張 磊

(中煤科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

我國薄煤層分布廣、煤質(zhì)好，保有資源儲量約3500億t，約占全國保有資源量的20%。但存在賦存不穩(wěn)定、開采難度大、經(jīng)濟(jì)效益低、設(shè)備適用性差等問題，開采煤量比例不斷下降，目前薄煤層產(chǎn)量僅占全國產(chǎn)量的7%左右。近年來由于煤炭易采資源減少、資源稅改革等原因，優(yōu)質(zhì)薄煤層資源日益受到重視，薄煤層工作面開采拓寬了煤炭開采的空間，推動了煤炭生產(chǎn)“清潔低碳”。本文結(jié)合小保當(dāng)二號礦井薄煤層開采技術(shù)條件，分析了滾筒采煤機(jī)、刨煤機(jī)、“黑龍”系統(tǒng)三種主要薄煤層采煤設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，最終選擇采用“黑龍”系統(tǒng)作為小保當(dāng)二號礦井薄煤層綜采裝備，為實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采工作面安全高效智能化開采提供技術(shù)參考[1，2]。

1 礦井概況

小保當(dāng)二號礦井位于神木縣大保當(dāng)鄉(xiāng)，屬于榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力13.00Mt/a。劃定的井田范圍東西長15.0km，南北寬8.4km，面積122.47km2。地質(zhì)資源量2447.10Mt，設(shè)計(jì)可采儲量1354.28Mt，服務(wù)年限74.4a。礦井煤層為傾角不足1°的單斜構(gòu)造，低瓦斯，煤塵有爆炸危險(xiǎn)性，煤層易自燃，頂?shù)装逯械确€(wěn)定，為以裂隙充水含水層為主的水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井。

礦井以一組“L”型大巷開拓全井田，由于禁采區(qū)的壓覆首采盤區(qū)為煤層厚度較薄的13盤區(qū)。該盤區(qū)位于井底車場東側(cè)，南北長約3.0km，東西寬4.8km，面積14.3km2，區(qū)內(nèi)可采煤層為1-1煤、2-2煤、2-2下煤和3-1煤，可采儲量65.34Mt。礦井煤層接續(xù)按由近至遠(yuǎn)、由上至下的順序依次回采，初期開采的煤層為最上部的1-1煤和2-2煤。1-1煤為延安組第五段頂部局部可采煤層，埋深209～354m，煤層厚度0.80～1.83m，平均煤層厚度1.16m，結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，設(shè)備配套能力1.5Mt。2-2煤層賦存于延安組第四段頂部，上距1-1煤約60m，煤層厚度1.47～4.48m，平均煤層厚度2.27m，多數(shù)含0～2層夾矸，為全區(qū)穩(wěn)定可采中厚煤層。

礦井地面涉及西南部的紅石峽水源地補(bǔ)給區(qū)、東北部的臭柏自然保護(hù)區(qū)和瑤鎮(zhèn)水庫水源地準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，礦井環(huán)評暫將各水源地壓覆區(qū)定為禁采區(qū)。礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評批復(fù)小保當(dāng)二號礦井為先期開采礦井，應(yīng)及時(shí)總結(jié)先期礦井開采的“保水采煤”實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在未能有效控制地下水資源環(huán)境前，暫緩礦區(qū)內(nèi)其他礦井的開發(fā)建設(shè)。故礦井的建設(shè)一方面為礦區(qū)內(nèi)其他礦井提供保水采煤經(jīng)驗(yàn)，另一方面對本礦井水源地壓覆資源的解放提供觀測數(shù)據(jù)。首采盤區(qū)內(nèi)煤層較薄，礦井不能達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，取得保水開采經(jīng)驗(yàn)進(jìn)入紅石峽水源地補(bǔ)給區(qū)壓覆的11盤區(qū)時(shí)才能達(dá)產(chǎn)。

