大采高采煤機(jī)開采工藝及工藝性能對(duì)比研究

常振華

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建分公司， 山西 太原 030053）

引言

煤炭資源約占世界一次能源消費(fèi)量的25%，我國煤炭資源非常豐富，煤炭查明資源儲(chǔ)量僅次于美國和俄羅斯，而在產(chǎn)煤和煤炭消費(fèi)方面更是位居世界首位。煤炭工業(yè)也是中國能源系統(tǒng)中的壓艙石，為國家發(fā)展進(jìn)步提供能源安全保障。近年來，提高煤炭資源的采出率和開采效率已經(jīng)成為了評(píng)價(jià)中國煤炭工業(yè)進(jìn)步程度的二項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。我國煤炭資源分布情況復(fù)雜多樣，有相當(dāng)一部分煤層厚度很厚，若使用分層開采，雖能提高采出率，但其開采速度慢、效率低；若使用放頂煤開采，雖可加快開采速度，但采出率低，會(huì)造成較大的煤炭資源浪費(fèi)。使用大采高一次采全高開采方法既能夠降低煤炭資源浪費(fèi)，也能夠極大提高煤炭資源的開采速度。影響采煤作業(yè)效率、采煤作業(yè)安全的二種重要因素分別是采煤工藝與配套采煤機(jī)設(shè)施，所以有必要對(duì)大采高采煤機(jī)的開采工藝及工作性能進(jìn)行對(duì)比與研究。

1 大采高綜采工藝

大采高技術(shù)是指一次性開采煤層厚度在3.5 m以上，7 m 以下的較厚煤層，是一種長臂采煤技術(shù)。不同的煤礦都有各自不同的開采需求。一般情況下，各礦區(qū)會(huì)按照自己的需求以及各自煤層的實(shí)際情況，從單向割煤、雙向割煤以及半截深割煤等幾種大采高綜合采煤工藝中進(jìn)行選擇。在選用開采工藝時(shí)，首先要結(jié)合煤層自身的實(shí)際情況以及自己煤礦的開采需求，其次是要在多種采煤工藝中選擇在同樣條件下具備更多優(yōu)勢的一種。本文以常見的單向割煤、雙向割煤、半截深割煤三種開采工藝為例，對(duì)比研究其工藝性能。

1.1 單向割煤工藝適用條件

單向割煤工藝是指采煤機(jī)在開采過程中使用全截深推進(jìn)割煤，通過液壓支架進(jìn)行支撐，由前滾筒和后滾筒共同作業(yè)，完成采煤[1]。其作業(yè)流程如圖1 所示。單向割煤工藝分為割煤推進(jìn)與返程采煤兩步進(jìn)行：首先是割煤推進(jìn)，速度約為8 m/min，前滾筒對(duì)頂煤進(jìn)行切割，后滾筒調(diào)高操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)1 m 厚度的煤層割煤；其次是返程采煤，采煤機(jī)返程中，速度控制約為20 m/min，前滾筒與后滾筒同時(shí)作業(yè)，切割剩余煤層。

圖1 單向割煤作業(yè)流程

單向割煤工藝，返程后可立刻拉架，頂板支護(hù)較好，便于頂板管理，可持續(xù)工作，也更為安全。割煤推進(jìn)與返程采煤時(shí)，采煤機(jī)工作負(fù)荷較小，因此采煤機(jī)發(fā)生損傷的概率很低。單向割煤中，對(duì)割煤工作人員需求量較小，因其易操作，全程僅需一個(gè)煤機(jī)司機(jī)即可完成采煤機(jī)操作作業(yè)。單向割煤雖優(yōu)點(diǎn)眾多，但也有不足，主要體現(xiàn)在：在采煤作業(yè)中機(jī)械設(shè)備加大對(duì)電纜、水管等影響，提高了這些設(shè)備的維護(hù)難度與維護(hù)成本；刮板機(jī)竄動(dòng)幅度大、難以控制，技術(shù)需求高；采煤機(jī)回割底刀速度大，沖擊鏈輪、銷排，電纜夾板彎折次數(shù)增加，維護(hù)電纜、水管成本高。通過上述分析，結(jié)合該采煤工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)煤層硬度大的礦區(qū)，采用該工藝對(duì)開采作業(yè)連續(xù)進(jìn)行有一定的保障。

