度低；高度的機械化水平創(chuàng)造了工作面單產(chǎn)提升空間；采用液壓支架，有利于頂板控制。

缺點：支架頂梁占用空間高度，工作空間高度低，人員行走困難；采煤機選型困難，選用功率小、機身尺寸小的采煤機，對于硬煤及較堅硬的頂?shù)装鍘r石，煤機截割困難甚至無法組織正常生產(chǎn)，煤機故障頻出，選用較大功率采煤機，則因較大的機身尺寸，而需人為加大采高，造成截割頂?shù)装鍘r石；截割頂?shù)装鍘r石影響煤質(zhì)，加大排矸量，降低選煤廠精煤回收率；回采矸石混入，增加成本與消耗，嚴(yán)重制約了企業(yè)經(jīng)濟效果；較大的矸石外排與堆放，污染環(huán)境，占用土地，易于形成自然發(fā)火隱患和引起滑坡泥石流災(zāi)害。

2.3 固定滾筒式采煤機長壁綜采

優(yōu)點：工藝技術(shù)相對成熟；工人勞動強度較低，機械化程度高；采用液壓支架支護頂板有利于頂板控制；因功率小機身小，減少或避免了截割頂?shù)装鍘r石。

缺點：支架頂梁占用空間高度，工作空間高度低，人員行走困難；因高度調(diào)整幅度小，對煤層厚度、傾角變化適應(yīng)性較差；裝機功率較小，遇堅硬頂?shù)装寮懊簩幼儽√巹t需進行預(yù)裂或軟化處理[4]；因適應(yīng)性較差產(chǎn)量也受到一定制約。

2.4 刨煤機長壁綜采

優(yōu)點：設(shè)備適應(yīng)性較好；機械化程度高，工人勞動強度低；主要設(shè)備布置在工作面兩巷，便于管理、檢修和維護；刨煤機的無人跟蹤操作為實現(xiàn)準(zhǔn)無人工作面創(chuàng)造了有利的先決條件；采用液壓支架支護頂板，有利于頂板控制；隨著刨煤機裝備制造技術(shù)提高，可靠性加強，工作面單產(chǎn)有一定的提升空間；刨煤機及時調(diào)整刨削高度，可以做到不刨削頂?shù)装澹ぷ髅婷嘿|(zhì)有保證；最大限度減少排矸，經(jīng)濟性非常明顯；塊煤率高，也是提高經(jīng)濟性指標(biāo)之一；工作面粉塵產(chǎn)生量小，工作環(huán)境好；工作面用人較少。

缺點：裝備可靠性有待進一步加強，如斷鏈等；刨刀對堅硬煤層適應(yīng)性有待實踐論證；工作面刮板機不具有通用性；支架頂梁占用空間高度，工作空間高度低，人員行走困難；對工作面上下巷施工要求較嚴(yán)格，不允許施工時同時破頂?shù)装?，即僅允許跟頂破底施工或跟底破頂施工；打造培養(yǎng)成熟的操作與管理人員隊伍至關(guān)重要。

3 神府礦區(qū)薄煤層賦存特征

經(jīng)過資料收集整理、現(xiàn)場踏勘及與相關(guān)人員溝通交流，綜合分析認(rèn)為神府礦區(qū)薄煤層賦存具有以下特征。

(1)神府礦區(qū)薄煤層分布較廣，大多數(shù)礦井都賦存有可采或接近可采厚度的薄煤層。

(2)煤層硬度較大，堅固性系數(shù)一般為2～4；煤層層理、節(jié)理、裂隙均不發(fā)育。

(3)煤層傾角小，一般0～4°；厚度變異系數(shù)小，賦存穩(wěn)定；煤層埋藏淺，開采條件簡單。

(4)煤層頂板穩(wěn)定，巖性以中、細(xì)、粉砂巖為主，少數(shù)為泥巖、砂質(zhì)泥巖；巷道支護以錨桿支護為主，部分礦井配以網(wǎng)片、錨索支護，頂板來壓不強烈；部分礦井工作面初采時有大面積懸頂現(xiàn)象，需進行強制放頂或進行軟化預(yù)裂處理。

(5)煤層底板穩(wěn)定，巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，大部分礦井有遇水泥化現(xiàn)象。