2 采煤工藝選擇

2.1 盤區(qū)巷道布置

盤區(qū)巷道采取大巷式布置方式，即大巷兼作盤區(qū)巷道，利用開拓大巷直接布置回采工作面。為了開采2-2煤，在井田中部偏東沿南北方向布置一組煤層大巷，分別為2-2煤南翼輔助運(yùn)輸大巷、2-2煤南翼主運(yùn)大巷和兩條2-2煤南翼回風(fēng)大巷，大巷間距為40m。設(shè)計(jì)1-1煤與2-2煤聯(lián)合布置，在1-1煤與2-2煤大巷重疊布置一組半煤巖盤區(qū)輔助巷，分別為1-1煤南翼輔助運(yùn)輸巷、1-1煤南翼主運(yùn)巷和1-1煤南翼回風(fēng)大巷，大巷間距40m。1-1煤層綜采面主運(yùn)巷將煤轉(zhuǎn)載至1-1煤南翼主運(yùn)大巷，通過盤區(qū)集中溜煤眼運(yùn)至2-2煤南翼主運(yùn)大巷外運(yùn)。為了便于兩層煤之間的聯(lián)系，在盤區(qū)中部由2-2煤輔助運(yùn)輸大巷做一條聯(lián)絡(luò)巷至1-1煤輔助運(yùn)輸大巷。

礦井投產(chǎn)時(shí)分別在1-1煤和2-2煤布置1個(gè)工作面，兩工作面無壓茬關(guān)系。1-1煤薄煤層工作面兩巷采用三巷布置，兩進(jìn)一回，“U”型通風(fēng)，分別為輔助運(yùn)輸巷、主運(yùn)巷和回風(fēng)巷，下部為輔助運(yùn)輸巷，上部為回風(fēng)巷，主運(yùn)巷兼做進(jìn)風(fēng)巷布置在輔運(yùn)巷的內(nèi)側(cè)。采煤工作面由盤區(qū)邊界向大巷方向后退式回采。盤區(qū)巷道布置如圖1所示。

圖1 盤區(qū)巷道布置示意圖

2.2 薄煤層采煤工藝比選

根據(jù)開采技術(shù)條件各煤層均采用走向長壁與傾斜長壁相結(jié)合綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板[3，4]。結(jié)合1-1煤開采技術(shù)條件，適用的國內(nèi)外薄煤層綜采裝備簡述如下[5-8]。

2.2.1 刨煤機(jī)綜采

國際上利用刨煤機(jī)對薄煤層的開采已達(dá)較高水平，其工作面裝備的特點(diǎn)是機(jī)電智能一體化，采面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。刨煤機(jī)的技術(shù)水平已發(fā)展到采高0.6～3.0m，截深300mm，可刨煤硬度f=4，刨速3m/s，刨鏈Φ42mm，裝機(jī)功率2×800kW，鋪設(shè)長度300m。遼寧鐵法煤業(yè)公司小青礦自2000年全國第一家引進(jìn)全自動化刨煤機(jī)工作面開采工藝及裝備，先后創(chuàng)出了日產(chǎn)9188t和月產(chǎn)15.13萬t的成績。全自動化刨煤機(jī)系統(tǒng)引進(jìn)了原德國DBT采礦技術(shù)公司刨煤機(jī)、運(yùn)行軌道及電液控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，為工作面生產(chǎn)配套的其他設(shè)備均為國產(chǎn)。

由三一重裝、中國礦業(yè)大學(xué)及鐵法煤業(yè)集團(tuán)共同研制的國產(chǎn)全自動刨煤機(jī)成套設(shè)備于2010年下線并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，最大日進(jìn)尺8.5m，最大日產(chǎn)量3100t。目前為止，全自動化刨煤機(jī)系統(tǒng)在大同煤礦集團(tuán)公司、山西焦煤集團(tuán)公司都得到了較好的應(yīng)用。

2.2.2 滾筒式采煤機(jī)綜采

20世紀(jì)80年代以來，電牽引滾筒式采煤機(jī)的發(fā)展成就顯著，目前世界各國技術(shù)先進(jìn)的薄煤層滾筒式采煤機(jī)有：久益環(huán)球薄煤層7LS0采煤機(jī)、艾柯夫SL300L薄煤層采煤機(jī)等。與自動化、電液控制系統(tǒng)的發(fā)展相適應(yīng)，薄煤層滾筒采煤機(jī)在生產(chǎn)中取得了較好的應(yīng)用效果。例如，美國煤鋼聯(lián)BW50#煤礦，煤厚1.38m，工作面長度330m，創(chuàng)下日產(chǎn)原煤22310t的記錄，年產(chǎn)量159萬t。為適應(yīng)“一井一面”的高度集中化生產(chǎn)模式和煤礦生產(chǎn)集團(tuán)化管理模式，礦井自動化技術(shù)的發(fā)展使煤礦主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)自動檢測監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對綜采工作面和礦井運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等設(shè)備和礦井瓦斯、煤塵等安全參數(shù)的全自動化監(jiān)測和控制，如美國MSA公司DAN6400系統(tǒng)、德國BEBRO公司PROMOS系統(tǒng)等。

