美國煤炭地下開采與自動化技術(shù)進展

王家臣PENG Syd S李 楊

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.放頂煤開采煤炭行業(yè)工程研究中心,北京 100083; 3.西弗吉尼亞大學(xué),美國 摩根郡 26505)

中國2019年煤炭產(chǎn)量38.46 億t,占世界煤炭產(chǎn)量的47.3%,其中地下開采比例高達85%,是世界上煤炭產(chǎn)量和地下開采占比最高的國家。盡管2019年印度的煤炭產(chǎn)量達到7.56 億t,僅次于美國的10.51億t,處于世界第3 位,但是印度只有5%的煤炭來自地下開采[1]。德國也在2018年關(guān)閉了最后一個地下煤礦[2],目前只有幾個露天煤礦在生產(chǎn)。美國是世界上除中國以外地下采煤產(chǎn)量最多的國家,也是地下采煤技術(shù)總體上先進的國家。因此借鑒美國的先進采煤技術(shù)經(jīng)驗,對進一步推動中國地下采煤技術(shù)發(fā)展十分重要[3,5]。

美國的煤礦數(shù)量和產(chǎn)量在近20 a 大幅度減少。煤礦數(shù)量從1994年的2 354 座(露天礦1 211 座,地下礦1 143 座)減少到2017年的680 座(露天礦434座,地下礦237 座,包括不需要提供產(chǎn)量數(shù)據(jù)的年產(chǎn)2.23 萬t 以下的煤礦),煤炭產(chǎn)量從1994年的15.37億t 減少到2019年的10.51 億t。美國地下煤礦數(shù)量從1994年到2017年減少了79%,地下煤礦產(chǎn)量減少了32%。關(guān)閉的地下煤礦主要是以生產(chǎn)成本高于市場價格的煙煤和較薄煤層、開采效益差的煤礦為主[6]。目前美國地下采煤產(chǎn)量占比為38%(2019年為3.97 億t),其中長壁開采占55%,房柱開采占45%。近些年來,盡管美國的地下煤礦數(shù)量和產(chǎn)量有所減少,但是地下開采技術(shù)一直處于持續(xù)進步中,比如工作面尺寸持續(xù)增大,設(shè)備更加大型化、更加可靠,單體設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化程度更高,持續(xù)改善井下作業(yè)環(huán)境等。

1 長壁開采技術(shù)

美國的長壁開采概念可以追溯到19世紀匹茲堡煤層開采的寬工作面,但是真正的長壁綜采源于20世紀50年代初引進了西德的刨煤機和節(jié)式支架,當(dāng)時主要用于西弗吉尼亞南部幾個煤礦的薄煤層開采。在20世紀70年代中期,美國引進了德國的掩護支架,在西弗吉尼亞北部煤礦進行應(yīng)用,顯著提高了工作面產(chǎn)量和開采的安全性,從此長壁開采技術(shù)得到穩(wěn)定發(fā)展,1982年長壁工作面達到歷史上最多的118個。1990年以后,長壁工作面數(shù)量持續(xù)減少,目前穩(wěn)定在40 個左右[7],由于效率和技術(shù)的進步以及良好的管理,目前的40 個長壁工作面比20世紀80年代118 個長壁工作面產(chǎn)量還要高。

美國大部分長壁開采的礦井都是一井一面,礦井產(chǎn)量在300～700 萬t/a,也有幾個礦井通常開采2 個長壁工作面,個別礦井為了維持產(chǎn)量偶爾會有3 個長壁工作面同時生產(chǎn)的情況。美國的地下開采工效是世界上地下開采最高的國家,長壁開采的效率(2017年,5.4 t/工時,折合1.2 萬t/(人·a))是連續(xù)采煤機房柱法開采的2 倍左右[8-12]。

1.1 工作面布置情況

美國的長壁工作面采用多巷布置,工作面一側(cè)多為3 巷,個別有2 巷和4 巷的。工作面一側(cè)的整個煤柱寬度在40～135 m,具體寬度取決于巷道數(shù)量與開采深度。工作面從開切眼處后退式回采,至終采線時,留下的大巷保護煤柱寬度為61～152 m,大部分在61～90 m。

近40 a 來,美國長壁工作面的尺寸越來越大,往往要滿足1 a 的回采期。工作面長度在152～482 m,大部分工作面長度大于366 m。工作面推進長度在976～6 860 m,而一半以上的工作面推進長度在2 439～4 268 m,并且工作面尺寸還有繼續(xù)增大趨勢。圖1,2 為2019年美國工作面的長度和推進長度分布。

圖1 2019年美國長壁工作面的長度分布Fig.1 Panel width distribution of longwall mining in U.S.in 2019

圖2 2019年美國長壁工作面的推進長度分布Fig.2 Panel length distribution of longwall mining in U.S.in 2019

