甄家溝煤礦“等采高”薄煤層采煤機(jī)智能化工作面探索

陳彥軍，胡明東，楊 帥

(子長縣甄家溝煤業(yè)有限公司，陜西 子長 717300)

0 引言

子長礦區(qū)是三疊紀(jì)成煤條件最好的富煤區(qū)，礦區(qū)煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量28.94億t，探明儲(chǔ)量8.02億t。礦區(qū)煤層埋藏淺，賦存平穩(wěn)，地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件簡單，可采厚度連片分布且具有開采價(jià)值的煤層為5號(hào)煤和3號(hào)煤，煤層厚度變化較大，薄及極薄煤層占1/3以上。礦區(qū)煤種屬國內(nèi)稀缺的44～45號(hào)氣煤，是配焦、氣化、液化、燃燒動(dòng)力和低溫干餾的優(yōu)質(zhì)化工煤。鑒于煤種原因，按照《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》，子長礦區(qū)煤層最低可采厚度應(yīng)為0.7 m，依據(jù)《陜西省國土資源廳關(guān)于陜北三疊紀(jì)煤田子長礦區(qū)工業(yè)指標(biāo)中煤層最低可采厚度的批復(fù)》(陜國土資儲(chǔ)發(fā)〔2009〕14號(hào))，子長礦區(qū)煤層最低可采厚度調(diào)整為0.50 m。多年來，受薄及極薄煤層采煤工藝的制約，煤炭開采難度大、產(chǎn)量低、成本高，難以發(fā)揮子長的煤質(zhì)優(yōu)勢。甄家溝煤礦薄煤層原設(shè)計(jì)采用綜合機(jī)械化采煤工藝，采煤機(jī)與液壓支架配套困難，近年一直調(diào)研國內(nèi)外的薄煤層采煤機(jī)智能化工作面的使用情況。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，波蘭生產(chǎn)的黑龍系列“等采高”薄煤層采煤機(jī)方便配套，并可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，目前已經(jīng)基本完成前期工作，投產(chǎn)后采煤工作面將實(shí)現(xiàn)無人開采，提高工效，改善工人工作環(huán)境，是比較理想的配套設(shè)備。

1 甄家溝煤礦煤層賦存概況

甄家溝煤礦位于子長礦區(qū)北部，距子長城區(qū)西北約7 km處，行政區(qū)劃為子長市瓦窯堡鎮(zhèn)、欒家坪鄉(xiāng)及玉家灣鎮(zhèn)所管轄。目前正在施工井下大巷及采煤工作面順槽巷道，處于建設(shè)階段，屬資源整合型礦井。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

井田內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)為一向西偏北緩傾的單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單，傾角1°～3°，局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，無巖漿活動(dòng)。

1.2 煤層賦存

井田內(nèi)賦存5上號(hào)煤、5號(hào)煤、3-1號(hào)煤和3-2號(hào)煤4層煤。

5上號(hào)煤：賦存于瓦窯堡組第4段頂部，煤層厚度0.16～0.90 m，可采厚度0.50～0.90 m，平均厚度0.63 m，偶含一層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，煤層底板標(biāo)高1 025～1 095 m，埋深35～342 m。

5號(hào)煤：賦存于瓦窯堡組第4段頂部，煤層厚度0.67～2.23 m，可采厚度0.50～1.96 m，平均厚度1.25 m，含0～2層夾矸，煤層底板標(biāo)高為1 020～1 095 m，埋深40～345 m。

3-1號(hào)煤：賦存于瓦窯堡組第3段上部，煤層厚度0.20～0.73 m，可采厚度0.50～0.73 m，平均厚度0.57 m，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，煤層底板標(biāo)高為990～1 070 m，埋深75～385 m。

3-2號(hào)煤：賦存于瓦窯堡組第3段上部，煤層厚度0.44～0.91 m，可采厚度0.50～0.83 m，平均厚度0.64 m，一般不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，煤層底板標(biāo)高980～1 060 m，埋深80～392 m，屬大部可采的穩(wěn)定煤層。

