1.0 m 以下薄煤層智能化刨煤開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)研究

范志忠，裴印昌，劉天習(xí)，于鳳江

（1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司 采礦分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 3.遼寧鐵法能源有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，遼寧 調(diào)兵山 112700；4.赤峰市元寶山區(qū) 防災(zāi)救災(zāi)中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

0 引 言

國(guó)外長(zhǎng)壁式自動(dòng)化開(kāi)采主要有2 種技術(shù)途徑，英國(guó)和美國(guó)主要采用滾筒采煤機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)壁式開(kāi)采和連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行房柱式開(kāi)采［1］，德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯和比利時(shí)等國(guó)廣泛采用刨煤機(jī)，尤其是德國(guó)研制和使用刨煤機(jī)的時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)水平最高［2］。 在工作面自動(dòng)化控制領(lǐng)域，英國(guó)LONG－AIRDOX 公司、美國(guó)JOY 公司相繼研究開(kāi)發(fā)了具有自動(dòng)化功能的滾筒采煤機(jī)綜采工作面計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng) 用 效 果［3－4］。 德 國(guó)DBT 公 司 開(kāi) 發(fā) 的 以 支 架PM4 電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的全自動(dòng)化無(wú)人刨煤機(jī)綜采工作面成套設(shè)備實(shí)現(xiàn)了部分薄及中厚煤層綜合機(jī)械化采煤向綜合自動(dòng)化無(wú)人工作面采煤的飛躍，使部分薄及中厚煤層開(kāi)采達(dá)到了高產(chǎn)高效的目的［5－6］。 刨煤機(jī)綜采設(shè)備工作面安全保障措施完備、塊煤率高，適于開(kāi)采厚度較小且地質(zhì)條件變化不大的煤層［7］。 雖然滾筒采煤機(jī)等綜采設(shè)備則對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)能力較強(qiáng)，甚至適應(yīng)于硬煤以及煤層厚度變化較大的薄煤層開(kāi)采，但在薄及極薄煤層條件下，裝煤效果受到嚴(yán)重制約［8－9］。 與螺旋鉆采煤機(jī)和滾筒采煤機(jī)技術(shù)相比，刨煤機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)量大，經(jīng)濟(jì)效益明顯，更易實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化工作面等特點(diǎn)［10］。 同時(shí)，提高1.0 m 以下薄煤層開(kāi)采技術(shù)水平，一方面可緩解礦井資源枯竭進(jìn)程，另一方面可解決多煤層開(kāi)采壓茬問(wèn)題，提高資源采出率，具有重要現(xiàn)實(shí)意義［11－13］。

筆者針對(duì)1.0 m 以下薄煤層從厚度、煤層硬度、刨煤速度、作業(yè)空間、設(shè)備改進(jìn)與優(yōu)化、分源供電與同步控制等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了1.0 m 以下煤層刨煤機(jī)開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)及工藝，可為國(guó)內(nèi)類(lèi)似煤層智能化高效開(kāi)采提供借鑒。

1 無(wú)人化刨煤機(jī)應(yīng)用概況

刨煤機(jī)工作面采煤時(shí)為計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，人員在距工作面150 m 外的巷道主控室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，工作面內(nèi)無(wú)人作業(yè)，最大限度地減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和傷亡事故的概率。 由于刨煤機(jī)為刨削、滑行落煤，產(chǎn)塵量少，再加上先進(jìn)的消塵系統(tǒng)，煤塵明顯降低。操作人員可通過(guò)控制盤(pán)按順序啟動(dòng)系統(tǒng)，刨煤機(jī)的位置及運(yùn)動(dòng)方向是由安裝在刨煤機(jī)導(dǎo)軌上傳感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 無(wú)人自動(dòng)化主要通過(guò)電子計(jì)算機(jī)主控臺(tái)（MCU）對(duì)工作面支架控制單元（PM4）進(jìn)行程序設(shè)定，實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化生產(chǎn)，全自動(dòng)化刨煤機(jī)系統(tǒng)的操作人員只需在運(yùn)輸巷的控制室內(nèi)對(duì)主控臺(tái)、支架控制單元（PMC）服務(wù)器，PROMOS 控制器及控制盤(pán)進(jìn)行監(jiān)控操作，刨煤機(jī)在整個(gè)工作面內(nèi)的自動(dòng)往返運(yùn)行和高低速切換均由PROMOS 程序所決定，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 刨煤機(jī)工作面PROMOS 監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 PROMOS monitoring system schematic in working face

