薄煤層開采成套設(shè)備探索

李飛

（神東煤炭集團(tuán)設(shè)備管理中心，陜西 神木 719315）

中國(guó)煤炭資源回采率一直十分低下，目前中國(guó)煤礦平均資源回收率為40%，是世界先進(jìn)水平的一半。美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家，資源回收率能達(dá)到80%左右，他們每挖1噸煤只消耗1.2噸-1.3噸資源。中國(guó)在1980年-2010年的30年間，煤炭資源就浪費(fèi)了近300億噸。企業(yè)為了追求利益，采厚棄薄，采易棄難，以大量消耗資源、縮短礦山服務(wù)年限為代價(jià)，使資源受到嚴(yán)重?fù)p失。按照2005年原煤產(chǎn)量21.9億噸和30%的煤炭平均回采率計(jì)算，回采率提高1倍，全國(guó)每年將節(jié)約煤炭資源35億噸左右。如果到2025年以前煤炭回采率大體保持50%的平均水平，則15年間將至少節(jié)約500億噸煤炭資源。神華神東煤炭集團(tuán)作為國(guó)內(nèi)最大的煤炭企業(yè)，目前煤炭回采率平均76%，為進(jìn)一步提高煤炭的回采率，目前正在論證自動(dòng)化薄煤層開采。

1 國(guó)內(nèi)外薄煤層開采現(xiàn)狀

我國(guó)薄煤層煤炭?jī)?chǔ)量約620億噸，占總體儲(chǔ)量的17.5%，但是由于薄煤層開采難度大，因此，年開采僅占全國(guó)總產(chǎn)量的10.4%。隨著薄煤層綜采設(shè)備制造技術(shù)的提升，以及國(guó)家對(duì)資源回采率的提高，薄煤層開采日益受到重視。國(guó)外長(zhǎng)臂式薄煤層高效開采主要有兩種途徑，一是采用滾筒式采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架配套的綜采方式；二是采用刨煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架的綜采方式。國(guó)內(nèi)薄煤層大多采用滾筒式采煤機(jī)裝備開采。

滾筒式采煤機(jī)開采方式與傳統(tǒng)綜采開采方式基本相同，但工作面更低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度更大，已經(jīng)向自動(dòng)化開采方向發(fā)展。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)采用刨煤機(jī)開采方式比較成功的是鐵法礦區(qū)。

以位于遼寧鐵嶺市的鐵法集團(tuán)下屬小青礦為例，目前該礦正在開采的一個(gè)薄煤層工作，使用北煤機(jī)ZY5200/08/18D，推移行程600mm，支護(hù)強(qiáng)度 0.46-0.79MP a，支架中心距1.5m；刨煤機(jī)功率2*400KW。巷道斷面：運(yùn)、回順都為5.6*2.8m，回順寬度可減小至5m，轉(zhuǎn)載機(jī)搭接高度2.4m?；夭蛇^程中上行截深120mm，下行截深70mm。工作面日產(chǎn)4-5千噸，月產(chǎn)12萬噸，年產(chǎn)150萬噸。煤質(zhì)較軟，煤層有裂隙發(fā)育。

位于陜西省榆林市府谷縣的南梁礦業(yè)有限公司下屬南梁煤礦，目前正在開采一個(gè)薄煤層工作面，配套使用刨煤機(jī)開采，支架工作阻力7000KN，支撐高度900～1800mm，支護(hù)強(qiáng)度0.76～1.05MPa，支架中心距1.5m。運(yùn)順巷道斷面：寬度5.4m，高度2.2m；回順斷面，寬度4.5m，高度2.2m。截深10-30mm。8小時(shí)生產(chǎn)，日產(chǎn)量約1500噸。南梁煤礦與神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦同屬陜北侏羅紀(jì)煤田神府地方開采區(qū)中部，煤層條件與神東煤炭集團(tuán)榆家梁礦4-3煤相似。該地區(qū)煤質(zhì)較硬，煤層不發(fā)育，刨煤機(jī)截深和產(chǎn)量較鐵法礦區(qū)有較大差距。

