毛德兵,藍(lán) 航,徐 剛

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)分院,北京 100013）

我國薄煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)現(xiàn)狀及其新進(jìn)展

毛德兵1,2,藍(lán) 航1,2,徐 剛1,2

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)分院,北京 100013）

在調(diào)研薄煤層目前主要采煤方法的基礎(chǔ)上,對薄煤層綜合機(jī)械化開采存在的問題進(jìn)行了分析。重點(diǎn)介紹了近水平薄煤層、急傾斜薄煤層機(jī)械化開采技術(shù)研究方面的新進(jìn)展,并對薄煤層工作面實(shí)現(xiàn)無人開采進(jìn)行了展望。

薄煤層;機(jī)械化開采;刨運(yùn)機(jī);自移氣垛支架

我國薄煤層資源豐富,分布廣泛,儲(chǔ)量占全國煤炭儲(chǔ)量的 20%以上。在已探明礦區(qū)中,84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布。由于薄煤層開采難度大、投入產(chǎn)出比低等原因,開采 1.3m以下薄煤層一直是我國煤炭開采行業(yè)的主要難題之一。近年來隨著國家及煤炭企業(yè)對薄煤層開采的重視,我國薄煤層機(jī)械化開采技術(shù)與裝備實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展,基本解決了近水平及傾斜 1.0m以上薄煤層的機(jī)械化開采問題,但對于 1.0m以下薄煤層以及急傾斜薄煤層機(jī)械化開采技術(shù)與裝備的研究尚處于進(jìn)行中,1.0m以上薄煤層的高效開采問題也沒有得到完全解決。

1 薄煤層綜采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于薄煤層開采的特殊性,造成薄煤層機(jī)械化開采發(fā)展緩慢。目前國內(nèi)外薄煤層機(jī)械化開采主要集中于近水平及緩傾斜煤層,較成熟的工藝主要有:長壁綜合機(jī)械化開采、螺旋鉆機(jī)開采和連續(xù)采煤機(jī)房柱式開采。

1.1 長壁綜合機(jī)械化開采

長壁綜合機(jī)械化開采薄煤層主要有 2種技術(shù)途徑:一是采用滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的采煤機(jī)綜采機(jī)組;二是采用刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的刨煤機(jī)綜采機(jī)組。英國和美國主要采用滾筒采煤機(jī)進(jìn)行長壁式開采,用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行房柱式開采;德國、法國、俄羅斯和比利時(shí)等國廣泛采用刨煤機(jī)。從使用情況看,兩種技術(shù)均能取得較好效果,各有特點(diǎn)與適應(yīng)性。刨煤機(jī)綜采設(shè)備由于可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,工作安全、塊煤率高,適于開采厚度較小且地質(zhì)條件變化不大的煤層;滾筒采煤機(jī)綜采設(shè)備對地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng),適應(yīng)于硬煤以及煤層厚度變化較大的薄煤層開采。

目前,德國DBT公司研究開發(fā)的以液壓支架PM4電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的全自動(dòng)化無人刨煤機(jī)綜采工作面成套設(shè)備已經(jīng)批量投入生產(chǎn)應(yīng)用;英國Long-Airdox公司、美國 Joy公司也研究開發(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);澳大利亞正在研制遠(yuǎn)程控制全自動(dòng)無人長壁工作面開采技術(shù)。

由于我國煤礦開采條件復(fù)雜,煤層頂板條件差,適合刨煤機(jī)綜采條件的煤層不多,因此,推廣較少,主要應(yīng)用于鐵法礦區(qū)。與刨煤機(jī)綜采機(jī)組相比,滾筒采煤機(jī)由于具有截割效率高、破煤巖能力強(qiáng)、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn),適應(yīng)于我國薄煤層賦存多樣性的特點(diǎn),因此,在我國發(fā)展較快,我國薄煤層采煤機(jī)最大裝機(jī)功率已達(dá) 925kW （MG2×200/925-AWD型電牽引采煤機(jī),適用于采高 1250～2800mm）,達(dá)到國際水平,但由于采煤機(jī)割煤尚不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,滾筒采煤機(jī)綜采機(jī)組無法實(shí)現(xiàn)真正的全自動(dòng)化控制。