(6)大部分礦井水文地質(zhì)條件相對簡單，工作面涌水量較小。

(7)煤層瓦斯含量低；煤炭內(nèi)生水分一般較高；煤層自然發(fā)火期[5]較短；煤塵具有爆炸危險性。

4 神府礦區(qū)薄煤層經(jīng)濟高效綠色開采工藝方案探索

4.1 主要制約因素

綜上所述，本文認(rèn)為主要制約因素有以下幾方面。

(1)因裝備、工藝技術(shù)及人員作業(yè)空間因素制約，已裝備回采薄煤層工作面普遍存在煤機截割頂?shù)装鍘r石厚度較大的現(xiàn)象。此為影響煤質(zhì)及企業(yè)經(jīng)濟效益的主要因素之一。

(2)人的因素。因煤層較薄，導(dǎo)致開采作業(yè)空間低，人員通行困難，從而影響工作面產(chǎn)量和從業(yè)人員的工作積極性。因此，采用準(zhǔn)無人工作面是神府礦區(qū)薄煤層經(jīng)濟高效開采的必由之路。

(3)裝備因素。搖臂式滾筒采煤機，因受自身結(jié)構(gòu)和技術(shù)因素制約，機身尺寸和功率都不能太小，這也決定了其不能高效適用于薄煤層開采。刨煤機將是首選替代裝備。

(4)工作面上下巷工程。對于1.5m以下的煤層，按神府礦區(qū)部分礦井生產(chǎn)實際、裝備要求及煤礦安全規(guī)程有關(guān)規(guī)定，兩巷高度一般在2.5～2.8m，這樣掘進破矸石量大多在1.0m以上，對掘進裝備提出了更高要求，加大了施工難度，影響了施工速度，增加了礦井矸石排放。推行沿空留巷技術(shù)[6]將能減少巷道掘進工程，降低這方面的成本投入。

(5)觀念因素。因神府礦區(qū)資源豐富，大采高[7]、超大采高工作面比比皆是，多個礦井單面年產(chǎn)超千萬噸。對于年產(chǎn)十幾萬噸、二三十萬噸的薄煤層工作面，其經(jīng)濟性、市場效應(yīng)和社會影響力顯然無法與上述“雙高”工作面相比。因而一些煤礦企業(yè)考慮經(jīng)濟等方面的因素，寧可將薄煤層丟棄也不愿開采。

(6)政策扶持。要鼓勵企業(yè)開采、配采薄煤層，在稅收、采掘工作面配置數(shù)量、技術(shù)開發(fā)與支持甚至行業(yè)科技資金投入等方面給予政策扶持。

4.2 工藝技術(shù)方案構(gòu)想

綜合以上問題闡述，結(jié)合筆者工作實際，對神府礦區(qū)薄煤層經(jīng)濟高效綠色開采工藝技術(shù)方案提出以下構(gòu)思與設(shè)想。

(1)實行準(zhǔn)無人工作面開采[8]。工作面落煤、推溜、移架操作采取無人操作技術(shù)，實行智能集控與遠(yuǎn)控；人員工作位置主要在兩巷，每隔一定時間，或工藝間隔，或遇工作面條件變化時安排人員進行間隔巡視，對工作面出現(xiàn)的問題及時進行處理。

(2)優(yōu)選刨煤機作為工作面落煤設(shè)備。因其具有適應(yīng)煤層厚度變化大，能完全實現(xiàn)無人跟機操作，厚度小于0.7m的煤層仍然可采等方面的優(yōu)點。

(3)推廣應(yīng)用沿空留巷工藝技術(shù)，減少掘進工程量，實行“一面一巷”。

(4)采用刨煤機機載視頻技術(shù)，部分代替人員對工作面進行巡視。

4.3 準(zhǔn)無人綜合機械化刨煤機采面微觀問題及解決方案

(1)神府礦區(qū)薄煤層具有硬度較大，煤層層理、節(jié)理、裂隙均不發(fā)育的特征。適用于該類煤層刨煤機刨刀截深如何科學(xué)確定，以及刨刀使用材料和結(jié)構(gòu)特點等，有待進一步實踐、研究與實驗測定，并不斷改進提升。

(2)刨煤機開采工作面推進過程中容易漂刀。這是需要運用綜合技術(shù)手段解決的問題。一是要保持支架工作高度的相對不變(人為調(diào)整除外)，這需要在刨煤機上設(shè)置機載支架高度傳感器，可由刨煤機合適位置伸出一高度傳感器固定架并設(shè)置障礙停機或自我保護功能(或安裝在刨煤機斜支撐上)；或每隔一定數(shù)目支架，在支架上設(shè)置也可實現(xiàn)此功能，一旦工作面高度出現(xiàn)異常變化則報警提示。二是要保持刨煤機與煤層頂板位置相對不變(人為調(diào)整除外)，需要在刨煤機上設(shè)置機載位置傳感器，一、二項功能可由一個傳感器同步實現(xiàn)。三是保證刨煤機平行進刀(人為調(diào)整除外)機身位置傳感器，保持刨煤機機身處于正確位置，該傳感器可根據(jù)巷道起伏情況設(shè)定一定角度，角度位置異常偏離能及時報警提示。

