我国薄煤层综合机械化开采技术现状及其新进展

毛德兵,蓝 航,徐 刚

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计分院,北京 100013）

我国薄煤层综合机械化开采技术现状及其新进展

毛德兵1,2,蓝 航1,2,徐 刚1,2

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采设计分院,北京 100013）

在调研薄煤层目前主要采煤方法的基础上,对薄煤层综合机械化开采存在的问题进行了分析。重点介绍了近水平薄煤层、急倾斜薄煤层机械化开采技术研究方面的新进展,并对薄煤层工作面实现无人开采进行了展望。

薄煤层;机械化开采;刨运机;自移气垛支架

我国薄煤层资源丰富,分布广泛,储量占全国煤炭储量的 20%以上。在已探明矿区中,84.2%的矿区均有薄煤层分布。由于薄煤层开采难度大、投入产出比低等原因,开采 1.3m以下薄煤层一直是我国煤炭开采行业的主要难题之一。近年来随着国家及煤炭企业对薄煤层开采的重视,我国薄煤层机械化开采技术与装备实现了快速发展,基本解决了近水平及倾斜 1.0m以上薄煤层的机械化开采问题,但对于 1.0m以下薄煤层以及急倾斜薄煤层机械化开采技术与装备的研究尚处于进行中,1.0m以上薄煤层的高效开采问题也没有得到完全解决。

1 薄煤层综采技术发展现状

由于薄煤层开采的特殊性,造成薄煤层机械化开采发展缓慢。目前国内外薄煤层机械化开采主要集中于近水平及缓倾斜煤层,较成熟的工艺主要有:长壁综合机械化开采、螺旋钻机开采和连续采煤机房柱式开采。

1.1 长壁综合机械化开采

长壁综合机械化开采薄煤层主要有 2种技术途径:一是采用滚筒采煤机、刮板输送机和液压支架配套的采煤机综采机组;二是采用刨煤机、刮板输送机和液压支架配套的刨煤机综采机组。英国和美国主要采用滚筒采煤机进行长壁式开采,用连续采煤机进行房柱式开采;德国、法国、俄罗斯和比利时等国广泛采用刨煤机。从使用情况看,两种技术均能取得较好效果,各有特点与适应性。刨煤机综采设备由于可完全实现自动化,工作安全、块煤率高,适于开采厚度较小且地质条件变化不大的煤层;滚筒采煤机综采设备对地质条件适应能力强,适应于硬煤以及煤层厚度变化较大的薄煤层开采。

目前,德国DBT公司研究开发的以液压支架PM4电液控制系统为基础的全自动化无人刨煤机综采工作面成套设备已经批量投入生产应用;英国Long-Airdox公司、美国 Joy公司也研究开发了具有自动化功能的滚筒采煤机综采工作面计算机控制系统;澳大利亚正在研制远程控制全自动无人长壁工作面开采技术。

由于我国煤矿开采条件复杂,煤层顶板条件差,适合刨煤机综采条件的煤层不多,因此,推广较少,主要应用于铁法矿区。与刨煤机综采机组相比,滚筒采煤机由于具有截割效率高、破煤岩能力强、适应性好等优点,适应于我国薄煤层赋存多样性的特点,因此,在我国发展较快,我国薄煤层采煤机最大装机功率已达 925kW （MG2×200/925-AWD型电牵引采煤机,适用于采高 1250～2800mm）,达到国际水平,但由于采煤机割煤尚不能实现远程自动控制,滚筒采煤机综采机组无法实现真正的全自动化控制。

1.2 螺旋钻机开采

螺旋钻机采煤是 20世纪 60年代发展起来的采煤方法。美国首先将其用于地下开采,原苏联、英国、德国、法国都对此项技术的应用做过很多研究,我国 20世纪 90年代开始引进和研制用于薄煤层和极薄煤层开采的螺旋钻机,并在山东枣庄、新汶得到了应用,但采用螺旋钻机采煤主要存在:要求巷道断面大,半煤岩巷道掘进困难;留设钻孔间煤柱,降低了采出率;接长和缩短钻杆所用的时间占工作总时间的比重较大,单产水平低。受上述因素影响,该种采法在国内没有得到有效的应用。