甄家溝煤礦井田內(nèi)的4層煤大多屬于薄及極薄煤層(0.6 m以下)。

2 國內(nèi)薄煤層采煤工作面裝備情況

國內(nèi)中厚煤層綜合機(jī)械化采煤設(shè)備配套已經(jīng)成熟，厚及特厚煤層綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)發(fā)展也很迅速，設(shè)備配套成型，智能化工作面控制也趨于成熟。唯獨(dú)薄及極薄煤層受煤層賦存條件、效益、工作環(huán)境等限制發(fā)展相對(duì)滯后。經(jīng)過調(diào)研，目前國內(nèi)的薄及極薄煤層采煤工作面裝備主要有3種形式。

2.1 滾筒式采煤機(jī)采煤工藝

在薄煤層綜合機(jī)械化采煤工藝中，配套滾筒式采煤機(jī)最為廣泛。它與中厚煤層采煤裝備差別不大，也是由雙滾筒采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)組成，不同點(diǎn)在于裝備小型化。受煤層厚度、設(shè)備制造工藝限制，采煤機(jī)經(jīng)常割頂或割底，設(shè)備磨損大、設(shè)備故障率高、維修量大、正規(guī)作業(yè)循環(huán)率低、工作面粉塵大、運(yùn)輸成本高、洗煤成本高，工人在工作面直不起身，工作條件差等。

2.2 智能型刨煤機(jī)采煤工藝

國內(nèi)最早裝備智能型刨煤機(jī)的煤礦是鐵法小青煤礦。

小青煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能150萬t/a，為“一井二面”生產(chǎn)。2001年1月，引進(jìn)德國DBT采礦技術(shù)公司生產(chǎn)的高效長壁連續(xù)開采智能型GH9.34VE/4.7薄煤層刨煤機(jī)裝備綜采工作面。首先在W1E703工作面進(jìn)行了試采，然后回采了WIW712薄煤層工作面，至2001年12 月底，成功回采了多個(gè)工作面。W1E703工作面的走向長度為905 m，面長150 m，回采625 m后，工作面長度增加為195 m。煤層厚度1.0～1.58 m，平均1.3 m，煤層傾角5°～8°，偽頂為泥巖、直接頂為粉砂巖，底板為泥質(zhì)粉砂巖。刨煤機(jī)采煤工作面設(shè)備及開采技術(shù)特征見表1、2。

表1 刨煤機(jī)采煤工作面設(shè)備技術(shù)特征

表2 刨煤機(jī)采煤工作面開采技術(shù)參數(shù)

小青煤礦采用刨煤機(jī)自動(dòng)化采煤，減少了原煤生產(chǎn)人員，提高了勞動(dòng)效率，降低了生產(chǎn)成本，基本實(shí)現(xiàn)了采煤工作面無人作業(yè)，達(dá)到了安全經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，但對(duì)煤的硬度要求較高。

2.3 配套螺旋鉆機(jī)采煤工藝

子長市焦家溝煤礦是陜西最早使用螺旋鉆機(jī)采煤工藝的煤礦。

焦家溝煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，可采煤層2層，5號(hào)中厚煤層和3號(hào)極薄煤層。礦井在3號(hào)極薄煤層采用山東隆恒礦山機(jī)械有限公司在烏克蘭螺旋鉆機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的MZ系列螺旋鉆采煤機(jī)，MZ132/294型四軸聯(lián)動(dòng)雙向自動(dòng)對(duì)接螺旋鉆進(jìn)式采煤機(jī)，采寬2.6 m，適應(yīng)厚度0.5～1.0 m、傾角小于22°的煤層，鉆桿長度1.62 m，設(shè)計(jì)鉆深60 m。

螺旋鉆機(jī)采煤工作面的設(shè)備及開采技術(shù)特征見表3、4。

表3 鉆采機(jī)采煤工作面設(shè)備配套

表4 鉆采機(jī)采煤工作面開采技術(shù)參數(shù)

