王彪謀，侯 剛，張金虎，南海云

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.神木匯森涼水井礦業(yè)有限責任公司，陜西 神木 719300)

薄煤層工作面綠色、安全、高效開采一直是世界難題，我國薄煤層儲量豐富，但儲采比嚴重失衡。薄煤層開采安全作業(yè)空間狹小，作業(yè)人員爬行困難，開采裝備能力小，自動化水平低，不能滿足安全高效開采需要，目前在產(chǎn)量要求不高的中硬以下薄煤層逐步實現(xiàn)了機械化開采。堅硬薄煤層開采技術(shù)難度更高，刨煤機薄煤層開采要求煤層賦存條件簡單，起伏小、夾矸少、硬度不大，因應(yīng)用條件局限性大，目前很少采用。

陜北侏羅紀煤田屬典型堅硬薄煤層，煤體堅固性系數(shù)一般大于3。陜煤集團神南公司和陜能匯森公司涼水井煤礦聯(lián)合天地科技開采設(shè)計事業(yè)部對薄煤層智能化開采技術(shù)與裝備進行研發(fā)。調(diào)研分析認為，基于滾筒式采煤機的薄煤層綜采適應(yīng)能力強、穩(wěn)定性和可靠性高，因此，研發(fā)適應(yīng)堅硬薄煤層的智能化開采技術(shù)與裝備，提高薄煤層工作面截割能力、推進速度和生產(chǎn)能力，對實現(xiàn)薄煤層安全高效智能化開采是非常必要的。

1 陜北侏羅紀薄煤層賦存條件

陜北侏羅紀煤田涼水井煤礦4-3煤層埋深126～188m，煤層厚度0.8～1.5m；4-3煤頂板以細粒砂巖為主，局部為中粒砂巖和粉砂巖；煤層底板巖性以粉砂巖為主，局部為細粒砂巖或泥巖。陜北張家峁煤礦4-3煤，平均厚度1.28m，煤層賦存條件與涼水井煤礦相似。

2 薄煤層開采關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 薄煤層綜機裝備選型配套原則分析

薄煤層開采工作面受限于開采空間狹小限制大功率強截割能力裝備的布置，通過剖析薄煤層綜機裝備配套現(xiàn)狀及難題，確定適應(yīng)薄煤層的綜機裝備選型配套原則，有針對性的進行關(guān)鍵技術(shù)及裝備的創(chuàng)新。

目前，國內(nèi)外薄煤層綜采裝備不能滿足陜北侏羅紀煤田堅硬薄煤層的開采要求，主要原因是：

(1)薄煤層采煤機、刮板輸送機及液壓支架整體技術(shù)發(fā)展緩慢，能力小，自動化程度低，操作人員勞動強度大，安全性差。

(2)薄煤層采煤機裝機功率小，可靠性低，不適應(yīng)堅硬薄煤層開采。

(3)刮板輸送機功率小，鏈條強度低，運輸距離短。

(4)液壓支架和端頭支架、巷道超前支架配套銜接不完善，監(jiān)控系統(tǒng)元器件體積大，安裝位置不合理。

(5)工作面監(jiān)測監(jiān)控各系統(tǒng)智能化程度低，不能滿足薄煤層智能化開采要求。

薄煤層工作面裝備布置及工作環(huán)境見圖1。

圖1 薄煤層工作面裝備布置及工作環(huán)境

根據(jù)薄煤層賦存特點及現(xiàn)有裝備存在的問題，確定設(shè)備配套原則：

(1)增大采煤機裝機功率達到1000kW以上以適應(yīng)f≥3的堅硬薄煤層開采。

(2)在滿足過機和過煤空間基礎(chǔ)上，降低采煤機機面高度，優(yōu)化支架頂梁結(jié)構(gòu)，滿足最小采高1.1m，過機空間不小于200mm，過煤空間不小于250mm，生產(chǎn)能力達到1.0Mt以上。