1.3 连续采煤机房柱式开采

连续采煤机房柱式开采的特点是采掘合一,边掘边采,利用煤柱作为临时或永久支护支撑顶板,煤柱在回采过程中可以部分或全部回收。主要设备有连续采煤机、转载机、带式输送机和锚杆机。国外在极薄煤层中已试验了可遥控的连续采煤机,较好地解决了极薄煤层人员控制采煤的问题。受我国连续采煤机研制较晚及薄煤层开采不受重视等因素的影响,我国薄煤层一般不采用该种采煤方法。

1.4 急倾斜薄煤层综采

急倾斜薄煤层综合机械化开采不但在国内是一个难题,在世界范围也没有十分成功有效的采煤方法。虽然国外也提出一些较好的急倾斜煤层机械化采煤方法,如俄罗斯提出的遥控钻机采煤法、长型气垛与刨煤机配套的采煤法;乌克兰提出的刮斗刨机采煤法、沿倾向推进的刨运综采机组采煤法;西班牙的沿走向推进的综采机组等。以上这些采煤方法,有的仅经过工业性试验,没有推广应用;有的还在试验阶段;有的仅是规划和设想,离真正工业性试验及生产还有一定的距离。

目前乌克兰仍采用的 А Н Щ型急倾斜薄煤层机械化采煤机组,为一套沿倾向推进的刨运综采机组,该设备包括 А Н Щ型液压传动盾构式掩护支架、А Н Щ型刨煤运输一体机、液压泵站、通讯报警设备、自动化和遥控设备、辅助设备、工具及备件,集支护、控制顶板、采煤和运输等功能为一体,可完全实现急倾斜薄煤层的自动化机械回采。但由于沿倾向推进,工作面推进长度短,搬家频繁,生产效率较低;巷道掘进率高,采掘比大,且薄煤层中巷道全部为半煤岩巷,巷道工程量大;根据该采法回采工艺要求需沿空留巷,原设计在采空区一侧采用木垛支护,木材消耗量极大,如改用其他支护都存在一定的问题。支架设计不尽合理,移架时采空区矸石自架间漏入工作面。更大的问题是:AHЩ型刨运机组是上个世纪 80年代原苏联解体前研制的设备,至今没有太多的改动,其支架结构型式、稳定性、液压控制等方面已远远落后国内现有水平。20世纪 80年代攀枝花煤业集团公司（原渡口矿务局）从原苏联进口了 2套刨运综采机组,并进行了井下试验,但当时没有取得成功。2007年 8月开始在其下属太平矿 25113工作面进行工业性试验开采 （图 1）,经过 3个月的安装、开采、撤架等工作,各项指标均达到预期目标,但同时也暴露有效服务时间短、安装及搬家的准备时间长、急倾斜煤层上山施工安全管理的难度大等一些问题。

图1 乌克兰 А Н Щ型急倾斜薄煤层综采工作面

20世纪 80年代中期,原北京矿务局引进西班牙综采机组用于开采急倾斜薄煤层,该机组由绞车牵引的滚筒采煤机与液压支架组成,工作面沿走向推进。在原北京矿务局试验了一个工作面后,因各种原因停止使用。当时在国外许多国家得到了应用,但现在也已停用。

2 薄煤层综采存在的主要问题

2.1 近水平及倾斜薄煤层开采

近水平及倾斜薄煤层综采,存在的主要难题有:受工作面空间的限制,薄煤层综采设备装机功率小,难以适应薄煤层地质条件的变化,如断层、硬夹矸等;薄煤层综采工作面采煤机过煤空间小且装煤效果差,采煤机割煤速度较慢,且工作面人员通行困难,影响工作面快速推进,煤层生产能力低;工作面设备安装、检修、操作等均受到空间限制,影响综采设备能力的正常发挥;薄煤层工作面回采巷道为半煤岩巷,综掘设备使用效率低,炮掘时放炮一次又不可能进行全断面爆破,煤与矸石分装,掘进速度慢,造成采掘接替紧张;单产单进水平低,薄煤层综采经济效益差。受经济效益影响,我国多数矿井对煤厚小于 1.0m甚至超过 1.2m的薄煤层,存在弃之不采的现象,资源损失严重。