焦家溝煤礦采用螺旋鉆開采突破了極薄煤層開采的高度限制，只采煤不采石頭，避開了極薄煤層綜采人為增加采厚、截割巖石帶來的所有弊端。基本實(shí)現(xiàn)了無人工作面開采，螺旋鉆桿自行破煤、裝煤、運(yùn)煤，工作面無支護(hù)設(shè)備，人員在巷道內(nèi)即可完成螺旋鉆的所有操作，工作面開采安全條件比綜采工藝更加優(yōu)越。但主要問題是回采率低，效率低，近年已不再使用。

經(jīng)過調(diào)研，擬采用已經(jīng)在神東公司石圪臺(tái)煤礦使用的“等采高”薄煤層采煤機(jī)，同步建設(shè)智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人化開采。

3 “等采高”薄煤層采煤機(jī)智能化工作面裝備方案

3.1 采煤機(jī)

GUL-500型采煤機(jī)由波蘭FAMUR公司生產(chǎn)，裝備一臺(tái)500 kW的截割電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)滾筒，無搖臂實(shí)現(xiàn)等高回采。行走方式采用鏈(42×137)牽引方式，機(jī)頭、機(jī)尾各有一臺(tái)60 kW的變頻電機(jī)控制采煤機(jī)的牽引行走。機(jī)尾一臺(tái)20 kW的電纜拖曳變頻電機(jī)，通過牽引電機(jī)編碼器和拖纜電機(jī)編碼器，實(shí)現(xiàn)煤機(jī)和拖纜裝置同步移動(dòng)，保證了采煤機(jī)電纜受力平衡，防止電纜多層折疊，降低了中部槽高度，保障了工作面采高控制。鏈條牽引編碼器和紅外裝置的雙重計(jì)算實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的精準(zhǔn)定位和工作面系統(tǒng)的高度協(xié)同同步。采煤機(jī)采用端頭垂直進(jìn)刀，相比于傳統(tǒng)的斜切進(jìn)刀，節(jié)省了割三角煤的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 S-850N型刮板運(yùn)輸機(jī)

S-850N刮板運(yùn)輸機(jī)采用兩端頭下沉式布置，端頭卸料，中雙鏈布置，鏈條規(guī)格34 mm×126 mm，機(jī)頭、機(jī)尾各配置一臺(tái)450 kW的變頻電機(jī)，在運(yùn)行中可以隨意調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和鏈條轉(zhuǎn)速。中部槽高度220 mm，可通過支架調(diào)溜油缸調(diào)整溜槽俯仰角度。

3.3 轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、自移機(jī)尾

PPZ-850轉(zhuǎn)載機(jī)長60 m，中雙鏈布置，鏈條規(guī)格30 mm×108 mm，配置450 kW變頻電機(jī)。UPZP-1200自移機(jī)尾有電磁閥手動(dòng)、遙控、自動(dòng)3種操作方式，總長度35.13 m，搭接長度20 m，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)推移20 m不拆卸皮帶架，提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。采用4根立柱頂板錨固，利用2根伸縮油缸配合支架推溜實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)拉移，推移油缸還可以以轉(zhuǎn)載機(jī)為支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自移機(jī)尾向前爬移。UKU-1600破碎機(jī)配置200 kW工頻電機(jī)，使用角型減速箱，體積小，傳動(dòng)效率高，破碎機(jī)兩側(cè)各有2根調(diào)節(jié)油缸，可方便調(diào)節(jié)破碎輸出粒度。

3.4 液壓支架

液壓支架選用相應(yīng)采高的國產(chǎn)掩護(hù)式支架配套，支架上安裝高清攝像儀、無線基站，每臺(tái)支架安裝左右壓力、行程、底座角度、頂梁角度、掩護(hù)梁角度、紅外接收等傳感器。配備手動(dòng)、遙控和自動(dòng)3種操作模式。

3.5 控制系統(tǒng)