鐵煤集團(tuán)第1 套全自動(dòng)化刨煤機(jī)成套設(shè)備于2001 年1 月在小青礦W1E－ 703 進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn)并取得成功，又分別于2002、2006、2007 年分別引進(jìn)了第2 套、第3 套、第4 套自動(dòng)化刨煤機(jī)。 截至2019 年末，小青礦累計(jì)已完成20 余個(gè)刨煤工作面的回采，累計(jì)生產(chǎn)原煤1 000 多萬(wàn)t，并同時(shí)在鐵煤集團(tuán)的曉南礦、大興礦等得到成功應(yīng)用，標(biāo)志著全自動(dòng)刨煤機(jī)在鐵煤集團(tuán)的應(yīng)用逐漸走向成熟。 但進(jìn)口刨煤機(jī)適宜采高為1.3 ～1.8 m。 隨著1.3 m 及以上煤層逐漸枯竭，大量1 m 以下薄煤層刨煤機(jī)自動(dòng)化開(kāi)采成為鐵煤集團(tuán)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。 針對(duì)1 m 以下薄煤層開(kāi)采困難這一難題，以大興礦N1E902 工作面為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)各專(zhuān)業(yè)協(xié)同攻關(guān)，形成了一套包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、適刨性評(píng)價(jià)、工作面關(guān)鍵設(shè)備改進(jìn)、工藝優(yōu)化等1.0 m 以下薄煤層刨煤機(jī)智能化開(kāi)采成套技術(shù)。

2 1.0 m 以下薄煤層工作面設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

2.1 緊湊型液壓支架研制

薄煤層開(kāi)采制約的瓶頸在于作業(yè)空間狹小，只有盡可能縮小刨煤設(shè)備體積，優(yōu)化配套尺寸，增大作業(yè)空間，才能滿足行人、操作、檢修需要［14－15］。 新研制了適應(yīng)1 m 以下薄煤層的ZY4800／06／16.5 緊湊型綜采液壓支架，最大有效支撐高度1.65 m，最小高度0.6 m，伸縮比較大，能夠適應(yīng)薄煤層厚度的變化；其平衡千斤頂雙向鎖由掩護(hù)梁改至頂梁立柱柱窩后側(cè)，既便于檢修，又提高安全系數(shù)；支架立柱進(jìn)回液由2 進(jìn)2 回設(shè)計(jì)為1 進(jìn)1 回，減少管路和電磁閥接頭；推移缸連接管由2 500 mm 縮至1 400 mm，噴霧主管由1 500 mm 縮至650 mm，方便檢修作業(yè)，運(yùn)輸機(jī)電纜槽上方高度增加40 mm，有效避免了支架頂梁擠壓刮板輸送機(jī)情形發(fā)生，如圖2 所示。

圖2 ZY4800／06／16.5 緊湊型綜采液壓支架Fig.2 The ZY4800／06／16.5 compact fully－mechanized mining hydraulic support

2.2 輕薄型刮板輸送機(jī)電纜槽優(yōu)化

鐵煤集團(tuán)厚1.3 m 以上煤層開(kāi)采電纜槽一般高度170 mm，電纜槽內(nèi)鋪設(shè)多種型號(hào)動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜及冷水管等。 優(yōu)化改進(jìn)了刮板輸送機(jī)中部槽配套附件，將擴(kuò)音電話及急停開(kāi)關(guān)由側(cè)方改到電纜槽下方，?20 的擴(kuò)音電話電源線及?25 的環(huán)形供液進(jìn)回液膠管2 根管線不再?gòu)碾娎|槽里面穿過(guò)，有效利用了電纜槽下方空間；此外，電纜槽內(nèi)只鋪設(shè)信號(hào)電纜，冷卻水管吊掛在外。 新研制電纜槽高70 mm，其他電纜不通過(guò)工作面，大幅減少了設(shè)備占用空間，如圖3 所示。