1.2 工作面開采設(shè)備

2018年,美國最后一個刨煤機工作面停采,此后所有長壁工作面均采用采煤機割煤。采煤機平均總功率從1976年的261 kW 增加到了2019年的1 413 kW。2019年的采煤機最大功率是2 093 kW,其中大部分采煤機功率都在1 000 kW 以上。采煤機割煤速度可以達到45.7 m/min。一次割煤進刀量為0.76～1.07 m,其中70%以上的進刀量為1.07 m。為了滿足大尺寸工作面和大型設(shè)備的需求,2019年除了4 個工作面使用2 300 V 供電外,其余工作面都使用4 160 V 電壓供電。

由于兩柱式支架具有端面支護能力強和易于維護的優(yōu)點,自1991年以來,長壁工作面均采用兩柱式支架。支架平均額定阻力從1976年的4 900 kN 增加到2019年的10 500 kN,而支架最大額定阻力為13 280 kN,如圖3所示。除個別老的工作面仍然采用1.5 m 寬的支架外,其余工作面均采用1.75 m或者2 m 寬的支架。所有支架都安裝了電液控制系統(tǒng)和采煤機啟動系統(tǒng),支架的移架循環(huán)時間已經(jīng)減少6～8 s。

圖3 1976年以來支架額定阻力變化情況Fig.3 Supporting capacity of shield support of longwall mining in U.S.since 1976

工作面刮板輸送機采用雙中鏈布置,鏈條直徑從1976年的18～30 mm 增加到2019年的34～52 mm。刮板輸送機的平均功率從1976年的155 kW 增加到了2019年的3 188 kW,其中最大功率為4 925 kW,最小功率為1 045 kW。刮板輸送機的槽寬也逐步增加,2019年的槽寬為864～1 346 mm,其中大部分工作面都采用1 000 mm 槽寬。

刮板輸送機的鏈速也在增加,從1976年的1.07～1.58 m/s 增加到2019年的1.17～2.29 m/s,其中一半以上的鏈速都大于1.94 m/s。刮板輸送機的設(shè)計能力在1976年時為400～600 t/h,2019年時為7 000 t/h。

刮板輸送機在工作面端部與進風(fēng)巷的轉(zhuǎn)載機采用T 字鏈接。轉(zhuǎn)載機的槽寬在1 000～1 600 mm,平均1 280 mm。轉(zhuǎn)載機的鏈速在95～168 m/min,平均140 m/min。為了破碎大塊煤巖,近年來破碎機的功率有所增加。

1.3 美國長壁開采特點及發(fā)展趨勢

(1)美國長壁工作面適用的煤田比較集中。2/3以上的長壁工作面位于北阿巴拉契亞煤田,其余的長壁工作面位于阿拉巴馬、伊利諾伊和猶他州。

(2)地質(zhì)條件簡單。煤層平緩、厚度均勻和埋藏淺,大部分煤層的埋藏深度在640 m 以內(nèi),且頂板易于垮落。實際開采深度在61～915 m,大部分開采深度為101～400 m,近些年來開采深度沒有什么變化。

(3)工作面尺寸逐步增大。工作面平均長度從1976年的140 m 增加到2019年的360 m。近年來,在沒有地質(zhì)構(gòu)造或其它條件限制時,盡可能布置大尺寸工作面。歷史上工作面長度曾經(jīng)在2013—2015年間達到503 m,但是2019年的最大長度為482 m。工作面平均推進長度從1976年的1 128 m 增加到2019年的3 659 m,2019年最大的推進長度為6 860 m。

(4)以開采中厚煤層為主。所有長壁面都開采水平或近水平煤層,采用單一分層或一次開采煤層全厚。一般情況下,煤層的厚度就是開采高度。大多數(shù)工作面的采高為1 524～2 438 mm,2019年的實際最小采高為1 674 mm。

(5)采用先進的采礦設(shè)計和布置。所有長壁工作面都采用多巷布置,有2～4 條進風(fēng)巷(大多數(shù)為3條)。巷道形狀為矩形,由連續(xù)采煤機掘進,錨桿支護。工作面之間的煤柱不再回采。

(6)設(shè)備先進可靠。所有設(shè)備都是重型和高可靠性的,個別子系統(tǒng)的可靠性大于90%,甚至接近100%,與行業(yè)/制造商建立了密切合作的服務(wù)制度。

(7)工作面安裝技術(shù)先進。對于一個366 m 長的工作面搬家只需要5～7 d(注:采煤機、刮板機和轉(zhuǎn)載機已經(jīng)預(yù)安裝在新工作面的情況下)。整個工作面搬家一般需要2 周時間。

(8)設(shè)備冗余,投資大,用人少。為了保證生產(chǎn)接續(xù)和高效生產(chǎn),一般礦井除了支架以外,均會投資一套完整設(shè)備和一套沒有整裝的設(shè)備,“一采一備”。一套完整的設(shè)備(液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機)用于生產(chǎn),另一套沒有整裝的設(shè)備(采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機)預(yù)先安裝在下一個工作面。一個長壁開采的礦井,包括地面選礦廠的職工人數(shù)在350～600。

