何富連，王曉明，張廣超，謝生榮，王 歡，高 升

（中國礦業(yè)大學 （北京）資源與安全工程學院，北京 100083）

我國煤炭儲量大且賦存多樣化，其中薄煤層可采儲量約為60多億t，約占全國煤炭總儲量的19%，但其采出量卻不足總儲量的10%［1－2］。薄煤層開采技術(shù)與煤炭開采技術(shù)的發(fā)展不同步致使薄煤層綜合機械化開采水平較低［3］，使得薄煤層工作面單產(chǎn)低、經(jīng)濟效益差、開采速度緩慢，進而影響了其下部中厚或厚煤層的開采，使工作面不能正常接替，嚴重影響礦井的生產(chǎn)能力。神華集團海勃灣礦業(yè)有限責任公司老石旦煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)桌子山煤田西翼的老石旦礦區(qū)，井田面積約13.14km2，主采煤層為：9＃煤、12＃煤、16-1＃煤、16-4＃煤，其中12＃為薄煤層，其余為中厚煤層，均為焦煤。為了解決老石旦礦各煤層間的開采銜接問題，提高礦井生產(chǎn)能力，實現(xiàn)高效開采和礦井的可持續(xù)發(fā)展，在12＃煤層開采過程中，提出采用綜合機械化開采技術(shù)，本文以12＃薄煤層1208工作面為對象，對薄煤層綜合機械化開采技術(shù)進行研究。

1 老石旦礦薄煤層1208綜采面概況

1208工作面屬于二水平北三采區(qū)，走向長度為800m，傾向長度為150m，工作面面積為0.12km2，工業(yè)儲量201840t，可采儲量197803t，回采率98%。1208工作面地面標高為1208～1333m，井下位于北三井口西南，標高為890～925m，工作面東南部為未采完的1206工作面，已留作北三采區(qū)風井煤柱，其西南及西北均為未開采的實體煤。工作面煤層厚度為0.6～1.4m，平均厚度為1.2m，煤層傾角為5°～15°，平均傾角為8°，該煤層具有煤塵爆炸性，有自燃傾向，為二類自燃煤層，煤層可采指數(shù)為1。工作面頂板破碎，存在0～0.1m厚的泥巖偽頂，直接頂為砂頁巖，厚度為1.8m，老頂為細砂巖，厚度為10m，直接底為細砂巖，厚度為1.88m，老底為砂頁巖，厚度為7.11m；工作面內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單，只在局部出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象，不會有大的涌水，最大涌水量0.85m3/min，正常涌水量0.5m3/min。

2 1208綜采面開采特點及技術(shù)要求

1）現(xiàn)有薄煤層開采設(shè)備比較落后，薄煤層液壓支架的最小高度無法滿足該煤層最小厚度［4］，因此支架選型時主要依據(jù)煤層最大厚度進行選取，并盡可能考慮選取支架支撐高度范圍大的液壓支架。

2）采煤機對整機的結(jié)構(gòu)提出了更強更高的要求，截煤部的結(jié)構(gòu)強度與截割功率要求較高，采煤機要有較高的整體結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，以滿足薄煤層開采的特點［5］。

3）輸送機要求中部槽高度要低，輸送機的寬度應(yīng)與采煤機寬度配套，保證輸送機的縱向重心線與采煤機重心線吻合，避免割煤引起的震動使配套設(shè)備工作不穩(wěn)定［6］。

4）上下順槽斷面較大，均沿煤層底板掘進，巷道斷面必須滿足綜采設(shè)備的運輸要求，對工作面兩巷道成形質(zhì)量要求高，要求兩巷底板平整，挖頂部分的巷幫不得嚴重超挖，巷道成形須平整。

5）薄煤層開采空間小，工作面環(huán)境差，設(shè)備使用維護困難，綜合機械化開采技術(shù)雖然降低了作業(yè)勞動強度，但作業(yè)難度系數(shù)卻增加了。

3 老石旦礦薄煤層綜合機械化開采技術(shù)

3.1 薄煤層綜采配套設(shè)備選型

工作面產(chǎn)量為30萬～40萬t/a，主要參數(shù)如表1所示，研究國內(nèi)薄煤層綜采設(shè)備配套技術(shù)及高產(chǎn)高效開采方法［7－10］，并對“三機”廠家設(shè)備可靠性進行現(xiàn)場調(diào)研，依據(jù)老石旦礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定液壓支架額定工作阻力為2600kN，支撐高度為0.7～1.6m，對采煤機、輸送機進行配套選型，最終確定適合老石旦礦的薄煤層開采的“三機”設(shè)備。

