甄家沟煤矿“等采高”薄煤层采煤机智能化工作面探索

陈彦军，胡明东，杨 帅

(子长县甄家沟煤业有限公司，陕西 子长 717300)

0 引言

子长矿区是三叠纪成煤条件最好的富煤区，矿区煤炭地质储量28.94亿t，探明储量8.02亿t。矿区煤层埋藏浅，赋存平稳，地质构造及水文地质条件简单，可采厚度连片分布且具有开采价值的煤层为5号煤和3号煤，煤层厚度变化较大，薄及极薄煤层占1/3以上。矿区煤种属国内稀缺的44～45号气煤，是配焦、气化、液化、燃烧动力和低温干馏的优质化工煤。鉴于煤种原因，按照《煤炭工业矿井设计规范》，子长矿区煤层最低可采厚度应为0.7 m，依据《陕西省国土资源厅关于陕北三叠纪煤田子长矿区工业指标中煤层最低可采厚度的批复》(陕国土资储发〔2009〕14号)，子长矿区煤层最低可采厚度调整为0.50 m。多年来，受薄及极薄煤层采煤工艺的制约，煤炭开采难度大、产量低、成本高，难以发挥子长的煤质优势。甄家沟煤矿薄煤层原设计采用综合机械化采煤工艺，采煤机与液压支架配套困难，近年一直调研国内外的薄煤层采煤机智能化工作面的使用情况。调研发现，波兰生产的黑龙系列“等采高”薄煤层采煤机方便配套，并可以实现智能化控制，目前已经基本完成前期工作，投产后采煤工作面将实现无人开采，提高工效，改善工人工作环境，是比较理想的配套设备。

1 甄家沟煤矿煤层赋存概况

甄家沟煤矿位于子长矿区北部，距子长城区西北约7 km处，行政区划为子长市瓦窑堡镇、栾家坪乡及玉家湾镇所管辖。目前正在施工井下大巷及采煤工作面顺槽巷道，处于建设阶段，属资源整合型矿井。

1.1 地质构造

井田内总体构造形态为一向西偏北缓倾的单斜构造，地质构造简单，倾角1°～3°，局部发育有宽缓的波状起伏。区内断裂构造不发育，无岩浆活动。

1.2 煤层赋存

井田内赋存5上号煤、5号煤、3-1号煤和3-2号煤4层煤。

5上号煤：赋存于瓦窑堡组第4段顶部，煤层厚度0.16～0.90 m，可采厚度0.50～0.90 m，平均厚度0.63 m，偶含一层夹矸，结构简单，煤层底板标高1 025～1 095 m，埋深35～342 m。

5号煤：赋存于瓦窑堡组第4段顶部，煤层厚度0.67～2.23 m，可采厚度0.50～1.96 m，平均厚度1.25 m，含0～2层夹矸，煤层底板标高为1 020～1 095 m，埋深40～345 m。

3-1号煤：赋存于瓦窑堡组第3段上部，煤层厚度0.20～0.73 m，可采厚度0.50～0.73 m，平均厚度0.57 m，不含夹矸，结构简单，煤层底板标高为990～1 070 m，埋深75～385 m。

3-2号煤：赋存于瓦窑堡组第3段上部，煤层厚度0.44～0.91 m，可采厚度0.50～0.83 m，平均厚度0.64 m，一般不含夹矸，结构简单，煤层底板标高980～1 060 m，埋深80～392 m，属大部可采的稳定煤层。

甄家沟煤矿井田内的4层煤大多属于薄及极薄煤层(0.6 m以下)。

2 国内薄煤层采煤工作面装备情况

国内中厚煤层综合机械化采煤设备配套已经成熟，厚及特厚煤层综合机械化放顶煤开采技术发展也很迅速，设备配套成型，智能化工作面控制也趋于成熟。唯独薄及极薄煤层受煤层赋存条件、效益、工作环境等限制发展相对滞后。经过调研，目前国内的薄及极薄煤层采煤工作面装备主要有3种形式。