2.2 急斜薄煤层综采

我国在急倾斜采煤方法改革方面进行过许多努力,取得了积极的效果,如在急倾斜特厚煤层中试验成功了水平分层综采放顶煤法、柔性掩护支架采煤法等,并得到了广泛的应用。但是对于急倾斜薄煤层,实现机械化开采仍有许多困难,采煤方法仍然很落后。急倾斜煤层由于倾角大而在岩层控制、设备布置、生产工艺和安全技术方面与缓倾斜煤层有所不同,为实现薄煤层长壁综合机械化开采带来难度,主要表现在以下几个方面:

（1）倾角大可以实现煤的自溜运输,可以简化工作面煤的装运工作。但倾角大给行人造成困难和增加煤矸飞下伤人的不安全因素。

（2）回采过程中,除顶板抽冒和垮落以外,煤层底板也产生位移和滑坡,给工作面支护带来一定难度。

（3）由于倾角大,工作面设备受重力作用,稳定性差,易倾倒,给实现工作面机械化开采增加了困难。

由以上特点所决定,急倾斜薄煤层应用的采煤方法主要有柔性掩护支架采煤法、钢丝绳锯采煤法、钻孔采煤法、长孔爆破落煤法、倒台阶工作面全部陷落法、矸石充填采空区全部陷落法、正台阶工作面全部陷落法、水力采煤法、房柱式 （短壁爆破）采煤法、仓贮式采煤法等。这些采煤法普遍存在的问题是:采区巷道布置复杂,掘进率高,通风运输复杂;工作面支护和顶底板控制困难,甚至无支护;采煤机械化程度低,安全性差;资源采出率低,材料消耗大,经济效益差。

3 薄煤层长壁机械化开采研究新进展

3.1 薄煤层滚筒采煤机综采

针对我国薄煤层资源比较丰富且分布广泛、薄煤层的开采环境和条件比较恶劣、机械化开采程度低、劳动强度大、效率低、效益差的现状,2006年至 2009年,由天地科技股份有限公司、枣庄矿业 （集团）有限责任公司、重庆能源投资集团公司共同合作完成了国家十一五科技支撑计划 “薄煤层机电一体化开采关键技术与装备”课题研究,主要研究内容包括薄煤层综合机械化开采总体配套优化设计,最低采高 1m的滚筒采煤机、薄煤层高效开采工艺、设备可靠性研究、缓倾斜薄煤层工业性试验研究、大倾角薄煤层工业性试验研究,形成开采下限为 1.0m的薄煤层综采技术。

通过课题研究,已研制开发出具有自主知识产权、最低采厚达到 0.75m的紧凑型电牵引滚筒采煤机 （MG100/238-WD型）。该型号采煤机适用于煤层厚度 0.75～1.25m,煤层倾角 0～25°（两象限变频器 +能耗制动电阻）或 0～45°（四象限变频器 +能量回馈单元）、煤质中硬的薄煤层综合机械化工作面。适应了薄煤层高产高效生产的需要,薄煤层综采试验工作面月单产达 40kt以上。结合设备配套,在采用电液控制液压支架的基础上,初步形成了近水平及缓倾斜薄煤层机电一体化高效开采技术与装备。

3.2 急倾斜薄煤层刨运机综采

为尽快实现急倾斜薄煤层综合机械化开采技术的突破,天地科技股份有限公司开采设计事业部采矿所与攀枝花煤业集团公司技术人员在借鉴前人已有成功经验,如乌克兰刨运综采机组、西班牙急倾斜煤层综采机组等,研究这些机组结构特点,利用国内较先进综合机械化采煤技术,根据急倾斜薄煤层矿压显现的特点,提出急倾斜薄煤层走向长壁综合机械化开采设备配套的基本方案:

工作面采用俯伪斜走向长壁布置,工作面内采用刨运机落煤,落煤自溜运煤,液压支架支护顶底板,全冒落法处理顶、底板。在工作面内液压支架平行煤层走向依次布置,架间距 1.5m。每组支架配备 1根推移千斤顶与刨运机组合梁连接。此千斤顶和梁起 2个作用,刨运机割煤时,千斤顶将刨运机梁及刨头推向煤壁割煤。支架前移时,刨运机梁作为移步横梁,固定于煤壁处,在两端支架固定的情况下,中间支架由推移千斤顶牵引带压前移完成移架工序。