圖3 輕薄型刮板輸送機(jī)電纜槽優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimization design of cable trough of light and thin scraper conveyor

2.3 端頭支架研制

由于端頭作業(yè)空間狹小，新研制了分別適應(yīng)上下平巷的ZT6200／18／32D 和ZT5200／18／32 窄矮型端頭支架，寬度僅為1.24 m，3 架總寬度3.96 m，運(yùn)輸巷寬5 m 即可滿足需要，縮小了巷道斷面，增強(qiáng)了端頭設(shè)備對(duì)狹小作業(yè)空間的適應(yīng)能力。 前后端頭支架動(dòng)作設(shè)計(jì)為智能化程序控制，階梯式推移改為一字水平梁，確保端頭架切頂線一致，既減小了控頂面積，又改善了端頭支護(hù)質(zhì)量。 經(jīng)測(cè)算，在縮小端頭設(shè)備體積的基礎(chǔ)上，運(yùn)輸巷斷面由原16.8 m2降至13.5 m2。

2.4 可旋轉(zhuǎn)式運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭

傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)底座采用螺栓連接，造成機(jī)頭與底座間不能擺動(dòng)，存在采煤作業(yè)時(shí)螺栓易折斷，設(shè)備連接搭接高度超限等問(wèn)題［16－18］。 研發(fā)了刮板輸送機(jī)機(jī)頭可旋轉(zhuǎn)式機(jī)頭搭接技術(shù)，對(duì)機(jī)頭與底座的連接方式改成鉸接并可相對(duì)擺動(dòng)45°角，提高了設(shè)備的可靠性和適應(yīng)性，刮板輸送機(jī)頭與底座之間采用銷(xiāo)軸鉸接方式，將刮板輸送機(jī)頭的卸貨高度降低了100 mm，同時(shí)將機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)尾之間搭接距離縮小為510 mm，減小了刨煤設(shè)備體積，優(yōu)化了設(shè)備配套尺寸，運(yùn)輸巷僅為2.6 m 高度即可滿足要求。 運(yùn)輸機(jī)頭在平面上旋轉(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°傾角煤層和150 m 以上旋轉(zhuǎn)開(kāi)采的需要。

圖4 可旋轉(zhuǎn)鉸接式刮板輸送機(jī)底座結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of rotatable articulated conveyor base

2.5 分源供電同步控制系統(tǒng)研制

傳統(tǒng)供電方式下，工作面電纜無(wú)法取消，2 臺(tái)高低速電機(jī)若干動(dòng)力電纜需從運(yùn)輸巷經(jīng)電纜槽向機(jī)尾供電。 為了節(jié)約電纜槽空間，研發(fā)了刨煤機(jī)與刮板輸送機(jī)頭尾分源供電同步控制技術(shù)，采用分源供電方式，即同一設(shè)備電機(jī)采用不同電源、異地布置，但由于同一設(shè)備電機(jī)須達(dá)到同步方能正常運(yùn)行，還須采用集中控制方式。 在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷2 組變電列車(chē)控制開(kāi)關(guān)之間經(jīng)工作面敷設(shè)控制電纜，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力設(shè)備頭尾電機(jī)的同步啟停和同步保護(hù)，然后在運(yùn)輸巷變電列車(chē)安裝集中控制設(shè)備，將控制系統(tǒng)引至集控臺(tái)，用PROMOS 系統(tǒng)總線連接運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷2 臺(tái)刨煤機(jī)控制開(kāi)關(guān)和集控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了由中央控制系統(tǒng)直接完成刨煤機(jī)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)同步啟停和同步保護(hù)。