2.1 滚筒式采煤机采煤工艺

在薄煤层综合机械化采煤工艺中，配套滚筒式采煤机最为广泛。它与中厚煤层采煤装备差别不大，也是由双滚筒采煤机、液压支架和刮板输送机组成，不同点在于装备小型化。受煤层厚度、设备制造工艺限制，采煤机经常割顶或割底，设备磨损大、设备故障率高、维修量大、正规作业循环率低、工作面粉尘大、运输成本高、洗煤成本高，工人在工作面直不起身，工作条件差等。

2.2 智能型刨煤机采煤工艺

国内最早装备智能型刨煤机的煤矿是铁法小青煤矿。

小青煤矿设计产能150万t/a，为“一井二面”生产。2001年1月，引进德国DBT采矿技术公司生产的高效长壁连续开采智能型GH9.34VE/4.7薄煤层刨煤机装备综采工作面。首先在W1E703工作面进行了试采，然后回采了WIW712薄煤层工作面，至2001年12 月底，成功回采了多个工作面。W1E703工作面的走向长度为905 m，面长150 m，回采625 m后，工作面长度增加为195 m。煤层厚度1.0～1.58 m，平均1.3 m，煤层倾角5°～8°，伪顶为泥岩、直接顶为粉砂岩，底板为泥质粉砂岩。刨煤机采煤工作面设备及开采技术特征见表1、2。

表1 刨煤机采煤工作面设备技术特征

表2 刨煤机采煤工作面开采技术参数

小青煤矿采用刨煤机自动化采煤，减少了原煤生产人员，提高了劳动效率，降低了生产成本，基本实现了采煤工作面无人作业，达到了安全经济目标，但对煤的硬度要求较高。

2.3 配套螺旋钻机采煤工艺

子长市焦家沟煤矿是陕西最早使用螺旋钻机采煤工艺的煤矿。

焦家沟煤矿设计生产能力120万t/a，可采煤层2层，5号中厚煤层和3号极薄煤层。矿井在3号极薄煤层采用山东隆恒矿山机械有限公司在乌克兰螺旋钻机的基础上改进的MZ系列螺旋钻采煤机，MZ132/294型四轴联动双向自动对接螺旋钻进式采煤机，采宽2.6 m，适应厚度0.5～1.0 m、倾角小于22°的煤层，钻杆长度1.62 m，设计钻深60 m。

螺旋钻机采煤工作面的设备及开采技术特征见表3、4。

表3 钻采机采煤工作面设备配套

表4 钻采机采煤工作面开采技术参数

焦家沟煤矿采用螺旋钻开采突破了极薄煤层开采的高度限制，只采煤不采石头，避开了极薄煤层综采人为增加采厚、截割岩石带来的所有弊端。基本实现了无人工作面开采，螺旋钻杆自行破煤、装煤、运煤，工作面无支护设备，人员在巷道内即可完成螺旋钻的所有操作，工作面开采安全条件比综采工艺更加优越。但主要问题是回采率低，效率低，近年已不再使用。

经过调研，拟采用已经在神东公司石圪台煤矿使用的“等采高”薄煤层采煤机，同步建设智能化控制系统，实现无人化开采。

3 “等采高”薄煤层采煤机智能化工作面装备方案

3.1 采煤机

GUL-500型采煤机由波兰FAMUR公司生产，装备一台500 kW的截割电机同时驱动2个滚筒，无摇臂实现等高回采。行走方式采用链(42×137)牵引方式，机头、机尾各有一台60 kW的变频电机控制采煤机的牵引行走。机尾一台20 kW的电缆拖曳变频电机，通过牵引电机编码器和拖缆电机编码器，实现煤机和拖缆装置同步移动，保证了采煤机电缆受力平衡，防止电缆多层折叠，降低了中部槽高度，保障了工作面采高控制。链条牵引编码器和红外装置的双重计算实现了采煤机的精准定位和工作面系统的高度协同同步。采煤机采用端头垂直进刀，相比于传统的斜切进刀，节省了割三角煤的时间，提高了生产效率。

