宋明江

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

近年來，我國(guó)露天煤礦生產(chǎn)與建設(shè)快速發(fā)展，露天礦年產(chǎn)量突破5～6億t，約占年煤炭總產(chǎn)量的15 %，邊幫壓煤總量已達(dá)到5億t[1]。露天礦賦存的大量邊幫壓煤資源，如果不能有效的開采會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)；如果開溝或采坑不能及時(shí)回填或內(nèi)排，就會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和破壞。露天礦邊幫煤開采技術(shù)是在最小程度的破壞地表巖土覆蓋及地面植被的前提下，最大程度利用煤炭資源，基本不會(huì)對(duì)環(huán)境和其它資源造成不良影響，可取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外對(duì)邊幫煤資源回收開采有著成熟的工藝及技術(shù)裝備，國(guó)內(nèi)對(duì)邊幫煤回收開采技術(shù)研究相對(duì)滯后。多數(shù)壓煤形成棄采，即或開采也僅是靠炮采、掘進(jìn)機(jī)開采等方式，效率低、安全性差，形成極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞。在這種形勢(shì)的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)露天礦邊幫煤現(xiàn)代化開采己成為人們關(guān)注的問題。通過對(duì)國(guó)外該領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)裝備的研究和消化，在此基礎(chǔ)上開發(fā)創(chuàng)造符合我國(guó)生產(chǎn)工藝的新技術(shù)、新裝備，對(duì)提高邊幫煤開采的回收率，減少不可再生資源的浪費(fèi)程度有著積極和重要的意義。

1 基于EML340型連續(xù)采煤機(jī)的邊幫煤回采技術(shù)

2011年開始，山西天地煤機(jī)裝備有限公司利用連續(xù)采煤機(jī)在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)進(jìn)行邊幫壓煤的回收開采技術(shù)研究和試驗(yàn)。截至2019年，共計(jì)有6套設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用，最終取得了豐富的科研成果及經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明，利用EML340型連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行露天礦邊幫煤開采具有可行性。采用連續(xù)采煤機(jī)成套技術(shù)裝備進(jìn)行邊幫開采，結(jié)合傳統(tǒng)邊幫開采工藝的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)邊幫煤安全、高效、綠色開采，具有靈活機(jī)動(dòng)、用人少、成本低的優(yōu)勢(shì)，且日常維護(hù)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。用連續(xù)采煤機(jī)結(jié)合配套轉(zhuǎn)載運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行邊幫煤開采，最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是采硐內(nèi)實(shí)現(xiàn)無人化，基本避免了因人員進(jìn)入無支護(hù)處理的空頂區(qū)域而帶來的危險(xiǎn)。所以，用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行邊幫煤的開采，是一種高效、安全、綠色的開采工藝及技術(shù)。但是，井工用連續(xù)采煤機(jī)用作露天礦邊幫煤開采，也存設(shè)備針對(duì)性、專業(yè)性不強(qiáng)，井工型連續(xù)采煤機(jī)不能完全適應(yīng)露天礦環(huán)境下的高、低溫環(huán)境、降雨等諸多因素影響[2]。通過這些年山西天地煤機(jī)裝備有限公司在露天礦邊幫煤開采方面的經(jīng)驗(yàn)積累，已經(jīng)掌握大量連續(xù)采煤機(jī)邊幫煤開采的理論數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。這些經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)可以很好的為露天礦邊幫煤資源回采的技術(shù)研究提供有力的技術(shù)儲(chǔ)備和支持。

2 EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫煤回采設(shè)備配套

由于露天礦戶外極限條件下的施工環(huán)境和相對(duì)不完善的配套體系。EML340型連續(xù)采煤機(jī)應(yīng)用在露天礦邊幫煤回采作業(yè)時(shí)還需要進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，配套獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，滿足整機(jī)的電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的冷卻要求。邊幫煤回采作業(yè)，采硐內(nèi)不需要錨桿支護(hù)，人員不能進(jìn)入硐內(nèi)操作，所以連續(xù)采煤機(jī)必須要具備遠(yuǎn)程控制功能。配套內(nèi)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的EML340型連續(xù)采煤機(jī)如圖1。

圖1 配套內(nèi)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的EML340型連續(xù)采煤機(jī)