(9)大型化、重型化、自動化是美國長壁工作面發(fā)展的基本方向。工作尺寸連續(xù)增加,開采設(shè)備的重量、尺寸、功率都在增大。進一步提升設(shè)備可靠性和生產(chǎn)系統(tǒng)自動化是美國長壁開采的重要發(fā)展方向。美國的井下自動化以提高開采效率、研發(fā)制約自動化開采的關(guān)鍵裝備和提高井下安全、職業(yè)健康標準為主要目標。

2 自動化長壁開采技術(shù)

美國的自動化長壁開采始于1984年的電液控液壓支架技術(shù),并一直發(fā)展至今。第1 代的半自動長壁開采系統(tǒng)問世于1995年,隨著傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)發(fā)展,長壁開采技術(shù)也在逐步改進,包括控制粉塵技術(shù)、近距離感知和防碰撞技術(shù)以及遠程控制技術(shù)等。自動化技術(shù)分為工作面單機自動化和長壁生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化。

2.1 單機自動化

2.1.1 自動化液壓支架

電液控液壓支架首次使用是1984年在西弗吉尼亞州的莫加利縣煤礦,從此煤礦行業(yè)成為了最早使用計算機技術(shù)的行業(yè)之一。電液控液壓支架首次使用時,主要問題是設(shè)備不能適應(yīng)地下環(huán)境(潮濕和灰塵)以及電纜容易發(fā)生故障。到1990年左右,這些問題得到了解決。電液控液壓支架可減少液壓支架的操作時間,從大于40 s(手動)減少到12～20 s;可以確保所有液壓支架移動到正確位置,并整齊地擺放于工作面,而且在整個工作面實現(xiàn)均勻的設(shè)定壓力;減少液壓支架操作人員的數(shù)量。

2.1.2 自動化采煤機

采煤機的自動化始于1978年(模擬)無線電遠程控制技術(shù),然后就是1984年的(數(shù)字)控制技術(shù)[13]。1986年引入了“記憶切割”技術(shù),即記錄有關(guān)滾筒抬升高度和搖臂傾斜度以及采煤機位置的數(shù)據(jù),用來指導(dǎo)后續(xù)采煤機運行以完成切割工作。最常用的“記憶切割”系統(tǒng)通常只控制前滾筒高度,而后滾筒通過固定的開采高度來運行,從而使工作面底板切割線更加均勻。但是該系統(tǒng)需要頻繁進行數(shù)據(jù)收集及訓(xùn)練。

20世紀90年代初開發(fā)了一種伽馬射線煤厚測量傳感器[14-15],用于控制采煤機沿煤層頂板進行切割。由于該系統(tǒng)體積龐大,且只能對頁巖頂板有效識別,該系統(tǒng)沒有得到進一步應(yīng)用。

開發(fā)更先進的傳感器,包括采煤機機身的俯仰和側(cè)傾傳感器,遙臂傾角傳感器以及采煤機位置的運動傳感器,從而確保可以更精確地控制采煤機運行是提升采煤機自動化水平的關(guān)鍵。目前的發(fā)展方向是解決采煤機俯仰和轉(zhuǎn)向問題,對采煤機機身進行定位,以便在隨后的工作面推進過程中將采煤機機身調(diào)整至特定的俯仰角來對底板進行修整[16]。

從20世紀90年代后期到2013年,澳大利亞的CSIRO 成功開發(fā)了用于工作面對齊,采煤機水平控制和刮板輸送機行進控制的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)[17-18]。該系統(tǒng)自2014年以來在澳大利亞煤礦得到廣泛應(yīng)用,但是直到最近幾年才應(yīng)用到美國長壁工作面,截止至2019年有2 處礦山采用了該系統(tǒng)。

2.1.3 自動化刮板輸送機

刮板輸送機(AFC)傳動系統(tǒng)需要靜態(tài)和動態(tài)的功率儲備,以應(yīng)對啟動高負載和處理鏈條松弛情況。20世紀80年代,由于鏈條尺寸和鏈條強度較小,經(jīng)常發(fā)生AFC 突然過載導(dǎo)致鏈條斷裂或驅(qū)動電機燒壞現(xiàn)象。因此,1992年開發(fā)了AFC 軟啟動技術(shù),以處理重載啟動問題,確保驅(qū)動電機之間可均攤負載,也可避免機頭驅(qū)動架上的鏈條松弛。20世紀90年代初引入了雙控液壓缸可張緊的尾部驅(qū)動器來控制鏈條的張力。在2010年安裝了帶有智能張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機尾驅(qū)動器。該系統(tǒng)在刮板上安裝有載荷傳感器,用以測量鏈條實時張力。