綜采面中部選用ZY2600/07/16型掩護式液壓支架（端頭選用ZYG3200/12/25型端頭支架）；采煤機選用 MG100/238-BWD型薄煤層非機載交流電牽引采煤機；輸送機選用SGZ-630/320型刮板輸送機?！叭龣C”設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表2～4所示。

根據(jù)工作面“三機”設(shè)備型號及實際生產(chǎn)條件，確定薄煤層綜采其它主要配套設(shè)備如表5所示。

表1 工作面主要參數(shù)

表2 ZY2600/07/16型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

表3 MG100/238-BWD型采煤機主要技術(shù)參數(shù)

表4 SGZ-630/320型刮板輸送機主要技術(shù)參數(shù)

表5 綜采面其他主要配套設(shè)備

3.2 薄煤層綜采面“三機”配套

3.2.1 綜采面“三機”幾何關(guān)系配套

老石旦煤礦薄煤層綜采面的采煤機、刮板輸送機和液壓支架間的配套尺寸關(guān)系如圖1所示。

3.2.2 “三機”性能及生產(chǎn)能力配套

“三機”性能配套主要解決各設(shè)備性能間互相制約的問題，從而充分發(fā)揮設(shè)備性能，以滿足生產(chǎn)的需要。“三機”生產(chǎn)能力配套工作面生產(chǎn)能力取決于采煤機落煤能力，而工作面輸送機、液壓支架和其它設(shè)備的生產(chǎn)能力都要大于采煤機的生產(chǎn)能力。根據(jù)前面的計算及設(shè)備的初步選型，各設(shè)備的生產(chǎn)能力如表6所示。

圖1 薄煤層綜采面“三機”配套關(guān)系圖

表6 設(shè)備生產(chǎn)能力表/（t/h）

可以看出，按運煤方向，其生產(chǎn)能力基本上按“喇叭口”形式擴展，雖然膠帶輸送機的運輸能力略小于刮板輸送機的運輸能力，但其大于采煤機的割煤能力，依據(jù)調(diào)研的薄煤層礦井的實際生產(chǎn)情況，基本上可以滿足配套要求，能實現(xiàn)煤流的順暢。

3.3 薄煤層綜合機械化采煤工藝

1）1208綜合機械化工作面采用走向長壁后退式開采方式，垮落法管理頂板，平均采高為1.2m，循環(huán)進尺長度為0.6m，工作面采用“三八”制作業(yè)組織方式，其中兩班生產(chǎn)，一班檢修。

2）采煤機采用斜切進刀方式，下行單向割煤，進刀位置為工作面中部頂板較好處，往返一次進一刀，斜切進刀段長度為20m，其牽引速度大于或等于6m/min，滯后采煤機中心12m左右開始移架支護頂板，在采煤機割煤速度較小時，支架的移架方式采用單架依次順序移架，當移架滯后采煤機距離過大時，采用分組間隔交錯式移架方式。

3）采煤工藝流程為：采煤機下行割煤到機頭后，返空刀清理底煤，隨采煤機上行，滯后采煤機15～20m及時將工作面溜子推向煤壁，溜子彎曲不得小于15m，溜子移直、垂直彎曲程度不得大于3°，每次移過0.6m。工作面割煤結(jié)束后，對工作面設(shè)備進行檢查維修，為下循環(huán)做準備。

4 工程應(yīng)用效果分析

4.1 開機率

對現(xiàn)場1208薄煤層綜采工作面進行跟班調(diào)查，統(tǒng)計記錄采煤機開機率影響因素及其時間，統(tǒng)計結(jié)果表明采煤機的平均開機率約為49%。分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)知1208薄煤層綜采面生產(chǎn)過程中可變因素是影響采煤機開機率的首選因素，其中膠帶運輸機及電氣設(shè)備的故障影響的時間長達720min，占總事故時間29.5%，斷層的故障影響時間達529min，占總事故時間21.6%，其他的故障影響時間達652min，占總事故時間26.7%。薄煤層綜采面提高采煤機開機率，保證單產(chǎn)水平穩(wěn)定提高的關(guān)鍵是要降低斷層、膠帶輸送機、電器設(shè)備及其他故障等事故的影響時間；而工作面“三機”設(shè)備的低故障率則表明薄煤層綜采面設(shè)備選型合理，“三機”配套良好，依據(jù)前面的采煤機選型設(shè)計，采煤機班平均開機率達49%，每天只需兩班生產(chǎn)，即可滿足30萬t/a的設(shè)計生產(chǎn)能力，符合選型設(shè)計要求。