1.2 雙向割煤工藝適用條件

雙向割煤工藝是指液壓支架在開采過程中充分推進(jìn)割煤深度，隨后采煤機(jī)的前滾筒和后滾筒一次性采煤用于設(shè)計(jì)煤層的高度，在一個(gè)工作行程中只進(jìn)行一次割煤。其作業(yè)流程如下頁圖2 所示。雙向割煤時(shí)，采煤機(jī)上行割煤速度約為7 m/min，下行10 m/min[2]。

圖2 雙向割煤作業(yè)流程

該采煤工藝的優(yōu)點(diǎn)是前滾筒與后滾筒可保持相同負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。采煤人員勞動(dòng)強(qiáng)度較低，同時(shí)工作面的頂板壓力也相對(duì)較小。采煤機(jī)司機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)器后，支架工人完成單沖程割煤，因此他們的勞動(dòng)強(qiáng)度較低。采煤機(jī)回采后，液壓支架隨之跟進(jìn)，這對(duì)于頂板起到了很好的支撐和保護(hù)作用。刮板輸送機(jī)高低運(yùn)作幅度小，便于工作人員進(jìn)行控制。根據(jù)資料顯示，神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)下的紅柳煤礦為提高產(chǎn)量，將原有的單向割煤更換為雙向割煤工藝,產(chǎn)量大幅度提高，最高日產(chǎn)量達(dá)到2.6 萬t，最高月產(chǎn)量達(dá)到42 萬t 均突破了該礦區(qū)有史以來的最高記錄[3]。相較于單向割煤工藝，雙向割煤工藝有著更嚴(yán)重的不足。機(jī)尾割煤時(shí)，一些機(jī)械設(shè)備，如運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)等易產(chǎn)生突發(fā)故障。同時(shí)，采煤機(jī)作業(yè)會(huì)因出現(xiàn)大塊煤而被迫中斷，無法保證連續(xù)進(jìn)行采煤作業(yè)，在面對(duì)大塊煤較多的煤層環(huán)境時(shí)，使用該采煤工藝是非常不利。在對(duì)礦區(qū)電流、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后得出結(jié)論：采煤機(jī)牽引部壓力升高、刮板輸送機(jī)壓死出現(xiàn)的原因是采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的控制開關(guān)跳閘頻率較高，而造成頻繁跳閘的根本原因，是因?yàn)椴擅簷C(jī)與刮板輸送機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，控制采煤機(jī)作業(yè)速度，確保其在正常工作負(fù)荷中運(yùn)轉(zhuǎn)，可以從源頭解決上述問題的出現(xiàn)，從而確保礦區(qū)開采正常有序進(jìn)行。同時(shí)，還應(yīng)減少刮板輸送機(jī)的滑動(dòng)，具體方法是使用不同拉架順序、調(diào)架方向，并與刮板輸送機(jī)的推移順序相結(jié)合：通過由上而下拉架、推移刮板輸送機(jī)并將底座尾部上調(diào)，可防止刮板輸送機(jī)上滑；通過完全相反的操作，由下而上拉架、推移刮板輸送機(jī)并將底座尾部下調(diào)，可防止刮板輸送機(jī)下滑。另外，支架也應(yīng)及時(shí)支護(hù)：在采煤機(jī)的前滾筒2～4 架提前收護(hù)幫板，完成割煤作業(yè)之后，在采煤機(jī)1～2 架打護(hù)幫板，遇到頂板碎裂、煤壁片幫較大的情況時(shí)，使用帶壓擦頂?shù)姆绞?，超前移架，從而避免因采?dòng)影響、煤壁片幫而造成大塊煤的出現(xiàn)。根據(jù)資料顯示，煤壁片幫量取決于工作面采高，煤壁片幫少的情況多出現(xiàn)在采高≤4.5 m 時(shí)，而當(dāng)采高超過4.8 m，煤壁片幫增加[4]。在上端部和下端部需兩次斜切進(jìn)刀，這就導(dǎo)致上口與下口要兩次回收，因此，應(yīng)預(yù)先做好上口與下口的回收準(zhǔn)備工作，從而節(jié)省工作時(shí)間，確保生產(chǎn)作業(yè)持續(xù)進(jìn)行。還應(yīng)注意禁止提前回柱，確保支架支護(hù)的質(zhì)量。與單向割煤技術(shù)相比，雙向割煤技術(shù)速度更快，減輕頂板壓力，與此同時(shí)，頂板的空頂時(shí)間也更短，這就為整體工作的安全問題提供了更加優(yōu)良的條件，整個(gè)工程發(fā)生意外事故的概率也就隨之降低。因此，一般在煤質(zhì)硬度較低的條件下，使用雙向割煤工藝，一方面確保整體開采作業(yè)安全穩(wěn)定，另一方面又能夠預(yù)防工藝上的缺陷引起的差錯(cuò)，使得雙向割煤工藝能更好地發(fā)揮出它的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 半截深割煤工藝適用條件