3.2 S-850N型刮板运输机

S-850N刮板运输机采用两端头下沉式布置，端头卸料，中双链布置，链条规格34 mm×126 mm，机头、机尾各配置一台450 kW的变频电机，在运行中可以随意调整电机转速和链条转速。中部槽高度220 mm，可通过支架调溜油缸调整溜槽俯仰角度。

3.3 转载机、破碎机、自移机尾

PPZ-850转载机长60 m，中双链布置，链条规格30 mm×108 mm，配置450 kW变频电机。UPZP-1200自移机尾有电磁阀手动、遥控、自动3种操作方式，总长度35.13 m，搭接长度20 m，可实现连续推移20 m不拆卸皮带架，提高自动化程度和生产效率。采用4根立柱顶板锚固，利用2根伸缩油缸配合支架推溜实现转载机拉移，推移油缸还可以以转载机为支点实现自移机尾向前爬移。UKU-1600破碎机配置200 kW工频电机，使用角型减速箱，体积小，传动效率高，破碎机两侧各有2根调节油缸，可方便调节破碎输出粒度。

3.4 液压支架

液压支架选用相应采高的国产掩护式支架配套，支架上安装高清摄像仪、无线基站，每台支架安装左右压力、行程、底座角度、顶梁角度、掩护梁角度、红外接收等传感器。配备手动、遥控和自动3种操作模式。

3.5 控制系统

中央控制室内装备有工作面设备监控主机和等高设备电控主机，主要监控液压支架跟机状态，采煤机运行状态，配备设备启停控制面板及检测支架数据的操控面板，在中央控制室内可以完成无人自动化采煤工艺。

SNG主控制站是“等采高”采煤机控制系统的重要组成部分，是集采煤机截割、装煤、驱动牵引、电路保护及冷却水路控制为一体的自动控制装置。“等采高”采煤机通过动力电缆以动力载波的方式将自身数据传输给SNG，实现采煤机的启停、漏电及断电保护等功能。牵引及喷雾控制“黑龙”系统为“等采高”式采煤机，采高始终恒定(可通过机身升降油缸微调采高0～150 mm)，只能通过更换滚筒来调整采高。“黑龙”系统又分为“黑龙”和“小龙”，主要参数对比见表5。

表5 “黑龙”系统设备对比

根据本矿井煤层条件，在5号煤层2个工作面初期布置一套GUL500型系统，实现可控采高为1.2～1.75 m。当开采5号上煤层时，布置一套“小龙”系统，即GUL350系统，实现可控采高1.0～1.55 m，适用于平均0.63 m煤厚，可实现在平均采高1 m情况下无人智能自动化高效生产。对于开采厚度为0.5～0.7 m的煤层时，虽然同时开采厚度为0.5～0.3 m的矸石，但是经洗选后的商品煤产量仍可达到60～80万t/a以上。

4 效益分析

该套系统装备后，设计采煤工作面长度200 m，5上号煤采煤工作面产能可达60万t/a，5号煤采煤工作面120万t/a。

自工作面装备“等采高”智能化采煤系统后，工作面采用全自动模式生产，取消了煤机司机、支架工、机头、机尾岗位工和自移机尾司机，正常生产中，生产班组只配备3～4人，除集控台司机外，其他人员只负责巡视设备及生产情况。减少人员可降低煤炭生产成本，减轻工人劳动强度，减少安全生产隐患，实现“机械化换人、自动化减人”目标，社会效益明显。

5 结论

(1)采煤机无摇臂实现等高回采，最大限度地避免了割顶与割底。采用链牵引方式，机头、机尾各有一台变频电机控制采煤机的牵引行走，有效实现了煤机和拖缆装置的同步移动。

(2)薄煤层“等采高”采煤机智能化无人工作面成套装备与技术，自动完成割煤、移架、推移刮板输送机和顶板支护等生产流程，提高了薄煤层开采的生产能力，改善了井下作业环境，大幅解放一线生产人员，可以实现薄煤层生产的自动化、智能化和工作面无人化开采。

(3)改进了薄煤层采煤工艺，提高了采煤工作面采、支、运工序的自动化程度,减少工作面作业人数。“等采高”薄煤层智能化系统的成功应用将为薄及极薄煤层高产高效开采提供借鉴。