由于薄煤層工作面高度限制，工作面勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；國(guó)內(nèi)外對(duì)薄煤層自動(dòng)化工作一直抱有很大的熱情。目前刨煤機(jī)開采已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工作面無人自動(dòng)化生產(chǎn)，并可根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)順槽或地面集中控制。在德國(guó)采用地面集中控制，在中國(guó)和美國(guó)采用順槽集中控制?？刂葡到y(tǒng)由四個(gè)分系統(tǒng)組成，分別為支架控制系統(tǒng)，刨煤機(jī)控制系統(tǒng)，三機(jī)控制系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)，四個(gè)分系統(tǒng)與主控器MCU相連，由主控器進(jìn)行集中操作控制。主控器可顯示設(shè)備運(yùn)行狀況，如刨煤機(jī)位置、支架推溜狀態(tài)、設(shè)備故障等信息，同時(shí)可對(duì)刨深、刨煤區(qū)段、支架成組動(dòng)作等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。刨煤機(jī)的刨深由支架電液控制系統(tǒng)自動(dòng)推移實(shí)現(xiàn)，當(dāng)煤質(zhì)變硬或遇有夾矸時(shí)，刨煤機(jī)牽引電機(jī)電流加大，將反饋提示信息，操作人員通過主控器進(jìn)行刨深等參數(shù)調(diào)整。生產(chǎn)過程中，工作面內(nèi)不需人員操作設(shè)備，只需隔段時(shí)間進(jìn)行巡視。

2 神東煤炭集團(tuán)薄煤層開采探索

神東煤炭集團(tuán)目前煤層厚度在0.8～1.7m地質(zhì)儲(chǔ)量為29.4億噸。分別為：0.8～1.0m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量3.1億噸，1.0～1.3m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量6.1億噸，1.3～1.5m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量8.2億噸，1.5～1.7m煤層地質(zhì)儲(chǔ)量12億噸。其中1.3-1.7m煤層儲(chǔ)量為20.2億噸，占到68.7%。

以神東公司榆家梁煤礦4-3煤為代表的薄煤層具有以下地質(zhì)特點(diǎn)。自然地理位于陜北黃土高原北緣，地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔高度一般在1100-1300m，相對(duì)高差近100余m。井田地表廣覆第四系松散沉積物，現(xiàn)代侵蝕作用劇烈，溝谷下切嚴(yán)重，沿黃羊城溝等溝谷有含煤地層出露。據(jù)地質(zhì)填圖和鉆孔揭露，礦井內(nèi)地層由老到新有：中生界三疊系上統(tǒng)永坪組、侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中下統(tǒng)延安組、新生界第三系上新統(tǒng)、第四系中上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。

為提高資源回收率，神東公司從2004年開始致力于煤炭開采工藝的研究。就目前1.7m以下薄煤層開采在滾筒式開采和刨煤機(jī)開采兩種方式已經(jīng)研究了多年，并進(jìn)行了多種方案研究和部分實(shí)踐工作。

2.1 滾筒式采煤機(jī)開采裝備研究

2.1.1 單面布置

工作面長(zhǎng)度300m，采高范圍1.3-1.8m，兩順槽5.4*2.2m。

（1）采煤機(jī)參數(shù)選型：生產(chǎn)能力為680t/h；采高適應(yīng)（1.2-2.05）m；滾筒直徑為（1050～1400）mm。

（2）液壓支架參數(shù)選型：采用兩柱掩護(hù)式支護(hù)，支架高度適應(yīng)（1050～2000）mm；支護(hù)強(qiáng)度為（0.85～1.09）MPa。

（3）刮板輸送機(jī)參數(shù)：設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為400m，輸送量為1000t/h。

2.1.2 對(duì)拉工作面

對(duì)拉工作面參數(shù)為（260+260m，300+300m），采高范圍1.3-1.8m，一條運(yùn)輸順槽5.4*2.5m，兩條回風(fēng)順槽5.4*2.2m。其中采煤機(jī)和液壓支架參數(shù)選型同單面布置情況，刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為320m，輸送量為800t/h。

2.2 刨煤機(jī)開采方式研究

（1）刨煤機(jī)選型技術(shù)參數(shù)選型：1321t/h(1.7m/2.7kN/70mm)，適應(yīng)采高為（1.1～1.8）m，刨深為70mm。

（2）三機(jī)選型技術(shù)參數(shù)：①刮板運(yùn)輸機(jī)：最大運(yùn)輸能力為1400t/h(0°)；②轉(zhuǎn)載機(jī)：最大運(yùn)輸能力為2900t/h(0°)；③破碎機(jī)：最大破碎能力為3500t/h。