2.2 自動化長壁采煤系統(tǒng)

根據(jù)三機配套設(shè)備自動化發(fā)展的時間順序可將美國的自動化長壁采煤系統(tǒng)大致分為3 個階段,即追機移架技術(shù)(SISA)、半自動化長壁工作面和采煤機遠程控制技術(shù)。

2.2.1 追機移架技術(shù)(SISA)

追機移架技術(shù)(SISA)源于20世紀80年代中期,其核心是在自動化采煤機和自動化液壓支架之間建立聯(lián)系,并且相互確認位置。當(dāng)采煤機經(jīng)過后,其背后的液壓支架將自動向前推移,然后刮板輸送機也自動逐一推進。該技術(shù)的基本要求是要有自動化系統(tǒng)計算機、裝有紅外發(fā)射器的采煤機、帶有電液控制系統(tǒng)的支架和采煤機可執(zhí)行“記憶切割”。

由于井下空氣中存在大量粉塵和水霧的區(qū)域,會使紅外信號接收器發(fā)生混亂,導(dǎo)致采煤機的位置數(shù)據(jù)丟失,同時由于位置定位是以液壓支架編號來完成的,當(dāng)支架寬度從以前的1.5 m 增加到目前常用的1.75 m 或2 m 時,根據(jù)此方法確定的采煤機位置不夠精確。因此,在20世紀90年代初,開發(fā)并使用了一個編碼器接口電路,該電路可對采煤機驅(qū)動鏈輪的齒數(shù)進行計數(shù),并且位置識別功能比紅外傳感器系統(tǒng)更為精確?，F(xiàn)在,所有采煤機都配備了這兩種系統(tǒng)(紅外和編碼器),以作相互補充。在2000年,開發(fā)了用于監(jiān)控動力馬達齒輪數(shù)的轉(zhuǎn)速監(jiān)視器,用來確定采煤機的位置,其精度可達毫米級。

當(dāng)采煤機采用單向割煤時,該系統(tǒng)在整個工作面均具有較好的適用性。當(dāng)采用雙向割煤時,該系統(tǒng)在工作面內(nèi)可正常運行,但是在端頭處需要自動模式下完成斜切進刀兩次切割三角煤時遇到了很多困難。這一端頭自動操作問題一直到21世紀初才得到解決,自此追機移架系統(tǒng)得以全面使用。

2.2.2 半自動化長壁工作面

源于2000年的半自動化長壁工作面是美國目前最常用的一種長壁開采模式,主要是由追機移架系統(tǒng)(SISA)、采煤機姿態(tài)控制系統(tǒng)(ASA)和刮板輸送機動態(tài)鏈管理系統(tǒng)(DCM),以及澳大利亞的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)組成(如果礦井選用該設(shè)備)。

ASA 系統(tǒng)包括采煤機傾角傳感器、搖臂傾角傳感器、轉(zhuǎn)速監(jiān)視器和采煤機精確定位等。DCM 系統(tǒng)包括刮板輸送機的鏈條張緊裝置、過載保護與軟啟動等。

采煤機以記憶切割模式工作,目前的記憶切割模式比20世紀90年代以前開發(fā)的初始版本系統(tǒng)更加準確、可靠。另外,采煤機司機也可以對割煤的位置隨時進行調(diào)整。

該開采模式目前仍然需要4～8 名工作人員,具體人員數(shù)量取決于實際的采礦和地質(zhì)條件,一般是1～2 名采煤機司機、1～3 名支架人員、1 名機械工程師、1 名輪轉(zhuǎn)工和1 名領(lǐng)班。

2.2.3 采煤機遠程控制技術(shù)

采煤機遠程控制技術(shù)始于2012年在新墨西哥州的一個煤礦,為了提高煤礦工人的安全性和煤炭產(chǎn)量[19],采煤機司機在工作面端頭控制點遠程控制采煤機的采煤工作。

自2016年8月起,由于可吸入粉塵的標準從2 mg/m3降低至1.5 mg/m3。為了達到該標準,西弗吉尼亞州煤礦也采用了類似的遠程控制采煤系統(tǒng)。在這兩個遠程控制采煤系統(tǒng)中[20],采煤機上安裝6～8 臺攝像機,分別面向重要位置的不同方向,以便遠程操控采煤機的司機可以實時看到整個工作面情況。1～4 臺攝像機安裝在刮板輸送機的頭尾驅(qū)動部位置。

工作面遠程控制系統(tǒng)安裝在工作面端頭巷道中,同時地面也安裝了具有類似功能的地面控制中心。

美國在過去的20 a 中,自動化采煤方面已經(jīng)取得很大進展,但是尚不能稱為完全自動化開采。遠程控制將工作面設(shè)備的操作人員轉(zhuǎn)移至遠離工作面的安全地方通過攝像機監(jiān)控來完成設(shè)備操作工作。除了工作面實際工作人員沒有減少太多以外,兩個遠程控制的長壁工作面對人員健康、生產(chǎn)安全和煤炭產(chǎn)量等方面都有很大的提升。