1.2 螺旋鉆機(jī)開采

螺旋鉆機(jī)采煤是 20世紀(jì) 60年代發(fā)展起來的采煤方法。美國首先將其用于地下開采,原蘇聯(lián)、英國、德國、法國都對此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用做過很多研究,我國 20世紀(jì) 90年代開始引進(jìn)和研制用于薄煤層和極薄煤層開采的螺旋鉆機(jī),并在山東棗莊、新汶得到了應(yīng)用,但采用螺旋鉆機(jī)采煤主要存在:要求巷道斷面大,半煤巖巷道掘進(jìn)困難;留設(shè)鉆孔間煤柱,降低了采出率;接長和縮短鉆桿所用的時(shí)間占工作總時(shí)間的比重較大,單產(chǎn)水平低。受上述因素影響,該種采法在國內(nèi)沒有得到有效的應(yīng)用。

1.3 連續(xù)采煤機(jī)房柱式開采

連續(xù)采煤機(jī)房柱式開采的特點(diǎn)是采掘合一,邊掘邊采,利用煤柱作為臨時(shí)或永久支護(hù)支撐頂板,煤柱在回采過程中可以部分或全部回收。主要設(shè)備有連續(xù)采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)和錨桿機(jī)。國外在極薄煤層中已試驗(yàn)了可遙控的連續(xù)采煤機(jī),較好地解決了極薄煤層人員控制采煤的問題。受我國連續(xù)采煤機(jī)研制較晚及薄煤層開采不受重視等因素的影響,我國薄煤層一般不采用該種采煤方法。

1.4 急傾斜薄煤層綜采

急傾斜薄煤層綜合機(jī)械化開采不但在國內(nèi)是一個(gè)難題,在世界范圍也沒有十分成功有效的采煤方法。雖然國外也提出一些較好的急傾斜煤層機(jī)械化采煤方法,如俄羅斯提出的遙控鉆機(jī)采煤法、長型氣垛與刨煤機(jī)配套的采煤法;烏克蘭提出的刮斗刨機(jī)采煤法、沿傾向推進(jìn)的刨運(yùn)綜采機(jī)組采煤法;西班牙的沿走向推進(jìn)的綜采機(jī)組等。以上這些采煤方法,有的僅經(jīng)過工業(yè)性試驗(yàn),沒有推廣應(yīng)用;有的還在試驗(yàn)階段;有的僅是規(guī)劃和設(shè)想,離真正工業(yè)性試驗(yàn)及生產(chǎn)還有一定的距離。

目前烏克蘭仍采用的 А Н Щ型急傾斜薄煤層機(jī)械化采煤機(jī)組,為一套沿傾向推進(jìn)的刨運(yùn)綜采機(jī)組,該設(shè)備包括 А Н Щ型液壓傳動(dòng)盾構(gòu)式掩護(hù)支架、А Н Щ型刨煤運(yùn)輸一體機(jī)、液壓泵站、通訊報(bào)警設(shè)備、自動(dòng)化和遙控設(shè)備、輔助設(shè)備、工具及備件,集支護(hù)、控制頂板、采煤和運(yùn)輸?shù)裙δ転橐惑w,可完全實(shí)現(xiàn)急傾斜薄煤層的自動(dòng)化機(jī)械回采。但由于沿傾向推進(jìn),工作面推進(jìn)長度短,搬家頻繁,生產(chǎn)效率較低;巷道掘進(jìn)率高,采掘比大,且薄煤層中巷道全部為半煤巖巷,巷道工程量大;根據(jù)該采法回采工藝要求需沿空留巷,原設(shè)計(jì)在采空區(qū)一側(cè)采用木垛支護(hù),木材消耗量極大,如改用其他支護(hù)都存在一定的問題。支架設(shè)計(jì)不盡合理,移架時(shí)采空區(qū)矸石自架間漏入工作面。更大的問題是:AHЩ型刨運(yùn)機(jī)組是上個(gè)世紀(jì) 80年代原蘇聯(lián)解體前研制的設(shè)備,至今沒有太多的改動(dòng),其支架結(jié)構(gòu)型式、穩(wěn)定性、液壓控制等方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后國內(nèi)現(xiàn)有水平。20世紀(jì) 80年代攀枝花煤業(yè)集團(tuán)公司（原渡口礦務(wù)局）從原蘇聯(lián)進(jìn)口了 2套刨運(yùn)綜采機(jī)組,并進(jìn)行了井下試驗(yàn),但當(dāng)時(shí)沒有取得成功。2007年 8月開始在其下屬太平礦 25113工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)開采 （圖 1）,經(jīng)過 3個(gè)月的安裝、開采、撤架等工作,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo),但同時(shí)也暴露有效服務(wù)時(shí)間短、安裝及搬家的準(zhǔn)備時(shí)間長、急傾斜煤層上山施工安全管理的難度大等一些問題。