4.2 支架工作阻力

在工作面5＃支架、25＃支架、50＃支架、75＃支架、95＃支架布置測站進行礦壓觀測。礦壓觀測數(shù)據(jù)表明，工作面上、中、下三部分液壓信息變化不大，1208工作面支架液壓信息及冒頂片幫變化特征如圖2所示。通過分析工作面支架立柱液壓數(shù)據(jù)知，工作面支架平均初撐力1051kN，僅達到額定初撐力的48.1%，以后的開采過程中應(yīng)切實提高支架實際初撐力。老頂初次來壓步距36.8m，來壓期間端面冒頂、片幫較嚴重中，支架平均載荷2230kN，動載系數(shù)1.52。周期來壓步距為15.3m，來壓期間支架平均載荷2050kN，動載系數(shù)1.39。礦壓觀測結(jié)果說明支架在工作過程中的液壓信息經(jīng)常在自身額定工作阻力以下，從支架測站平衡千斤頂?shù)囊簤簲?shù)據(jù)來看，千斤頂?shù)囊簤簲?shù)值在合理的范圍之內(nèi)，支架能夠滿足薄煤層工作面的支護需求。

圖2 1208工作面支架液壓信息及冒頂片幫變化特征

4.3 效益分析

老石旦礦1208薄煤層綜合機械化采煤技術(shù)與普通機械化采煤工藝相比，提高了單產(chǎn)和人工效率，減少了人力資源使用。在產(chǎn)量方面由原來的15萬～20萬t提升至30萬～40萬t，比采用普采多出15萬～20萬t煤；在年產(chǎn)量相等的情況下人工使用量相應(yīng)每年減少59823個，可減少人工費用300萬元。綜采與普采相比不用使用塑料網(wǎng)護頂、不使用竹笆護頂和擋巖，坑木的投入量也大幅度減小，減少了材料的投入，降低噸煤生產(chǎn)成本，據(jù)測算共節(jié)省材料費用為83萬元。采用薄煤層綜采后，工作面單產(chǎn)按照每噸煤平均利潤160元計算，可多獲得經(jīng)濟效益2400萬～3200萬元。

5 結(jié)論

老石旦礦薄煤層綜采面配套設(shè)備選型滿足工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件要求，為薄煤層綜合機械化開采技術(shù)的成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，該項技術(shù)成功解決了老石旦煤礦12＃煤層與其下位中厚煤層開采間的銜接問題，有利于煤炭資源保護和利用，對延長老石旦煤礦開采壽命和實現(xiàn)高效開采具有重要意義。

［1］盛國軍，孫啟生，宋華嶺.薄煤層綜采的綜合創(chuàng)新技術(shù)［J］.煤炭學報，2007，32（3）：230-234.

［2］陳鋼.薄煤層開采綜述和神府東勝煤田薄煤層開采［J］.煤炭科學技術(shù)，2007，35（5）：5-9.

［3］楊立超.DBT全自動化刨煤機技術(shù)和我國的薄煤層開采［J］.煤炭科學技術(shù)，2003，31（8）：51-54.

［4］田成金.薄煤層自動化工作面關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.煤炭科學技術(shù)，2011，39（8）：83-86.

［5］喬紅兵，吳淼，胡登高.薄煤層開采綜合機械化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.煤炭科學技術(shù)，2006，34（2）：1-5.

［6］劉錦榮.大同礦區(qū)薄煤層綜采設(shè)備配套與開采實踐［J］.煤炭科學技術(shù)，2011，39（11）：40-43.

［7］敬毅，邱亮亮，劉寧寧.關(guān)于薄煤層開采的現(xiàn)行經(jīng)驗及其發(fā)展問題的探索［J］.山東煤炭科技，2009（2）：178-179.

［8］苗青.薄煤層開采設(shè)備技術(shù)探討［J］.河北能源職業(yè)技術(shù)學院學報，2007，7（12）：33-43.

［9］馮慶全，宋天成，王振坤.薄煤層綜合機械化成套設(shè)備的研制與實踐［J］.山東煤炭科技，2004（4）：1-2.

［10］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］.煤炭科學技術(shù)，2005，33（6）：65-67.