2.3 大數(shù)據(jù)、高速通信與可視化技術(shù)

一個現(xiàn)代自動化長壁開采系統(tǒng)配備了7 000 多個不同類型的傳感器,實時采集海量數(shù)據(jù),并連接到一個或多個PLCs 上(圖4),這就需要開發(fā)一些軟件用來分析每個傳感器的數(shù)據(jù),以及傳感器之間數(shù)據(jù)的相關(guān)性。大數(shù)據(jù)和高速通信技術(shù)以及專用的軟件可以實時顯示每臺機器、三機中的任意一臺以及整個長壁開采系統(tǒng)的工況。

操作人員可以從屏幕上查看工作面形狀,并確定何時需要工作面調(diào)直。屏幕上可以顯示支架立柱阻力、時間加權(quán)平均阻力、載荷增量、支架高度與支架間碰撞情況,工作面位置及輪廓、采煤機的位置以及存儲控制部件的狀態(tài)。操作人員可以對雙重訪問隨機存取存儲器中的控制桿進行編程,以校正切割,調(diào)整水平線。動態(tài)鏈控制管理系統(tǒng)(DCM)顯示輸入壓力、設(shè)定和實際的鏈條張力,以及液壓缸活塞的實時位置等信息。

近年來各設(shè)備商還開發(fā)了3D 可視化功能。該系統(tǒng)利用存儲控制部件從工作面三機中收集數(shù)據(jù),并構(gòu)建高保真3D 圖形系統(tǒng)。包括管理人員在內(nèi)的操作人員便可在生產(chǎn)過程中監(jiān)管整個長壁工作面。操作人員可以選擇工作面三機中任意一臺的特定數(shù)據(jù)點,并從任意角度實時監(jiān)測長壁系統(tǒng),這使得操作人員不僅可以看到正在運行的裝備,還可以在接近預(yù)警系統(tǒng)中看到操作人員的位置,并且系統(tǒng)可以回放。

圖4 長壁開采數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[7]Fig.4 Data transmission system in longwall mining[7]

2.4 自動化開采問題與方向

自動化長壁開采技術(shù)源于美國,但自20世紀90年代中期以來,并沒有取得重大進展,其主要原因是:

(1)目前的系統(tǒng)運行良好,無需重大改進,且已能滿足開采需要,此外自動化系統(tǒng)的成功應(yīng)用并不能保證提高產(chǎn)量,甚至在某些情況下,還會減少產(chǎn)量。礦山工會害怕工人失業(yè)而抵制這項技術(shù)。

(2)“清潔能源計劃”政策限制燃煤電廠的二氧化碳排放,再加上近年來豐富廉價的頁巖氣,煤炭在發(fā)電中的份額大幅下降,煤炭產(chǎn)量減少,新的煤炭開發(fā)項目也很少。在2000年代初,電液控液壓支架的價格大幅上漲,導(dǎo)致礦山經(jīng)營者沒有能力購買新設(shè)備,而是尋找其它替代品,如購買二手液壓支架或延長已有支架的使用年限。

(3)煤炭行業(yè)一直將注意力集中在改善礦工的健康和安全方面,在提高產(chǎn)量和減少作業(yè)人員方面并不迫切。

(4)井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變,可能會對自動化設(shè)備造成損壞,經(jīng)常需要人工操作。

美國在自動化長壁開采技術(shù)升級中,一直致力于改善工作面設(shè)備的可靠性、保證工作人員的健康和安全等,目前主要的攻關(guān)方向為[8]:

(1)開發(fā)各種傳感器,以實時測量不斷變化的地質(zhì)和采礦條件,從而對工作面設(shè)備進行高級控制。

(2)需要可以快速移動的自動化重型設(shè)備,特別是大量的液壓支架需要配置多個警告系統(tǒng),以確保礦工的安全,如:臨近傳感器或安全閉鎖裝置,以及可以反映設(shè)備移動、故障和其他活動的彩燈照明系統(tǒng)。

(3)液壓支架的智能噴水系統(tǒng),以便用于支架前進過程中自動抑制粉塵。發(fā)展液壓支架與采煤機之間的防撞技術(shù)。

(4)完善端頭往返和三角煤切割系統(tǒng),使工作面實現(xiàn)完全自動化。

(5)完善采煤機、液壓支架和刮板輸送機組件的實時工作狀況和診斷監(jiān)控系統(tǒng),使其可以及時進行預(yù)防性維修。

(6)采煤機部件的自動化:遙臂、擋煤板、大塊破碎機構(gòu)、牽引部和防塵噴水裝置。

(7)自動化開采系統(tǒng)的目標是單臺設(shè)備可靠性達到98.5% 以上,整個礦井系統(tǒng)的可靠性接近100%。

3 房柱開采技術(shù)