近年來，國內(nèi)薄煤層綜采設(shè)備的研制迅速發(fā)展，已生產(chǎn)出性能可靠的薄煤層滾筒式采煤機(jī)，與國產(chǎn)液壓支架配套使用取得了良好的效果。其中，大同礦務(wù)局晉華宮礦在20世紀(jì)90年代中期開始在1.3～1.5m厚的薄煤層試采，試采階段平均月產(chǎn)0.0733Mt，最高月產(chǎn)0.0955Mt，創(chuàng)造了國產(chǎn)機(jī)組同類條件下的最好成績。目前國產(chǎn)先進(jìn)的薄煤層滾筒采煤機(jī)有MG400/890-WD型等，基本可以滿足煤層厚度0.8～1.8m，煤質(zhì)中硬以下的緩傾斜薄煤層開采需求。21世紀(jì)以來，濟(jì)二、萬利、檸條塔、榆家梁等礦井在1.2～2.5m可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)100～200萬t，但在煤層厚度1.5m左右未見穩(wěn)產(chǎn)100萬t以上煤礦[9，10]。

2.2.3 “黑龍”系統(tǒng)綜采

波蘭研制出一套薄煤層綜采設(shè)備，簡稱“黑龍”系統(tǒng)，創(chuàng)造性地結(jié)合了采煤機(jī)和刨煤機(jī)開采的優(yōu)點(diǎn)，在煤層厚度0.85～1.7m的地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)。其特點(diǎn)是利用螺旋切割滾筒開采煤壁，利用切割滾筒螺旋片和擋煤板裝煤；采用刨煤機(jī)牽引結(jié)構(gòu)，工作面設(shè)備獨(dú)立安裝，控制系統(tǒng)設(shè)備和操作在工作面巷道進(jìn)行；螺旋切割滾筒驅(qū)動功率大，能切割煤質(zhì)硬度大、帶夾矸和褶曲的采面煤壁；切割頭機(jī)身為剛性整體結(jié)構(gòu)、過煤高度大，驅(qū)動器用過載軸保護(hù)，設(shè)備可靠性高；所有控制設(shè)備安裝在工作面巷道，減少采面操作人員；此外還設(shè)計(jì)電纜框架牽引系統(tǒng)、液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)、無拆卸驅(qū)動部傳動齒輪更換、大能力噴霧系統(tǒng)、預(yù)防故障系統(tǒng)等。波蘭國內(nèi)成功使用多套黑龍系統(tǒng)，在JAS-MOS礦布置長壁對拉工作面，單工作面長度200m，工作面錯(cuò)距9～12m，采高1.2～1.6m，橫向傾角8°～18°，縱向傾角0°～12°，日工作時(shí)間10h左右，年生產(chǎn)能力達(dá)到400萬t以上。該成套設(shè)備近幾年引進(jìn)國內(nèi)，目前神東煤炭集團(tuán)公司石圪臺煤礦已采購一套黑龍采煤系統(tǒng)用于薄煤層生產(chǎn)?！昂邶垺毕到y(tǒng)工作面采用雙向割煤，截割頭端部垂直進(jìn)入煤壁進(jìn)行回采，改變了傳統(tǒng)采煤機(jī)斜切進(jìn)刀方式，減少了三角煤回采時(shí)間，提高了工作效率。“黑龍”系統(tǒng)截割部設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 “黑龍”系統(tǒng)截割部設(shè)備布置示意圖