中央控制室內(nèi)裝備有工作面設(shè)備監(jiān)控主機(jī)和等高設(shè)備電控主機(jī)，主要監(jiān)控液壓支架跟機(jī)狀態(tài)，采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，配備設(shè)備啟?？刂泼姘寮皺z測支架數(shù)據(jù)的操控面板，在中央控制室內(nèi)可以完成無人自動(dòng)化采煤工藝。

SNG主控制站是“等采高”采煤機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，是集采煤機(jī)截割、裝煤、驅(qū)動(dòng)牽引、電路保護(hù)及冷卻水路控制為一體的自動(dòng)控制裝置?！暗炔筛摺辈擅簷C(jī)通過動(dòng)力電纜以動(dòng)力載波的方式將自身數(shù)據(jù)傳輸給SNG，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的啟停、漏電及斷電保護(hù)等功能。牽引及噴霧控制“黑龍”系統(tǒng)為“等采高”式采煤機(jī)，采高始終恒定(可通過機(jī)身升降油缸微調(diào)采高0～150 mm)，只能通過更換滾筒來調(diào)整采高。“黑龍”系統(tǒng)又分為“黑龍”和“小龍”，主要參數(shù)對(duì)比見表5。

表5 “黑龍”系統(tǒng)設(shè)備對(duì)比

根據(jù)本礦井煤層條件，在5號(hào)煤層2個(gè)工作面初期布置一套GUL500型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可控采高為1.2～1.75 m。當(dāng)開采5號(hào)上煤層時(shí)，布置一套“小龍”系統(tǒng)，即GUL350系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可控采高1.0～1.55 m，適用于平均0.63 m煤厚，可實(shí)現(xiàn)在平均采高1 m情況下無人智能自動(dòng)化高效生產(chǎn)。對(duì)于開采厚度為0.5～0.7 m的煤層時(shí)，雖然同時(shí)開采厚度為0.5～0.3 m的矸石，但是經(jīng)洗選后的商品煤產(chǎn)量仍可達(dá)到60～80萬t/a以上。

4 效益分析

該套系統(tǒng)裝備后，設(shè)計(jì)采煤工作面長度200 m，5上號(hào)煤采煤工作面產(chǎn)能可達(dá)60萬t/a，5號(hào)煤采煤工作面120萬t/a。

自工作面裝備“等采高”智能化采煤系統(tǒng)后，工作面采用全自動(dòng)模式生產(chǎn)，取消了煤機(jī)司機(jī)、支架工、機(jī)頭、機(jī)尾崗位工和自移機(jī)尾司機(jī)，正常生產(chǎn)中，生產(chǎn)班組只配備3～4人，除集控臺(tái)司機(jī)外，其他人員只負(fù)責(zé)巡視設(shè)備及生產(chǎn)情況。減少人員可降低煤炭生產(chǎn)成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少安全生產(chǎn)隱患，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”目標(biāo)，社會(huì)效益明顯。

5 結(jié)論

(1)采煤機(jī)無搖臂實(shí)現(xiàn)等高回采，最大限度地避免了割頂與割底。采用鏈牽引方式，機(jī)頭、機(jī)尾各有一臺(tái)變頻電機(jī)控制采煤機(jī)的牽引行走，有效實(shí)現(xiàn)了煤機(jī)和拖纜裝置的同步移動(dòng)。

(2)薄煤層“等采高”采煤機(jī)智能化無人工作面成套裝備與技術(shù)，自動(dòng)完成割煤、移架、推移刮板輸送機(jī)和頂板支護(hù)等生產(chǎn)流程，提高了薄煤層開采的生產(chǎn)能力，改善了井下作業(yè)環(huán)境，大幅解放一線生產(chǎn)人員，可以實(shí)現(xiàn)薄煤層生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化和工作面無人化開采。

(3)改進(jìn)了薄煤層采煤工藝，提高了采煤工作面采、支、運(yùn)工序的自動(dòng)化程度,減少工作面作業(yè)人數(shù)?！暗炔筛摺北∶簩又悄芑到y(tǒng)的成功應(yīng)用將為薄及極薄煤層高產(chǎn)高效開采提供借鑒。