房柱開采技術(shù)主要應(yīng)用于美國、澳大利亞、俄羅斯、加拿大和中國等。其中,美國是世界上采用房柱開采技術(shù)最悠久和產(chǎn)量最多的國家,目前仍有超過56 個礦井以房柱開采技術(shù)為主。但由于房柱開采技術(shù)的煤炭回收率低,通風(fēng)管理困難等問題,近20 a 來產(chǎn)量逐年下跌,如圖5所示。盡管長壁開采相對于房柱開采規(guī)模更大,效率更高,但是房柱開采技術(shù)具有投資少(約為長壁技術(shù)的1/5)、能有效控制地表下沉等優(yōu)點,在煤層賦存條件比較簡單、煤層傾角較小、無法布置長壁工作面,且瓦斯較少的近水平煤層中廣泛應(yīng)用[21]。

圖5 1999年與2019年美國房柱式采煤產(chǎn)量及占比Fig.5 Production and proportion of room & pillar mining in U.S.Between 1999 and 2019

3.1 美國房柱式開采技術(shù)發(fā)展歷程

20世紀20年代,美國逐漸在房柱式地下采煤過程中使用了截煤機和裝載機,從而代替了效率低下的人工放炮與人工裝煤的采煤工藝,這時用于房柱開采的工藝系統(tǒng)是:截煤機落煤—裝載機—梭車—膠帶機工藝系統(tǒng),一般稱其為傳統(tǒng)普通房柱開采技術(shù)系統(tǒng)。

從20世紀40年代中期Joy 發(fā)明連續(xù)采煤機開始到20世紀80年代,房柱開采工藝進入了一個新的發(fā)展階段。連續(xù)采煤機的發(fā)明和性能不斷完善,以及其配套設(shè)備的研制成功,逐步形成了連續(xù)采煤機—梭車(或運煤車)—給料破碎機—帶式輸送機工藝系統(tǒng),即連續(xù)采煤機技術(shù)系統(tǒng)。這是目前房柱開采的主要技術(shù)系統(tǒng)。進入20世紀80年代中期,連續(xù)運輸系統(tǒng)的誕生替代了連續(xù)采煤機后配套的梭車、運煤車和給料破碎機等設(shè)備,使房柱采煤工作面的生產(chǎn)能力得到了大幅度提高。其工藝系統(tǒng)為:連續(xù)采煤機—連續(xù)運煤系統(tǒng)—帶式輸送機工藝系統(tǒng),稱之為連續(xù)采煤、連續(xù)運輸技術(shù)系統(tǒng)。

20世紀90年代初,隨著履帶行走式液壓支架的研制成功,連續(xù)采煤機房柱式工藝中的支護工序?qū)崿F(xiàn)了機械化。這對房柱式采煤工藝來說具有里程碑意義。該支架加入連續(xù)采煤機工藝系統(tǒng)和連續(xù)采、連續(xù)運輸工藝系統(tǒng)以后,首次實現(xiàn)了連續(xù)采煤機房柱式落煤、裝煤、運煤、支護工序的機械化生產(chǎn)[22]。這種以連續(xù)采煤機為中心的房柱式設(shè)備體系一直沿用至今。圖6是房柱法的技術(shù)發(fā)展歷程。

圖6 美國房柱式開采技術(shù)發(fā)展歷程Fig.6 Technology development of Room & Pillar Mining in U.S.

3.2 美國房柱式開采技術(shù)現(xiàn)狀及進展

目前在美國,經(jīng)過近百年對房柱式開采技術(shù)不斷改進和配套,在形成的以連續(xù)采煤機為中心的設(shè)備體系基礎(chǔ)上,逐步進行設(shè)備的多樣化、信息化、人性化與智能化開發(fā),尤其更加注重職業(yè)安全與健康的相關(guān)研究,包括粉塵、噪聲的控制。

3.2.1 多樣化的連續(xù)采煤機

小松(Joy,注2017年4月日本小松集團收購了美國久益(Joy)環(huán)球集團)、卡特皮勒(CAT)、艾克夫(Eickhoff)、山德維克(SandVic)等設(shè)備制造商,針對不同煤層厚度,不同的切割滾筒形態(tài),不同功率與開采能力,制造了適合各種賦存條件下的系列連續(xù)采煤機,尤其是針對薄煤層房柱式開采,矮機身與高強度連續(xù)采煤機的開發(fā)在近20 a 來取得了重大突破。