分源供電同步控制系統(tǒng)使得工作面設(shè)備、電纜檢查維護(hù)變得十分方便，避免推移刮板輸送機(jī)、拉架對(duì)電纜造成傷害和系列電氣故障，保障了生產(chǎn)；降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了狹小作業(yè)環(huán)境對(duì)工人造成人身傷害；刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)機(jī)尾電機(jī)供電質(zhì)量得到明顯改善。 作業(yè)空間狹窄難題得以解決，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)條件得以改觀。 分源供電、同步控制、集中控制成套技術(shù)使1 m 以下薄煤層自動(dòng)化工作面回采成為現(xiàn)實(shí)。

圖5 工作面無(wú)人值守集中控制技術(shù)Fig.5 The unattended centralized control technology in working face

3 極薄煤層回采作業(yè)空間優(yōu)化

在支架內(nèi)部操作空間方面，由于PMC－R 電液閥組布置在頂梁下方，尺寸271.5 mm×340 mm×140 mm，占用架前較大有效空間，將電液控制器前移，由常規(guī)螺栓固定方式設(shè)計(jì)為滑道銷(xiāo)軸固定，并新研制抽屜式布置控制閥組，將其位置向支架內(nèi)部移動(dòng)200 mm，當(dāng)檢修電液控制器時(shí)，可把電液控制器由原位置向架前拉出500 mm，由此大幅增加了行人和檢修空間，如圖6 所示。 在架前作業(yè)空間方面，新研制了檔位可調(diào)節(jié)式推移框架，共有4 個(gè)檔位，檔位間距100 mm，實(shí)現(xiàn)了架前空間可自由調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)整支架急停按鈕位置，向架前方向移動(dòng)移250 m，簡(jiǎn)化了側(cè)護(hù)千斤頂閥及抬柱高壓管路，進(jìn)一步改造多通塊，由常規(guī)直立布置改成水平布置，增大了行人作業(yè)空間；此外，拆除多空塊上彎頭，將控制器至單向閥連接管由500 mm 至1 000 mm，調(diào)整固定銷(xiāo)位置，拉大相對(duì)刮板輸送機(jī)距離，實(shí)現(xiàn)架前空間增大100 mm。

圖6 抽屜式控制閥組布置現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Field layout of drawer type control valve group

上述新研制的核心設(shè)備充分有效利用了作業(yè)空間，實(shí)現(xiàn)了支架內(nèi)和架前空間的最大化，包括可伸縮式布置控制閥組、可調(diào)節(jié)式布置推移空間、閥鎖外露式布置、集成塊式聯(lián)結(jié)管路裝置等特點(diǎn)，達(dá)到了減少支架設(shè)備設(shè)施占用空間和降低工作面液壓支架支護(hù)高度的目的。 經(jīng)過(guò)系列改造后，支架在采高0.8 m時(shí)完全滿足對(duì)行人和設(shè)備要求，采高0.9 m 時(shí)有效作業(yè)面積0.70 m2（1.2 m×0.9 m×0.77 m），接近原1.2 m 采高作業(yè)面積，支架、刮板輸送機(jī)間距達(dá)200 mm，對(duì)煤層起伏及煤厚變化的適應(yīng)性增強(qiáng)。

4 自動(dòng)化刨煤工藝

4.1 刨深刨速自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)

薄煤層由于受到頂?shù)装宓摹皧A持”作用，不利于煤層的刨落，經(jīng)過(guò)對(duì)已開(kāi)采數(shù)10 個(gè)工作面刨刀消耗量進(jìn)行分析［19］。 根據(jù)刨刀消耗量與刨深呈的指數(shù)曲線關(guān)系，實(shí)現(xiàn)雙向穿梭式割煤，上行最大刨深為195 mm，最大速度1.92 m／s；下行最大刨深70 mm，最大速度0.96 m／s，實(shí)現(xiàn)刨深、刨速根據(jù)煤層厚度自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整，刨煤厚度、刨深分別與刨刀消耗量關(guān)系如圖7 所示。

圖7 刨煤厚度、刨深分別與刨刀消耗量關(guān)系Fig.7 Relationship between thickness and depth of planer and consumption of planer