圖1 烏克蘭 А Н Щ型急傾斜薄煤層綜采工作面

20世紀(jì) 80年代中期,原北京礦務(wù)局引進(jìn)西班牙綜采機(jī)組用于開采急傾斜薄煤層,該機(jī)組由絞車牽引的滾筒采煤機(jī)與液壓支架組成,工作面沿走向推進(jìn)。在原北京礦務(wù)局試驗(yàn)了一個(gè)工作面后,因各種原因停止使用。當(dāng)時(shí)在國外許多國家得到了應(yīng)用,但現(xiàn)在也已停用。

2 薄煤層綜采存在的主要問題

2.1 近水平及傾斜薄煤層開采

近水平及傾斜薄煤層綜采,存在的主要難題有:受工作面空間的限制,薄煤層綜采設(shè)備裝機(jī)功率小,難以適應(yīng)薄煤層地質(zhì)條件的變化,如斷層、硬夾矸等;薄煤層綜采工作面采煤機(jī)過煤空間小且裝煤效果差,采煤機(jī)割煤速度較慢,且工作面人員通行困難,影響工作面快速推進(jìn),煤層生產(chǎn)能力低;工作面設(shè)備安裝、檢修、操作等均受到空間限制,影響綜采設(shè)備能力的正常發(fā)揮;薄煤層工作面回采巷道為半煤巖巷,綜掘設(shè)備使用效率低,炮掘時(shí)放炮一次又不可能進(jìn)行全斷面爆破,煤與矸石分裝,掘進(jìn)速度慢,造成采掘接替緊張;單產(chǎn)單進(jìn)水平低,薄煤層綜采經(jīng)濟(jì)效益差。受經(jīng)濟(jì)效益影響,我國多數(shù)礦井對煤厚小于 1.0m甚至超過 1.2m的薄煤層,存在棄之不采的現(xiàn)象,資源損失嚴(yán)重。

2.2 急斜薄煤層綜采

我國在急傾斜采煤方法改革方面進(jìn)行過許多努力,取得了積極的效果,如在急傾斜特厚煤層中試驗(yàn)成功了水平分層綜采放頂煤法、柔性掩護(hù)支架采煤法等,并得到了廣泛的應(yīng)用。但是對于急傾斜薄煤層,實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采仍有許多困難,采煤方法仍然很落后。急傾斜煤層由于傾角大而在巖層控制、設(shè)備布置、生產(chǎn)工藝和安全技術(shù)方面與緩傾斜煤層有所不同,為實(shí)現(xiàn)薄煤層長壁綜合機(jī)械化開采帶來難度,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）傾角大可以實(shí)現(xiàn)煤的自溜運(yùn)輸,可以簡化工作面煤的裝運(yùn)工作。但傾角大給行人造成困難和增加煤矸飛下傷人的不安全因素。

（2）回采過程中,除頂板抽冒和垮落以外,煤層底板也產(chǎn)生位移和滑坡,給工作面支護(hù)帶來一定難度。

（3）由于傾角大,工作面設(shè)備受重力作用,穩(wěn)定性差,易傾倒,給實(shí)現(xiàn)工作面機(jī)械化開采增加了困難。

由以上特點(diǎn)所決定,急傾斜薄煤層應(yīng)用的采煤方法主要有柔性掩護(hù)支架采煤法、鋼絲繩鋸采煤法、鉆孔采煤法、長孔爆破落煤法、倒臺(tái)階工作面全部陷落法、矸石充填采空區(qū)全部陷落法、正臺(tái)階工作面全部陷落法、水力采煤法、房柱式 （短壁爆破）采煤法、倉貯式采煤法等。這些采煤法普遍存在的問題是:采區(qū)巷道布置復(fù)雜,掘進(jìn)率高,通風(fēng)運(yùn)輸復(fù)雜;工作面支護(hù)和頂?shù)装蹇刂评щy,甚至無支護(hù);采煤機(jī)械化程度低,安全性差;資源采出率低,材料消耗大,經(jīng)濟(jì)效益差。