目前使用型號最多的連續(xù)采煤機,是來自小松( 原 Joy Global Underground Mining LLC)的Joy12CM 系列連采機,自1948年發(fā)明后,已經(jīng)為全球供應(yīng)了6 000 臺以上。在美國煤炭產(chǎn)量排名前20 的煤礦,98%用的連采機均來自久益(Joy)。Joy12CM系列連采機始終保持在北美銷量第1 的位置[23]。12CM12 是用于中厚～厚煤層開采的最暢銷機型(圖7),12CM15 主要用于中厚煤層開采(圖8)。小松制造商(Joy)開發(fā)的14CM 系列連續(xù)采煤機能適應(yīng)于各種薄煤層條件,為使用房柱式采煤的礦井創(chuàng)造了許多產(chǎn)量記錄。

3.2.2 信息化與智能控制技術(shù)

圖7 Joy12CM12 型連續(xù)采煤機Fig.7 Joy12CM12 continuous miner

圖8 Joy12CM15 型連續(xù)采煤機Fig.8 Joy12CM15 continuous miner

小松(Joy)基于連續(xù)采煤機房柱開采技術(shù)開發(fā)了Joy 智聯(lián)系統(tǒng)(Joy connect)。該系統(tǒng)可以適用于房柱式開采的所有裝備,從連續(xù)運輸設(shè)備、頂板錨桿、給料破碎機和傳送帶中收集與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)與信息,包括電壓、電流、溫度、壓力和流量,以及一些操作信息,將它們匯集到Joy 智聯(lián)系統(tǒng),然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降乇?在調(diào)度室進行分析并轉(zhuǎn)換成有用的信息后反饋給生產(chǎn)設(shè)備。

房柱式采煤工作面Faceboss 控制平臺通過綜合分析輔助操作工具、自動排序、高級診斷、設(shè)備性能監(jiān)測和分析工具等的監(jiān)控數(shù)據(jù),使操作人員能夠在生產(chǎn)效率與運行成本之間合理地進行平衡[24]。Faceboss是目前井下所有Joy 設(shè)備的標準控制平臺,如圖9所示。

圖9 Faceboss 控制系統(tǒng)Fig.9 Faceboss control system

2015年美國礦山安全與健康管理局(MSHA)發(fā)布了一項聯(lián)邦法規(guī),要求所有連續(xù)采煤機必須使用接近預(yù)警系統(tǒng),如圖10所示。因此,許多連續(xù)采煤機制造商均開發(fā)了相關(guān)系統(tǒng),例如Joy12CM 與14CM 系列連采機均裝配有SmartZone 接近預(yù)警系統(tǒng),以提醒工作人員在大型裝備周圍工作時避開危險區(qū)域[25]。該系統(tǒng)可實現(xiàn)低能見度與模糊視線范圍內(nèi)的探測,系統(tǒng)的接近傳感器確定了采煤機一個特定區(qū)域,如果有人接近該區(qū)域,采煤機將停止工作或者不能被啟動?？砂惭b于房柱開采的各種設(shè)備上。

圖10 連續(xù)采煤機SmartZone 接近預(yù)警系統(tǒng)Fig.10 SmartZone approaching alarm system of continuous miner

3.2.3 防塵與噪聲控制技術(shù)

小松(Joy)的Wethead 濕式切割是一種很受煤礦認可的工作面粉塵控制技術(shù),并首先運用在長壁開采中。該技術(shù)在切割滾筒的每個截齒后面都加入了細噴霧裝置,用來避免摩擦起火事故發(fā)生,同時降低呼吸性粉塵濃度。水噴霧作為冷卻劑和潤濕劑,有效解決了工作面火花與粉塵問題,同時用水作為潤滑劑也延長了截齒壽命,降低水的消耗量。

小松(Joy)系列連采機在噪聲控制技術(shù)開發(fā)方面也取得了很大進展。第1 個關(guān)鍵技術(shù)是采用了低噪雙鏈齒輸送機鏈條和2 個平行八齒鏈輪增加扭轉(zhuǎn)剛度,這種鏈輪配置有效降低了輸送鏈斷裂的危險。第2 個關(guān)鍵技術(shù)是使用Joy 聚合物涂層的輸送鏈可以為連采機額外降低3 dB 噪聲。

美國安全與職業(yè)健康研究院(NIOSH)、肯納公司(Kennametal)與克里橡膠公司(Corry Rubber)針對房柱式采煤錨桿作業(yè)的噪聲進行了長期研究,認為頂板錨桿施工作業(yè)是造成礦工聽力損失的主要原因之一[26]。錨桿作業(yè)的噪聲源主要位于鉆桿與頂板交界下方100～200 mm 處。研究表明,通過使用一種靈活的減震材料將卡盤與鉆桿、鉆頭與鉆桿進行隔離,可大幅度降低噪聲、減少傳遞到鉆桿的振動。初步測試結(jié)果表明,該減震隔離器可以降低3～5 dB 的噪音。另一新技術(shù)是肯納公司(Kennametal)發(fā)明的錨桿鉆機粉塵收集器,這是一個類似鉆頭系統(tǒng)的附件,可以將頂板粉塵吸收在鉆頭真空系統(tǒng)中,以避免現(xiàn)場操作人員呼吸至體內(nèi)。