4.2 “單向雙切”開(kāi)采工藝

自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)工作面條件確定回采參數(shù)，對(duì)設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；PROMOS 系統(tǒng)對(duì)破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、刨煤機(jī)工作面通訊、噴霧、冷卻進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)；PMC－R 電液系統(tǒng)對(duì)液壓支架各種動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)控制；然后通過(guò)首創(chuàng)的“單向雙切”開(kāi)采工藝，根據(jù)刨深、刨速的自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)落煤和裝煤，刨煤機(jī)“單向雙切”開(kāi)采工藝如圖8 所示，縮短了作業(yè)循環(huán)時(shí)間，簡(jiǎn)化了控制過(guò)程，提高了工作效率。

圖8 刨煤機(jī)“單向雙切”開(kāi)采工藝Fig.8 “One way double cutting” mining technology of coal plough

礦井同一煤層工作面由于位置、支護(hù)強(qiáng)度等不同，礦壓顯現(xiàn)程度存在顯著差異，煤壁裂隙越發(fā)育，煤層適刨性越高［20－21］。 實(shí)踐中，在保證支護(hù)安全前提下，適當(dāng)降低了支架工作阻力，增強(qiáng)了礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，利用礦山壓力壓裂煤壁，增強(qiáng)了煤壁適刨性。 將“單向雙切”開(kāi)采工藝與礦壓顯現(xiàn)程度相結(jié)合，使得刨刀消耗量大幅降低，工作面產(chǎn)量卻大幅提高。

5 工程應(yīng)用

經(jīng)過(guò)對(duì)上述薄煤層無(wú)人智能化刨煤開(kāi)采關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，在鐵煤集團(tuán)大興礦N1E902刨煤工作面進(jìn)行了應(yīng)用，N1E902 工作面煤層厚度0.84～1.20 m，平均厚度0.90 m，煤層傾角7°。 工作面走向342 m，傾向200 m。

圖9 大興礦N1E902 工作面現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Site drawing of N1E902 working face of Daxing Mine

直接頂為泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖，厚度1.38 m，易冒落；基本頂為粗砂巖，厚度5.0 m，賦存較穩(wěn)定工作面煤層瓦斯絕對(duì)涌出量27.7 m3／min。 工作面采用ZY4800／06／16.5 緊湊型綜采液壓支架，回采作業(yè)采用“三八制”，即：由3 個(gè)生產(chǎn)班和1 個(gè)檢修班組成，正規(guī)循環(huán)作業(yè)。

N1E902 工作面開(kāi)始正常回采至結(jié)束，日進(jìn)尺最高10 m，產(chǎn)量3 000 t，平均日進(jìn)尺8 m，平均單產(chǎn)2 500 t／d，月產(chǎn)7.5 萬(wàn)t，刨刀消耗量10 個(gè)／萬(wàn)t，工作面設(shè)備使用狀況良好，實(shí)現(xiàn)了工作面智能化刨煤和高產(chǎn)、高效的目的。

6 結(jié) 論

1）研究提出了大功率刨煤機(jī)與窄矮型液壓支架配套的開(kāi)采技術(shù)方案，建立了包含煤層適刨性評(píng)價(jià)，刨煤工藝、關(guān)鍵設(shè)備研制和智能化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及安全保障措施等內(nèi)容的1.0 m 以下薄煤層智能化綜采技術(shù)模式。

2）研制了適應(yīng)1.0 m 以下刨煤機(jī)工作面的系列關(guān)鍵裝備，即液壓支架采用了大伸縮比立柱、可調(diào)節(jié)式推移空間、可伸縮式控制閥組、外露式閥鎖和管路集成塊式聯(lián)結(jié)等新技術(shù)，刮板輸送機(jī)采用嵌入式懸掛布置的輕便式電纜槽和可旋轉(zhuǎn)式機(jī)頭搭接裝置，在提升系統(tǒng)功能的同時(shí)，大幅優(yōu)化了作業(yè)空間。

3）研發(fā)了綜采工作面刨運(yùn)機(jī)組首尾分源供電、同步集成控制技術(shù)，降低了采煤工作面供電電纜槽高度，為實(shí)現(xiàn)極薄煤層開(kāi)采提供了可能。