以上傳感器可與視頻系統(tǒng)集成安裝。

(3)工作面支架、刮板扎底問題[9]。第一是與工作面漂刀問題綜合解決，利用機載傳感器對支架底座、刮板位置及運動狀態(tài)進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常能及時報警提示。加強工作面水患治理，防止因底板積水泥化導(dǎo)致工作面支架、刮板扎底，此項管理措施非常重要。

(4)刨煤機牽引鏈斷鏈[10]及減速器機組故障等問題。設(shè)計合理的工作面長度；調(diào)研選購質(zhì)量、性能可靠的設(shè)備、材料；加強設(shè)備設(shè)施的日常維護管理；提高操控人員的技術(shù)水平和責(zé)任心等，是解決此類問題的有效途徑。

(5)無人自動化工作面支架拉移不到位、不整齊。擬對工作面支架進行分組整體移架自控操作，組與組之間設(shè)置位移傳感器以保證其精準(zhǔn)對齊，兩端頭附近支架采用“人工+自控”模式進行移架操作，并將其作為排頭標(biāo)準(zhǔn)架。

5 神府礦區(qū)薄煤層經(jīng)濟高效綠色開采工藝技術(shù)展望

神府礦區(qū)，在大采高、超大采高、單產(chǎn)千萬噸級綜采工作面綜合技術(shù)等方面走在行業(yè)前端，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，這在“高與大”(大采高、大產(chǎn)量)方面做得好。筆者認(rèn)為，隨著自動控制技術(shù)的長足發(fā)展和可靠性的提升，環(huán)境保護與綠色開采客觀需求與政府政策導(dǎo)向，神府礦區(qū)薄煤層開采將做好“薄與精”(薄煤層、精益化)的大文章。

(1)各類傳感器及控制技術(shù)的研發(fā)、制造技術(shù)日臻成熟，對其進行邏輯與控制系統(tǒng)集成已非難事，使準(zhǔn)無人工作面開采成為現(xiàn)實。

(2)移架、推溜工序無人自動化操作技術(shù)已有礦井進行了先行先試，而且取得了很大成功，具有一定的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗積累。

(3)刨煤機制造技術(shù)也日益成熟，有些礦井也取得了較好的使用效果，其推廣使用具有一定的實踐基礎(chǔ)。

(4)煤體預(yù)裂軟化技術(shù)研究、推廣與應(yīng)用，為刨煤機截割硬煤效率不高的問題提供了新的解決途徑。

(5)新材料的研制、發(fā)明與應(yīng)用，也會不斷提高刨煤機的截割效率。

(6)研究開發(fā)經(jīng)濟高效適用的薄煤層沿空留巷綜合集成技術(shù)。包括輕質(zhì)、價廉巷旁充填體材料的研制，充填支護裝備成套技術(shù)，充填工藝等。

(7)研究開發(fā)綠色高效的半煤巖巷道施工綜合技術(shù)。包括快速掘進、綜合防塵、煤矸分裝分運、矸石回填裝備及工藝成套技術(shù)等。

(8)建立適用于刨煤機落煤的理論支撐體系。包括測試、應(yīng)用、推廣煤巖截割阻抗系數(shù)[11]，使用該煤巖物理性能指標(biāo)代替堅固性系數(shù)對煤巖可截割性進行評價；研究、試驗、提升刨煤機成套裝備研制、設(shè)計、加工制造技術(shù)。

6 結(jié)束語

神府礦區(qū)煤炭全面開發(fā)始于本世紀(jì)初葉十年，發(fā)展提升于第二個十年，第三個十年將是研究、推廣、實施綠色開采、精益開采、高效準(zhǔn)無人化開采的十年。薄煤層經(jīng)濟高效綠色準(zhǔn)無人綜合機械化開采將是其戰(zhàn)略子課題之一。

綜合機械化準(zhǔn)無人刨煤機采煤工藝對薄煤層工作面進行高效綠色開采，是薄煤層開采走出當(dāng)前困境的必由之路，但對該工藝開采理論、技術(shù)、裝備等方面進行全面探索、研究、試驗、改進、提升，仍然需要從業(yè)者堅持不懈地做很多工作，還有很長的路要走。