（3）液壓支架選型確定研究：

支架高度選型為0.7-1.6米時(shí)，在1.1-1.4米采高范圍內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度為0.64-0.68MPa，較小；支架的最低高度選型不小于0.95米時(shí)，在1.1-1.4米采高范圍內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度基本可達(dá)到0.9MPa以上。結(jié)合專業(yè)院校和研究單位的礦壓分析報(bào)告要求支護(hù)強(qiáng)度大于0.8MPa的情況，建議液壓支架選型技術(shù)參數(shù)為：最小高度950mm，最大高度1900mm，中心距1750mm，立柱缸徑320mm，初撐力5148kN，工作阻力7238kN，安全閥開啟壓力45Mpa，支護(hù)強(qiáng)度（1.2-1.7m）時(shí)0.87-0.94Mpa。

受運(yùn)輸機(jī)槽幫高度、俯仰調(diào)整油缸和電纜槽高度限制，刨煤機(jī)按2*800KW、運(yùn)輸機(jī)按2*630KW選型時(shí)，支架高度小于1.0米時(shí)，支架頂梁與運(yùn)輸機(jī)電纜槽干涉；架前行人空間不足700*400mm（寬*高），行人困難；同時(shí)在0.8米高度以下時(shí)，頂梁與刨煤機(jī)也存在干涉。鑒于設(shè)計(jì)空間的受限，結(jié)合生產(chǎn)接續(xù)情況，首套支架可選型為7238 kN/950-1900mm或8413kN/1050-2000mm，支護(hù)強(qiáng)度可達(dá)到0.85MPa以上。為較好的適應(yīng)更薄煤層的開采，建議支架可選型為7238 kN/950-1900mm，基本可滿足1.2-1.7米采高的回采需求，可采范圍較大，更有利于試驗(yàn)刨煤機(jī)的適用性能。

（4）運(yùn)輸機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)確定研究：最初驅(qū)動(dòng)部配套使用CST軟啟動(dòng)，在機(jī)頭部距巷道有700mm的安全間隙情況下，運(yùn)順最小巷道寬度需為5.8米。驅(qū)動(dòng)部更換為變頻控制后，驅(qū)動(dòng)部總長(zhǎng)較配套CST型式加長(zhǎng)約176mm（290-114），運(yùn)順最小巷道寬度需增大到6.0米。前期方案研究和論證時(shí)，考慮巷道支護(hù)和維護(hù)問題，最終確定為CST驅(qū)動(dòng)型式，運(yùn)順巷道寬度確定為5.8米。后經(jīng)過神東在6.3米和7米工作面6.0米以上寬度的大斷面巷道使用，6.0米巷道可進(jìn)行安全支護(hù)使用。據(jù)此，確定運(yùn)輸機(jī)配套使用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

3 神東煤炭集團(tuán)薄煤層開采方式選擇討論

3.1 刨煤機(jī)分布及使用情況

根據(jù)DBT提供信息統(tǒng)計(jì)，2002年至今共銷售38套刨煤機(jī)設(shè)備，其中中國(guó)10套，國(guó)外28套。

（1）國(guó)外主要分布為：德國(guó)10套，俄羅斯5套，捷克4套，美國(guó)、波蘭、烏克蘭、哈薩克斯坦各2套，墨西哥1套。其中2*800KW 7套，全部在德國(guó)，其中電機(jī)為保越1000KW變頻電機(jī)，但設(shè)計(jì)允許使用功率為800KW；2*600KW 2套，在美國(guó)；2*400KW 23套，分布在中國(guó)、德國(guó)和捷克等地，2*315KW和2*250KW共計(jì)6套。

（2）國(guó)內(nèi)分布情況：共引進(jìn)刨煤機(jī)10套，其中鐵法4套，大同晉華宮1套，晉城鳳凰山1套，西山馬蘭1套，沈陽(yáng)紅陽(yáng)三礦1套，山西離柳焦煤集團(tuán)1套、寧夏寶豐1套。其中鐵法第1套和西山馬蘭1套為2×315kW，其余都為 2×400kW。