3.2.4 虛擬仿真實訓(xùn)技術(shù)

IM360 高級虛擬仿真實訓(xùn)模擬器(圖11),能模擬現(xiàn)場房柱開采連續(xù)采煤機操作環(huán)境,通過系統(tǒng)開發(fā)的定制培訓(xùn)課程,完整再現(xiàn)了煤層賦存的地質(zhì)條件、煤巖強度、頂板高度以及其他重要的特征。學(xué)員通過操作連續(xù)采煤機觀察礦井的地質(zhì)環(huán)境,然后接受培訓(xùn)老師的教學(xué)與指導(dǎo),當(dāng)學(xué)員在模擬中達到了相應(yīng)水平的要求時,就會批準其進入井下實際操作。

圖11 IM360 高級虛擬仿真實訓(xùn)模擬器Fig.11 IM360 advanced virtual reality training machine

通過收集培訓(xùn)前后90 d 范圍內(nèi)的連采機司機的實際工作表現(xiàn)數(shù)據(jù),以觀察虛擬仿真實訓(xùn)的改進效果。實際工作表現(xiàn)以每班進尺作為衡量指標。在進行IM360 高級虛擬仿真實訓(xùn)后,房柱開采連采機司機的季度產(chǎn)量平均提高了12%。

4 結(jié) 論

(1)美國是世界上除中國以外地下開采煤炭產(chǎn)量最多的國家,也是地下開采技術(shù)總體上最先進的國家。美國煤炭的地下開采分為長壁式和房柱式2 種技術(shù),其中長壁開采的產(chǎn)量占地下開采產(chǎn)量的55%,其余45%為房柱開采。在一些地質(zhì)條件適宜、儲量豐富、經(jīng)費充足的礦井,一般以長壁開采為主,否則以房柱開采為主。自1994年以來,美國的礦井?dāng)?shù)量大幅度減少,地下礦由1 143 座減少到2017年的237座,減少了79%,而地下煤礦的煤炭產(chǎn)量減少了32%,相當(dāng)于單個礦井產(chǎn)量從1994年至2017年增加了230%,煤炭生產(chǎn)更加集中、高效。

(2)美國長壁開采以中厚煤層為主,采高一般為1.6～2.5 m。長壁工作面均采用多巷布置、矩形斷面巷道、錨桿支護,具有掘巷與支護速度快、逃生通道多等優(yōu)點。近些年來,工作面尺寸、設(shè)備功率、設(shè)備尺寸逐漸增大,生產(chǎn)系統(tǒng)更加可靠。長壁工作面的平均年產(chǎn)原煤588 萬t,遠高于中國工作面的平均單產(chǎn)。

(3)長壁工作面的自動化開采源于1984年的電動控制液壓支架的研發(fā)與使用,此后開發(fā)了支架、采煤機、刮板輸送機的單機自動化技術(shù),以及開發(fā)了追機移架技術(shù)。2000年以后開始了半自動化工作面技術(shù)和采煤機遠程控制技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。目前有2個工作面應(yīng)用了采煤機遠程控制技術(shù),其余工作面是以半自動化工作面技術(shù)為主。美國的長壁自動化開采技術(shù)基本解決了條件簡單工作面的自動化開采問題,一般情況下可有效提高工作面產(chǎn)量和減少工作面作業(yè)人員,但遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時,仍需要人工干預(yù)或者人工操作。自動化開采技術(shù)的下一步努力方向是研發(fā)自動化開采的關(guān)鍵傳感器和設(shè)備以適應(yīng)地質(zhì)條件變化、完善端部進刀系統(tǒng),更加關(guān)注作業(yè)安全和職業(yè)健康,如開發(fā)臨近傳感器或安全閉鎖裝置,以及可以反映設(shè)備移動、故障和其他活動的彩燈照明系統(tǒng)等。礦用大數(shù)據(jù)分析、高速通信與可視化技術(shù)也是目前美國的重要研發(fā)方向。

(4)房柱開采技術(shù)在美國及其他一些采煤國家的許多礦井仍然得到應(yīng)用,雖然近30年來開采工藝的變化不大,但對房柱式開采相關(guān)的科技創(chuàng)新并未停止,尤其在近10 a,對于開采裝備多樣化,開采系統(tǒng)的自動化、信息化、智能化相關(guān)技術(shù)開發(fā)的成果顯著。另外,對操作人員的職業(yè)安全與健康的研究也更加深入,尤其是在噪聲與粉塵控制方面。

(注:由于美國使用短噸和洗精煤進行煤炭產(chǎn)量統(tǒng)計,所以文中的美國煤炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)是換算過來的公制噸和原煤產(chǎn)量。1 t=1.102 3 短t;1 t 原煤=0.6 t精煤)