3 薄煤層長壁機(jī)械化開采研究新進(jìn)展

3.1 薄煤層滾筒采煤機(jī)綜采

針對我國薄煤層資源比較豐富且分布廣泛、薄煤層的開采環(huán)境和條件比較惡劣、機(jī)械化開采程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、效益差的現(xiàn)狀,2006年至 2009年,由天地科技股份有限公司、棗莊礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司、重慶能源投資集團(tuán)公司共同合作完成了國家十一五科技支撐計(jì)劃 “薄煤層機(jī)電一體化開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備”課題研究,主要研究內(nèi)容包括薄煤層綜合機(jī)械化開采總體配套優(yōu)化設(shè)計(jì),最低采高 1m的滾筒采煤機(jī)、薄煤層高效開采工藝、設(shè)備可靠性研究、緩傾斜薄煤層工業(yè)性試驗(yàn)研究、大傾角薄煤層工業(yè)性試驗(yàn)研究,形成開采下限為 1.0m的薄煤層綜采技術(shù)。

通過課題研究,已研制開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、最低采厚達(dá)到 0.75m的緊湊型電牽引滾筒采煤機(jī) （MG100/238-WD型）。該型號(hào)采煤機(jī)適用于煤層厚度 0.75～1.25m,煤層傾角 0～25°（兩象限變頻器 +能耗制動(dòng)電阻）或 0～45°（四象限變頻器 +能量回饋單元）、煤質(zhì)中硬的薄煤層綜合機(jī)械化工作面。適應(yīng)了薄煤層高產(chǎn)高效生產(chǎn)的需要,薄煤層綜采試驗(yàn)工作面月單產(chǎn)達(dá) 40kt以上。結(jié)合設(shè)備配套,在采用電液控制液壓支架的基礎(chǔ)上,初步形成了近水平及緩傾斜薄煤層機(jī)電一體化高效開采技術(shù)與裝備。

3.2 急傾斜薄煤層刨運(yùn)機(jī)綜采

為盡快實(shí)現(xiàn)急傾斜薄煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)的突破,天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部采礦所與攀枝花煤業(yè)集團(tuán)公司技術(shù)人員在借鑒前人已有成功經(jīng)驗(yàn),如烏克蘭刨運(yùn)綜采機(jī)組、西班牙急傾斜煤層綜采機(jī)組等,研究這些機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用國內(nèi)較先進(jìn)綜合機(jī)械化采煤技術(shù),根據(jù)急傾斜薄煤層礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn),提出急傾斜薄煤層走向長壁綜合機(jī)械化開采設(shè)備配套的基本方案:

工作面采用俯偽斜走向長壁布置,工作面內(nèi)采用刨運(yùn)機(jī)落煤,落煤自溜運(yùn)煤,液壓支架支護(hù)頂?shù)装?全冒落法處理頂、底板。在工作面內(nèi)液壓支架平行煤層走向依次布置,架間距 1.5m。每組支架配備 1根推移千斤頂與刨運(yùn)機(jī)組合梁連接。此千斤頂和梁起 2個(gè)作用,刨運(yùn)機(jī)割煤時(shí),千斤頂將刨運(yùn)機(jī)梁及刨頭推向煤壁割煤。支架前移時(shí),刨運(yùn)機(jī)梁作為移步橫梁,固定于煤壁處,在兩端支架固定的情況下,中間支架由推移千斤頂牽引帶壓前移完成移架工序。

急傾斜薄及中厚煤層刨運(yùn)綜采機(jī)組可用于煤層傾角 70°的走向長壁工作面,在落煤期間工作面內(nèi)無操作人員。該綜采機(jī)組由液壓支架、刨運(yùn)機(jī)、液壓與電氣控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)構(gòu)成,其主要技術(shù)參數(shù)見表 1。該機(jī)組無需司機(jī)跟機(jī)作業(yè),且利用急傾斜煤層特點(diǎn)采用刨運(yùn)機(jī)梁即做刨頭的承載體,又做移架橫梁,省略了輸送機(jī),如圖 2。同時(shí),在刨運(yùn)機(jī)落煤期間采用電液控制,實(shí)現(xiàn)了落煤期間工作面內(nèi)無操作人員的愿望,一方面利于安全生產(chǎn),另一方面為智能化無人工作面打下基礎(chǔ)。