EML340型連續(xù)采煤機(jī)用做邊幫煤回采，設(shè)備配套有連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)（由連續(xù)運(yùn)輸單元組成，單個(gè)運(yùn)輸單元長(zhǎng)度20 m），控制中心、防護(hù)棚架等部分設(shè)備組成。作業(yè)流程為連續(xù)采煤機(jī)向硐內(nèi)采掘完成1個(gè)運(yùn)輸單元的采深后，運(yùn)輸系統(tǒng)補(bǔ)充增加1個(gè)運(yùn)輸單元，如此循環(huán)向縱深推進(jìn)；連續(xù)采煤機(jī)邊幫成套系統(tǒng)完成1個(gè)采硐后設(shè)備往外退機(jī)，系統(tǒng)退出1個(gè)運(yùn)輸單元，拆除1個(gè)運(yùn)輸單元，如此循環(huán)完成退機(jī)工序；成套系統(tǒng)平移至下一個(gè)采硐進(jìn)行開采作業(yè)。EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫煤回采成套技術(shù)裝備如圖2。

圖2 EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫煤回采成套技術(shù)裝備

3 邊幫煤回采成套技術(shù)裝備主要技術(shù)參數(shù)

EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫煤回采成套技術(shù)裝備主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫煤回采成套技術(shù)裝備主要技術(shù)參數(shù)

4 EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫煤回采關(guān)鍵技術(shù)

4.1 煤柱設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

根據(jù)礦屬地質(zhì)地層情況，設(shè)計(jì)采用單硐寬度為3.3 m，煤柱寬度為1.5～2.0 m。計(jì)算截割寬度、支撐煤柱寬度和永久煤柱寬度。一般來說，支撐煤柱寬度是截割寬度的70 %，永久煤柱按照每隔10～20個(gè)礦硐留設(shè)1個(gè)，其寬度是支撐煤柱的2～3倍，這樣可以防止山體垮塌的多米諾骨牌效應(yīng)。但永久煤柱和支撐煤柱是經(jīng)過嚴(yán)格的受力分析和數(shù)學(xué)計(jì)算后才能確定[3-4]。

根據(jù)Wilson條帶煤柱寬度設(shè)計(jì)方程：

式中：K為安全系數(shù)，一般取0.5；L1為煤柱寬度，m；L2為采出寬度，m；h為采高，m；H為采深，m。

為了開采安全及開采工藝布置，一般在每隔10～ 20個(gè) 支撐煤柱布置永久隔離煤柱。永久煤柱雖然對(duì)回采率降造成一定影響，但大大降低了危險(xiǎn)系數(shù)，降低了風(fēng)險(xiǎn)造成的損失。煤柱布置示意圖[5]如圖3。

圖3 煤柱布置示意圖

4.2 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫壓煤采掘運(yùn)輸過程中以嵌入式控制器PC-Based為基礎(chǔ)，對(duì)連續(xù)采煤機(jī)及其后配套工作過程中的自身工況參數(shù)、位姿及狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、邏輯控制策略等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)信息的可視化遠(yuǎn)程傳輸，達(dá)到對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制。連續(xù)采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)視和可視化的關(guān)鍵技術(shù)在于信號(hào)采集和遠(yuǎn)距離通訊技術(shù)。在連續(xù)采煤機(jī)處布置圖像、電流、電壓、溫度、距離、速度、角度等傳感器元部件，可獲取全面的連續(xù)采煤機(jī)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，通過植入連續(xù)采煤機(jī)主電纜內(nèi)部的信號(hào)傳輸線可將上述信號(hào)完整、可靠的傳到控制器PC-Based。連續(xù)采煤機(jī)邊幫開采系統(tǒng)通過長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠，能夠滿足成套系統(tǒng)的控制運(yùn)行要求。

4.3 慣性導(dǎo)航技術(shù)