急倾斜薄及中厚煤层刨运综采机组可用于煤层倾角 70°的走向长壁工作面,在落煤期间工作面内无操作人员。该综采机组由液压支架、刨运机、液压与电气控制系统及辅助系统构成,其主要技术参数见表 1。该机组无需司机跟机作业,且利用急倾斜煤层特点采用刨运机梁即做刨头的承载体,又做移架横梁,省略了输送机,如图 2。同时,在刨运机落煤期间采用电液控制,实现了落煤期间工作面内无操作人员的愿望,一方面利于安全生产,另一方面为智能化无人工作面打下基础。

目前该机组已制造出样机,并在攀煤集团公司太平煤矿成功进行了井下短工作面试验。

图2 急倾斜薄煤层刨运综采机组地面试验

表1 急倾斜薄煤层刨运综采机组主要技术参数

3.3 急倾斜薄煤层自移气垛支架开采

急倾斜薄煤层常用的采煤方法是:仓储式采煤法,水平分段密集采煤法,倒台阶采煤法,小阶段采煤法等。其中,仓储式采煤法和小阶段采煤法已被国家命令禁止;水平分段密集采煤法和倒台阶采煤法的劳动强度大,功效低,不安全,无法实现机械化开采。

为了解决急倾斜薄煤层工作面支护问题,减轻工人劳动强度,逐步实现急倾斜薄煤层的机械化开采,天地科技股份有限公司开采设计事业部采矿所与七台河矿业精煤 （集团）有限责任公司合作研发了急倾斜薄煤层自移气垛支架开采技术,即在一个伪俯斜布置的走向长壁工作面内,按照工作面长度,布置一定数量的自移气垛支架 （图 3）,以乳化液和压风为支架动力,每 1个循环支架移步横梁为支撑向前移设 1个步距,在工作面下端头的运输巷内布置 2架横移式端头液压支架,每 1个循环同样向前移设 1个步距。工作面采用打眼放炮或爬底板采煤机落煤,落下的煤以自溜方式运输。目前已在七台河精煤集团公司向阳煤矿进行了工业性试验,试验期间月产达到了 5000t。

图3 自移气垛支架

4 展望

根据急倾斜薄及中厚煤层刨运综采机组在太平煤矿平均倾角 68°试验工作面应用情况,在工作面支架全部采用电液控制并配备可视化监测的基础上,工作面落煤、移架可实现在巷道操作,最终实现该类煤层无人开采。

自移气垛支架薄煤层试验工作面目前采用炮采的落煤方式,未能实现综合机械化开采,课题组拟在试验成功的基础上进一步研究机械化落煤装备,如刨煤机落煤,最终实现综合机械化开采。

[1]刘 栋 .极薄煤层和薄煤层的采煤工艺 [J].煤炭技术,2008（6）:66-67.

[2]李建平,杜长龙,张永忠 .我国薄与极薄煤层开采设备的现状和发展趋势 [J].煤炭科学技术,2005（6）:65-66.

[3]中国煤炭工业劳动保护科学技术学会 .我国急倾斜煤层安全开采相关情况调研汇报 [R].2006.

[4]彭 勇,刘华林,唐建强,等 .急倾斜中厚煤层综合机械化开采技术实践 [J].煤矿开采,2008（5）:31-32.

[5]天地科技股份有限公司开采设计事业部,攀枝花煤业集团公司.急倾斜薄煤层综合机械化开采工作面装备研发[R].2008.

[6]天地科技股份有限公司开采设计事业部,七台河矿业精煤（集团）有限责任公司 .急倾斜薄煤层自移气垛支架开采工艺及装备研发 [R].2009.

Thin Coal-seam Mechanized Mining Status and New Development of China

MAO De-bing1,2,LAN Hang1,2,XU Gang1,2
（1.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;
2.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China）

On the basis of analyzing current thin coal-seam miningmethods,problems in thin coal-seam mechanized miningwas presented.New development in approximately-horizontal thin coal-seam and steeply-inclined thin coal-seam mechanized mining technology wasmainly introduced.Unmanned mining technology for thin coal-seam face was prospected.

thin coal-seam;mechanized mining;shaver shipped machine;gas heaps stents

TD823

A

1006-6225（2011）03-0011-04

2011-04-19

国家科技支撑计划资助项目 （2006BAB16B03）

毛德兵 （1970-）,男,安徽六安人,博士,研究员,主要从事大采高综放开采技术、急倾斜薄及中厚煤层综合机械化开采技术及冲击矿压防治等安全高效开采技术开发与推广工作。

[责任编辑:施红霞]