目前該機(jī)組已制造出樣機(jī),并在攀煤集團(tuán)公司太平煤礦成功進(jìn)行了井下短工作面試驗(yàn)。

圖2 急傾斜薄煤層刨運(yùn)綜采機(jī)組地面試驗(yàn)

表1 急傾斜薄煤層刨運(yùn)綜采機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

3.3 急傾斜薄煤層自移氣垛支架開采

急傾斜薄煤層常用的采煤方法是:倉儲(chǔ)式采煤法,水平分段密集采煤法,倒臺(tái)階采煤法,小階段采煤法等。其中,倉儲(chǔ)式采煤法和小階段采煤法已被國家命令禁止;水平分段密集采煤法和倒臺(tái)階采煤法的勞動(dòng)強(qiáng)度大,功效低,不安全,無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采。

為了解決急傾斜薄煤層工作面支護(hù)問題,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,逐步實(shí)現(xiàn)急傾斜薄煤層的機(jī)械化開采,天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部采礦所與七臺(tái)河礦業(yè)精煤 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司合作研發(fā)了急傾斜薄煤層自移氣垛支架開采技術(shù),即在一個(gè)偽俯斜布置的走向長壁工作面內(nèi),按照工作面長度,布置一定數(shù)量的自移氣垛支架 （圖 3）,以乳化液和壓風(fēng)為支架動(dòng)力,每 1個(gè)循環(huán)支架移步橫梁為支撐向前移設(shè) 1個(gè)步距,在工作面下端頭的運(yùn)輸巷內(nèi)布置 2架橫移式端頭液壓支架,每 1個(gè)循環(huán)同樣向前移設(shè) 1個(gè)步距。工作面采用打眼放炮或爬底板采煤機(jī)落煤,落下的煤以自溜方式運(yùn)輸。目前已在七臺(tái)河精煤集團(tuán)公司向陽煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),試驗(yàn)期間月產(chǎn)達(dá)到了 5000t。

圖3 自移氣垛支架

4 展望

根據(jù)急傾斜薄及中厚煤層刨運(yùn)綜采機(jī)組在太平煤礦平均傾角 68°試驗(yàn)工作面應(yīng)用情況,在工作面支架全部采用電液控制并配備可視化監(jiān)測的基礎(chǔ)上,工作面落煤、移架可實(shí)現(xiàn)在巷道操作,最終實(shí)現(xiàn)該類煤層無人開采。

自移氣垛支架薄煤層試驗(yàn)工作面目前采用炮采的落煤方式,未能實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開采,課題組擬在試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究機(jī)械化落煤裝備,如刨煤機(jī)落煤,最終實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開采。

[1]劉 棟 .極薄煤層和薄煤層的采煤工藝 [J].煤炭技術(shù),2008（6）:66-67.

[2]李建平,杜長龍,張永忠 .我國薄與極薄煤層開采設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005（6）:65-66.

[3]中國煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì) .我國急傾斜煤層安全開采相關(guān)情況調(diào)研匯報(bào) [R].2006.

[4]彭 勇,劉華林,唐建強(qiáng),等 .急傾斜中厚煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)實(shí)踐 [J].煤礦開采,2008（5）:31-32.

[5]天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,攀枝花煤業(yè)集團(tuán)公司.急傾斜薄煤層綜合機(jī)械化開采工作面裝備研發(fā)[R].2008.

[6]天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,七臺(tái)河礦業(yè)精煤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 .急傾斜薄煤層自移氣垛支架開采工藝及裝備研發(fā) [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

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目 （2006BAB16B03）

毛德兵 （1970-）,男,安徽六安人,博士,研究員,主要從事大采高綜放開采技術(shù)、急傾斜薄及中厚煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)及沖擊礦壓防治等安全高效開采技術(shù)開發(fā)與推廣工作。

[責(zé)任編輯:施紅霞]