連續(xù)采煤機(jī)是邊幫開采系統(tǒng)的“龍頭”裝備，其中的關(guān)鍵技術(shù)包含連續(xù)采煤機(jī)的自動(dòng)定位和智能導(dǎo)向技術(shù)。在此之前，連采機(jī)或者掘進(jìn)機(jī)用于露天煤礦邊幫開采工藝中，設(shè)備導(dǎo)航都是依靠采硐口安裝1個(gè)激光儀，人工識(shí)別激光儀在煤壁上投射的光斑而操作設(shè)備縱深掘進(jìn)作業(yè)。此技術(shù)受巷道內(nèi)粉塵污染干擾大和巷道傾角和斷層起伏等影響大，僅能維持設(shè)備在較淺采硐內(nèi)施工作業(yè)。關(guān)鍵一點(diǎn)，該技術(shù)不能構(gòu)成數(shù)據(jù)反饋閉環(huán)控制，不能實(shí)現(xiàn)連采機(jī)的自主截割功能。利用慣性導(dǎo)航技術(shù)，連采機(jī)在進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)過程中，能夠檢測(cè)自身的位姿并且能夠隨時(shí)調(diào)整行走機(jī)構(gòu)，使機(jī)身的位置和行進(jìn)方向與巷道設(shè)計(jì)參數(shù)精準(zhǔn)匹配?；谕勇輧x的慣性導(dǎo)航技術(shù)恰能夠完成此項(xiàng)技術(shù)功能，該技術(shù)可確定連采機(jī)的航向角、俯仰角和橫滾角，進(jìn)一步達(dá)到數(shù)據(jù)反饋閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)連采機(jī)自主截割功能[6-8]。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點(diǎn)：①隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；②可全天候、全球、全時(shí)間的工作于礦井巷道中；③能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；④數(shù)據(jù)更新率高、精度高和穩(wěn)定性好；⑤連采機(jī)邊幫系統(tǒng)應(yīng)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動(dòng)截割、自主巡航。

4.4 巷道充填技術(shù)

充填開采技術(shù)是目前煤礦綠色開采技術(shù)的重要組成部分，其對(duì)巖層擾動(dòng)小，具有控制巖層移動(dòng)和地表沉陷的作用，是解決煤礦開采環(huán)境問題和“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）壓煤?jiǎn)栴}的有效途徑。對(duì)露天礦邊幫已采采硐進(jìn)行充填處理后，即可增加邊幫穩(wěn)定性，又可對(duì)遺留安全煤柱進(jìn)行再次回收開采。保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，提高了資源回收率。充填開采技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，是邊幫開采一個(gè)重要的技術(shù)發(fā)展方向[9-10]。

5 應(yīng)用實(shí)例

伊金霍洛旗華能井露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。該礦資源儲(chǔ)量較大，煤層賦存穩(wěn)定、埋藏較淺、構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層近水平、露天可采煤層2層、厚度較大、煤質(zhì)較好、發(fā)熱量高，工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，適宜中小型露天礦的建設(shè)和開發(fā)，同時(shí)由于邊幫壓覆資源量大，適宜采用邊幫煤回收工藝。設(shè)備配套為EML340型連續(xù)采煤機(jī)配套連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)（連續(xù)運(yùn)輸單元）、控制中心、防護(hù)棚架等。每班作業(yè)3～4人即可完成采煤和維修工作。設(shè)備操作：人員通過觸摸屏的人機(jī)界面操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程遙控操作。成套設(shè)備具有遇險(xiǎn)自救能力，遇設(shè)備故障、頂板冒落等險(xiǎn)情后，成套設(shè)備可自行拖拽出硐，人員無需進(jìn)硐維護(hù)操作救援。沿井田邊界采深可達(dá)150 m以上，平均月產(chǎn)原煤達(dá)到5萬t以上，資源回收率可達(dá)60 %～ 70 %。

華能井露天煤礦開采現(xiàn)狀，采出寬度3.3 m，3#煤平均采高即為其平均厚度4.25 m，平均采深36.90 m；4#煤平均采高4.22 m，平均采深77.20 m。由式（1）計(jì)算得到的邊幫預(yù)留煤柱寬度計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 邊幫預(yù)留煤柱寬度計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

為了開采安全及開采工藝布置，3#煤煤柱寬度取1.5 m，4#煤取2.5 m；根據(jù)國(guó)外邊幫開采經(jīng)驗(yàn)，每隔10～20個(gè)煤柱，留設(shè)1個(gè)永久煤柱。設(shè)計(jì)選取每隔20個(gè)煤柱留設(shè)1個(gè)永久煤柱，永久煤柱寬度為5.0 m。

6 結(jié)語

通過EML340型連續(xù)采煤機(jī)邊幫壓煤采掘的長(zhǎng)期研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累證明，EML340型連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行露天礦邊幫煤資源回采是可行的，且是一種綠色、安全、高效的開采方式，對(duì)提高煤炭資源的利用率有著積極和重要的作用。但現(xiàn)有EML340型連續(xù)采煤機(jī)及后配套裝備還存在設(shè)備功能不完善、安全性、可靠性不高，成套設(shè)備集成化、智能化方面比較欠缺等問題。必須對(duì)EML340型連續(xù)采煤機(jī)為龍頭的邊幫開采成套技術(shù)裝備的深入研究。