(3)降低刮板輸送機槽幫高度，實現(xiàn)刮板輸送機大功率、矮槽幫、長運距、裝煤效果好。

(4)液壓支架適應(yīng)范圍大，工作阻力高，結(jié)構(gòu)件箱型厚度尺寸小，頂梁下面空間滿足安全作業(yè)標準要求。

(5)對工作面綜采設(shè)備、監(jiān)測監(jiān)控儀器的主要參數(shù)和性能進行優(yōu)化配套設(shè)計，對不同設(shè)備之間的通信協(xié)議、接口、系統(tǒng)兼容、控制層級等進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)配套，實現(xiàn)工作面有人巡視無人操作智能化開采。

2.2 工作面主要參數(shù)優(yōu)化確定

機采高度 影響機采高度確定的主要因素是煤層賦存條件和配套設(shè)備能力的最優(yōu)化發(fā)揮。根據(jù)對煤層賦存鉆孔資料統(tǒng)計分析，煤層厚度0.8～1.5m，其中1.1～1.4m煤厚約占80%，綜合考慮堅硬煤層所需采煤機大功率、矮機身、截割滾筒直徑及傳動星形輪的結(jié)構(gòu)布置和裝煤效果，確定截割高度為1.1～1.4m是最優(yōu)的，局部0.8～1.0m厚度的煤層通過臥底或挑頂開采。

工作面傾斜長度 適當增加工作面長度，是提高工作面產(chǎn)量的重要途徑，同時可以減少巷道掘進率，緩解采掘接續(xù)矛盾。但工作面太長會造成設(shè)備故障率高，管理維護困難。目前割煤高度約1.3m的薄煤層工作面長度一般為120～240m，割煤高度在1.5～2.0m左右的工作面長度達到240～300m以上，神東榆家梁和哈拉溝煤礦較薄煤層割煤高度約2m，工作面長度分別達到400m和450m。針對陜北侏羅紀堅硬薄煤層開采條件，調(diào)研分析國內(nèi)外礦井不同工作面長度的開采情況，通過優(yōu)化設(shè)計和核算刮板輸送機高強度圓環(huán)鏈的強度，在割煤高度1.1～1.4m時設(shè)備可滿足工作面長度300～350m。

3 薄煤層設(shè)備選型配套關(guān)鍵技術(shù)

3.1 薄煤層采煤機關(guān)鍵技術(shù)

采煤機結(jié)構(gòu)有正常布置和爬底板全懸布置兩種整機布置方式，通過調(diào)研分析其結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點，本項目所研制的MG450/1050-WD型大功率薄煤層電牽引采煤機整機采用半懸式機身+懸截割電機式搖臂的新型整機布置結(jié)構(gòu)，可有效解決機面高度、過煤空間和裝機功率三者之間的矛盾，同時保證整機重心不過于偏向煤壁側(cè)，提高采煤機的運行穩(wěn)定性。

MG450/1050-WD采煤機主要參數(shù)和特點為：

(1)滾筒截割功率為2×450kW，裝機總功率1050kW，與刮板機配套后機身高度不大于730mm，過煤高度約270mm。

(2)對采煤機滾筒安裝結(jié)構(gòu)型式、擋煤板結(jié)構(gòu)及機身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，裝煤效果好。

(3)首次應(yīng)用慣性導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)工作面設(shè)備自動找直。

(4)以采煤機記憶截割等先進技術(shù)為基礎(chǔ)，在自動截割過程中自動調(diào)高、臥底、加速、減速，滿足智能化開采要求。

3.2 大功率、矮槽幫、智能化刮板機運輸系統(tǒng)

研制適用于薄煤層智能化開采的新型刮板運輸機，功率3×400kW，設(shè)計運距350m，中部槽幫高225mm，配置φ34mm高強度扁平鏈條，實現(xiàn)了大功率、長運距、低矮型，滿足薄煤層配套要求；設(shè)計鏈條張緊自動伸縮機尾；研制新型可自動調(diào)高轉(zhuǎn)載機，配套滿足如圖2所示的薄煤層工作面沿頂破底大深度巷道的輸送機機頭與轉(zhuǎn)載機技術(shù)；采用軟啟動驅(qū)動系統(tǒng)和智能監(jiān)測、智能協(xié)調(diào)控制技術(shù)，實現(xiàn)測量刮板輸送機各階段、各部位的煤流量，進而根據(jù)煤機上行、下行采用不同的割煤速度保證煤機和刮板機的協(xié)調(diào)運行；基于產(chǎn)量需求、輸送機設(shè)備負荷、工作面環(huán)境等信息，開發(fā)運輸機智能決策調(diào)速、采煤機采高自動控制等功能，實現(xiàn)工作面煤流與負荷之間協(xié)調(diào)控制。保證最大限度發(fā)揮煤機效率，實現(xiàn)工作面最大生產(chǎn)效率。