（3）部分礦井使用情況如下：①鐵法：第一套在大明礦使用；第三套在小南礦安裝，第二套和第四套在地面檢修。第一套引進(jìn)時(shí)間為2000年，第二套為2003年，近8-10年一直在用。工作面頂板壓力較大，煤質(zhì)較軟（f系數(shù)小于2），煤層裂隙發(fā)育，工作面大面積片幫，刨煤機(jī)使用情況較好。②大同晉華宮：04年到貨，06年停用，因設(shè)備對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性差，出現(xiàn)地質(zhì)條件變化，主要是構(gòu)造、斷層、煤的硬度變大，導(dǎo)致刨煤機(jī)刨不動(dòng)，機(jī)電故障過多，出現(xiàn)斷鏈等故障。同時(shí)，遇到構(gòu)造和斷層時(shí)，需要放炮，產(chǎn)量減小，共生產(chǎn)3個(gè)面，產(chǎn)出120萬噸煤，最高月產(chǎn)達(dá)到10萬噸（條件好時(shí)）。使用中主要問題是備件儲(chǔ)備不足，影響生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，共投入1.7-1.8億元材料、配件費(fèi)用，使用成本也比較高。③晉城鳳凰山：05年到貨，09年停用。主要是設(shè)備對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性差，出現(xiàn)構(gòu)造、斷層等地質(zhì)條件變化，煤的硬度變大，導(dǎo)致刨煤機(jī)刨不動(dòng)，機(jī)電故障過多，出現(xiàn)斷鏈等故障較多。

3.2 1.7米以下滾筒式薄煤層采煤裝備情況

（1）國(guó)內(nèi)：薄煤層綜采工作面較多，相應(yīng)配套設(shè)備類型也較多，大都為國(guó)產(chǎn)設(shè)備，采用滾筒式采煤機(jī)。國(guó)產(chǎn)成套薄煤層設(shè)備采購(gòu)總費(fèi)用約為1.15億元。

（2）國(guó)外：目前JOY和EKF均沒有適合此類采高的成熟產(chǎn)品。JOY公司已完成薄煤層采煤機(jī)、支架、三機(jī)成套設(shè)備設(shè)計(jì)；EKF采煤機(jī)完成了方案設(shè)計(jì)，正在研制。進(jìn)口成套薄煤層開采設(shè)備采購(gòu)總費(fèi)用約為4.5億元。

3.3 神東薄煤層裝備選型探討

根據(jù)神東目前國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口設(shè)備總體使用情況，結(jié)合薄煤層設(shè)備調(diào)研和考察交流情況，為保證設(shè)備配套使用的可靠性，同時(shí)考慮采購(gòu)成本和投資風(fēng)險(xiǎn)，提出設(shè)備配套選型建議：

（1）成套采購(gòu)國(guó)產(chǎn)滾筒式采煤設(shè)備。

（2）液壓支架總體國(guó)產(chǎn)采購(gòu)，其中立柱、推移油缸和電液控制系統(tǒng)進(jìn)口采購(gòu)，同時(shí)采購(gòu)實(shí)現(xiàn)順槽集中控制的自動(dòng)化設(shè)備，以提高自動(dòng)化技術(shù)水平和穩(wěn)定性。

（3）三機(jī)總體國(guó)產(chǎn)采購(gòu)，驅(qū)動(dòng)部、鏈輪和鏈條進(jìn)口采購(gòu)。

（4）采煤機(jī)國(guó)產(chǎn)采購(gòu)。

（5）進(jìn)一步關(guān)注國(guó)內(nèi)外刨煤機(jī)設(shè)備使用情況，根據(jù)煤層變化和設(shè)備技術(shù)發(fā)展情況確定是否采高刨煤機(jī)裝備。

4 薄煤層開采裝備的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)薄煤層資源豐富，分布面廣，煤質(zhì)好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)薄煤層的儲(chǔ)量占全部可采儲(chǔ)量的20%，在近80個(gè)礦區(qū)中的400多個(gè)礦井中就有750多層為薄煤層。其中厚度在0.8-1.3m的共占86%，小于0.8m的共占14%。一些地區(qū)薄煤層儲(chǔ)量比重很大，貴州省占37%，山東省占52%，四川省占60%。盡管有較好的儲(chǔ)存條件，但受勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度低、安全系數(shù)低、工作效率低的影響，每年從薄煤層中采出的煤量?jī)H占全國(guó)總儲(chǔ)量的10.4%，而且有繼續(xù)下降的趨勢(shì)，薄煤層產(chǎn)量與儲(chǔ)量的比例嚴(yán)重失調(diào)，造成國(guó)家資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

薄煤層開采具有頂板壓力小、高度小、工人工作環(huán)境差的特點(diǎn)，因此薄煤層采煤設(shè)備應(yīng)向可靠性高、自動(dòng)化和信息化程度高的方向發(fā)展，以提高采煤效率，減少工作面作業(yè)人員，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)薄煤層自動(dòng)化開采。薄煤層滾筒式采煤和刨煤機(jī)落煤是實(shí)現(xiàn)薄煤層自動(dòng)化開采的發(fā)展方向。

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