割煤中，一次開采作業(yè)需兩次往返。采煤機(jī)不同部位割煤方式不同，兩端全截深割取，中間半截深割取。其作業(yè)流程如圖3 所示。

圖3 半截深割煤工藝作業(yè)流程

在煤機(jī)工作時(shí)，通常要保持10 m/min 的推進(jìn)速度。在這樣的速度下，煤流變化平穩(wěn)，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)連接有序，同時(shí)設(shè)備能夠進(jìn)行穩(wěn)定工作。煤機(jī)前后兩個(gè)滾筒承載重量相差不大，交替進(jìn)行位置互換，整體工作器械工作流暢，很少出現(xiàn)故障。在生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架三種機(jī)械承載負(fù)荷穩(wěn)定，變化不大，發(fā)生意外事故的可能性也很小。這三種機(jī)械在運(yùn)作途中保持少負(fù)荷低電流，在一定程度上能夠延長設(shè)備以及各個(gè)部件的使用壽命。刮板輸送機(jī)高低運(yùn)作幅度小，便于工作人員進(jìn)行控制。然而，這種割煤工藝也是具有兩面性的。同時(shí)存在著很大的缺陷。一方面，它有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢，在保證了采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)作的前提下，又使得整個(gè)開采工作進(jìn)程穩(wěn)定有序，同時(shí)工作設(shè)備也有極少的可能會(huì)出現(xiàn)故障。另一方面，這種割煤工藝也存在著很大的自身缺陷，在整個(gè)開采工作中，需要采煤機(jī)司機(jī)與液壓支架工兩種作業(yè)人員，工作人員必須完成兩個(gè)進(jìn)程的行走工作，工作強(qiáng)度非常大，這就需要工作人員具備良好的身體素質(zhì)。一般來說，在人員充足、煤層不穩(wěn)定、煤質(zhì)相對(duì)硬的情況下，可以優(yōu)先采用半截深割煤工藝。尤其是在對(duì)生產(chǎn)工作的連續(xù)性、均衡性有很高的要求，而且又要使得采礦設(shè)備不能受到較大損傷的條件下，采用半截深割煤工藝的效果非常穩(wěn)定。

2 采煤工藝適應(yīng)分析

綜合分析上述單向、雙向、半截深三種大采高采煤機(jī)開采割煤工藝，針對(duì)煤層較軟的大采高工作面，應(yīng)使用雙向割煤工藝，由于煤層硬度低，大塊煤較少，機(jī)械設(shè)備可保持正常負(fù)荷內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且避免了刮板機(jī)的上滑、下滑，開采作業(yè)人員工作強(qiáng)度較低。針對(duì)煤層硬的大采高工作面，如果有充足的采煤作業(yè)人員，使用單向割煤工藝或半截深割煤工藝，能充分減少大塊煤數(shù)量，從而降低機(jī)械設(shè)備故障發(fā)生概率，開采作業(yè)持續(xù)有效進(jìn)行，保障生產(chǎn)。

3 結(jié)語

在煤礦實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，綜合選擇不同的采煤工藝，根據(jù)不同的現(xiàn)場條件進(jìn)行選擇，才能最大限度發(fā)揮采掘設(shè)備的生產(chǎn)能力，對(duì)提高煤礦生產(chǎn)水平，安全生產(chǎn)具有重要意義。對(duì)提高采煤工效、煤炭資源回收率具有重大作用。合理采煤工藝的選擇，實(shí)現(xiàn)了礦井可持續(xù)發(fā)展，給企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了煤礦采煤技術(shù)的發(fā)展，也極大地促進(jìn)了安全高效礦井的建設(shè)。