圖2 工作面端頭設(shè)備搭接

3.3 液壓支架架型和主要技術(shù)參數(shù)確定

支架中心距 薄煤層支架中心距一般有1.5m和1.75m 2種。在滿足支架下井寬度、重量、最低高度的前提下，選用1.75m中心距，可提高支架穩(wěn)定性，并提高支架的移架跟機速度，減少液壓元件數(shù)量，提高設(shè)備可靠性。

支架高度 根據(jù)煤層賦存條件、采高和大缸徑立柱伸縮比、支架頂梁、底座及柱窩結(jié)構(gòu)等綜合考慮，設(shè)計支架最小高度0.9m，最大高度1.6m。

支護強度 液壓支架工作阻力的確定采用經(jīng)驗公式估算法、數(shù)值模擬法和經(jīng)驗類比法綜合確定。圖3為支架支護強度與頂板下沉量關(guān)系曲線，可以看出支護強度達到0.8MPa時，頂板下沉量出現(xiàn)拐點。由此可以確定支架支護強度應(yīng)不小于0.8MPa。

圖3 不同支護強度頂板下沉量數(shù)值分析

支架額定工作阻力F可按下式進行計算：

式中，P為支護強度；L為控頂距；B為支架中心距；η為支護效率。

將上述各參數(shù)代入計算，得：

通過綜合計算分析比較，建議支架的額定工作阻力為9000kN。

綜上計算分析，液壓支架型號為ZY9000/09/16D型兩柱掩護式液壓支架。

3.4 智能聯(lián)動集控與網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

煤礦工作面智能化開采，可減輕操作工人的勞動強度，改善和提高工作面總體質(zhì)量管理。以支架測高裝置、LASC信號接收裝置、無線通信裝置、人員感知裝置、電液及智能化系統(tǒng)等設(shè)備裝置精小化研發(fā)為前提，以基于自動找直、記憶截割、高可靠性遠程控制采煤機系統(tǒng)；基于智能負荷控制的刮板運輸系統(tǒng)；基于高可靠性的電液控制系統(tǒng)；基于千兆無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；基于高可靠性智能集中控制系統(tǒng)；基于多數(shù)據(jù)融合聯(lián)動技術(shù)的故障診斷及系統(tǒng)維護功能為基礎(chǔ)；以工作面人員識別系統(tǒng)、頂板壓力檢測系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，光纖測溫系統(tǒng)和工作面視頻系統(tǒng)為保障；以工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)為通道，應(yīng)用各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對工作面各系統(tǒng)生產(chǎn)邏輯關(guān)系進行技術(shù)協(xié)調(diào)，實現(xiàn)智能工作面與工作面動力中心、礦井人員定位系統(tǒng) 、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、礦井煤流運輸系統(tǒng)、通信調(diào)度電話系統(tǒng)、巷道和全礦井礦壓觀測系統(tǒng)、光纖測溫系統(tǒng)、巷道和全礦井降塵系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的聯(lián)動運行與智能控制。以高端集控設(shè)備為平臺，井下集控和地面遠程控制中心,建設(shè)主動感知、自動分析、智能處理的安全、高效、綠色開采的智能綜采工作面。

4 結(jié)束語

近年來，煤炭價格合理穩(wěn)定，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟分析認為，研制1.1～1.4m堅硬薄煤層開采技術(shù)與裝備，少采矸石保證煤質(zhì)，開采陜北侏羅紀薄煤層可取得良好的經(jīng)濟效益。薄煤層開采裝備首先要保證配套設(shè)備參數(shù)合理，通過合理提高裝備能力提高設(shè)備適應(yīng)性和可靠性，要采用先進的信息化、智能化監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)和故障診斷預(yù)報技術(shù)，從而實現(xiàn)工作面有人巡視無人操作常態(tài)化運行，是薄煤層開采的發(fā)展方向，也是實現(xiàn)現(xiàn)代化礦井的必由之路。