2.2.4 采煤工藝選擇

縱觀國內(nèi)外薄煤層采煤裝備發(fā)展情況，其主要發(fā)展趨勢是：采煤機(jī)裝機(jī)功率和截割功率越來越大，適應(yīng)范圍增加，強(qiáng)行通過不利地質(zhì)條件(斷層、夾矸、局部變窄、褶曲)的能力提高，有效地解決了空間有限的薄煤層安全高效開采問題；交流電牽引技術(shù)日益普及，電牽引傳動效率高、工作面可靠性高、使用可靠、維護(hù)方便，克服了液壓牽引系統(tǒng)抗污染性低、工作面可靠性差的缺點(diǎn)；多電機(jī)橫向布置解決了功率加大帶來的外形尺寸增加的問題，降低了機(jī)面高度和機(jī)身長度，傳動系統(tǒng)簡單，裝拆、維護(hù)方便，增強(qiáng)了采煤機(jī)對起伏的適應(yīng)性；強(qiáng)大的牽引力提高了輸送機(jī)對彎曲的適應(yīng)能力，使采煤機(jī)可適應(yīng)較大的傾角，采煤面更安全、可靠；采煤機(jī)向三維智能定位、煤巖界面自動識別等自動化、無人化技術(shù)發(fā)展；監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)更加完善，設(shè)備故障自診斷、自排除能力更加智能，機(jī)器運(yùn)行可靠。根據(jù)設(shè)備發(fā)展趨勢綜合分析以上3種綜采設(shè)備，其優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 薄煤層綜采設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)比較表

小保當(dāng)二號礦井1-1煤煤層傾角小、賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，要求生產(chǎn)能力大、快速解決壓茬關(guān)系，綜合比較更適于采用“黑龍”系統(tǒng)綜采裝備以簡化生產(chǎn)、提高自動化程度和勞動效率。但由于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)少，設(shè)備采購前應(yīng)進(jìn)行廣泛深入的調(diào)研，參考學(xué)習(xí)國外該系統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定詳細(xì)的采面配套方案以確保系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

2.3 綜采面主要設(shè)備

1)采煤機(jī)選用引進(jìn)的“黑龍”系統(tǒng)，適應(yīng)工作面長度260m，裝機(jī)總功率640kW，切割裝煤頭拉力為2×320kN，截深0.8m，橫扭矩條件下割煤速度11.3/27m/min，適應(yīng)煤層厚度0.85～1.7m，電壓3300V。

2)液壓支架中間架選用ZY9000/10/17D型兩柱掩護(hù)式，支撐高度1.0～1.7m，支護(hù)強(qiáng)度0.8～0.93MPa，中心距1.75m，工作阻力9000kN，初撐力7631kN，推移步距800mm，PM4電液控制系統(tǒng)。

3)根據(jù)環(huán)節(jié)能力配套，工作面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)各自的生產(chǎn)能力不小于采煤機(jī)最大生產(chǎn)能力?？紤]采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)同向運(yùn)動時(shí)的修正量，選用SGZ800/2×400型交叉?zhèn)刃妒焦伟遢斔蜋C(jī)，運(yùn)輸能力1000t/h，裝機(jī)功率2×400kW，刮板鏈速1.3m/s。轉(zhuǎn)載機(jī)選用SZZ800/250型，鏈速2.15m/s，運(yùn)輸能力1500t/h，額定電壓3300V，功率250kW。破碎機(jī)選用PCM160型，出口粒度小于300mm，破碎能力2000t/h，功率160kW。

4)除上述主要設(shè)備外，綜采面還配備BRW500/37.5 型乳化液泵站、BPW500/16 型噴霧泵站、巷道超前支架、巷道帶式輸送機(jī)自移裝置、排污排沙潛水電泵等設(shè)備。

2.4 工作面生產(chǎn)能力

薄煤層綜采工作面設(shè)計(jì)長度260m，開采高度1.25m，采煤機(jī)截深0.8m，機(jī)組日平均開機(jī)率85%，正常割煤速度按6m/min計(jì)算，綜采工作面日循環(huán)數(shù)21個(gè)，年推進(jìn)度達(dá)5300m，生產(chǎn)能力2.2Mt/a，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

3 結(jié) 語

我國薄煤層智能化開采取得了積極的進(jìn)展和成功的經(jīng)驗(yàn)，但在設(shè)備性能及適用性、高端設(shè)備制造、兩化深度融合水平上與國際先進(jìn)水平尚有差距?！昂邶垺毕到y(tǒng)作為一種集成創(chuàng)新產(chǎn)品為薄煤層綜采設(shè)備提供了積極的有益探索。投產(chǎn)成功后不僅有利于本礦薄煤層資源的開采，亦可為其他礦井提供有益的借鑒。