宋明江

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

近年來，我國露天煤礦生產與建設快速發(fā)展，露天礦年產量突破5～6億t，約占年煤炭總產量的15 %，邊幫壓煤總量已達到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造成大量的資源浪費；如果開溝或采坑不能及時回填或內排，就會造成嚴重的環(huán)境污染和破壞。露天礦邊幫煤開采技術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，基本不會對環(huán)境和其它資源造成不良影響，可取得很好的經濟效益。國外對邊幫煤資源回收開采有著成熟的工藝及技術裝備，國內對邊幫煤回收開采技術研究相對滯后。多數壓煤形成棄采，即或開采也僅是靠炮采、掘進機開采等方式，效率低、安全性差，形成極大的資源浪費和環(huán)境破壞。在這種形勢的推動下，實現露天礦邊幫煤現代化開采己成為人們關注的問題。通過對國外該領域先進技術裝備的研究和消化，在此基礎上開發(fā)創(chuàng)造符合我國生產工藝的新技術、新裝備，對提高邊幫煤開采的回收率，減少不可再生資源的浪費程度有著積極和重要的意義。

1 基于EML340型連續(xù)采煤機的邊幫煤回采技術

2011年開始，山西天地煤機裝備有限公司利用連續(xù)采煤機在內蒙古鄂爾多斯地區(qū)進行邊幫壓煤的回收開采技術研究和試驗。截至2019年，共計有6套設備在現場使用，最終取得了豐富的科研成果及經濟效益。實踐證明，利用EML340型連續(xù)采煤機進行露天礦邊幫煤開采具有可行性。采用連續(xù)采煤機成套技術裝備進行邊幫開采，結合傳統(tǒng)邊幫開采工藝的技術優(yōu)點，實現邊幫煤安全、高效、綠色開采，具有靈活機動、用人少、成本低的優(yōu)勢，且日常維護簡單、生產效率高。用連續(xù)采煤機結合配套轉載運輸系統(tǒng)進行邊幫煤開采，最大的技術優(yōu)勢就是采硐內實現無人化，基本避免了因人員進入無支護處理的空頂區(qū)域而帶來的危險。所以，用連續(xù)采煤機進行邊幫煤的開采，是一種高效、安全、綠色的開采工藝及技術。但是，井工用連續(xù)采煤機用作露天礦邊幫煤開采，也存設備針對性、專業(yè)性不強，井工型連續(xù)采煤機不能完全適應露天礦環(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裝備有限公司在露天礦邊幫煤開采方面的經驗積累，已經掌握大量連續(xù)采煤機邊幫煤開采的理論數據和經驗規(guī)律。這些經驗和理論知識可以很好的為露天礦邊幫煤資源回采的技術研究提供有力的技術儲備和支持。

2 EML340型連續(xù)采煤機邊幫煤回采設備配套

由于露天礦戶外極限條件下的施工環(huán)境和相對不完善的配套體系。EML340型連續(xù)采煤機應用在露天礦邊幫煤回采作業(yè)時還需要進行改造設計，配套獨立的內循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，滿足整機的電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的冷卻要求。邊幫煤回采作業(yè)，采硐內不需要錨桿支護，人員不能進入硐內操作，所以連續(xù)采煤機必須要具備遠程控制功能。配套內循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的EML340型連續(xù)采煤機如圖1。

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

EML340型連續(xù)采煤機用做邊幫煤回采，設備配套有連續(xù)運輸系統(tǒng)（由連續(xù)運輸單元組成，單個運輸單元長度20 m），控制中心、防護棚架等部分設備組成。作業(yè)流程為連續(xù)采煤機向硐內采掘完成1個運輸單元的采深后，運輸系統(tǒng)補充增加1個運輸單元，如此循環(huán)向縱深推進；連續(xù)采煤機邊幫成套系統(tǒng)完成1個采硐后設備往外退機，系統(tǒng)退出1個運輸單元，拆除1個運輸單元，如此循環(huán)完成退機工序；成套系統(tǒng)平移至下一個采硐進行開采作業(yè)。EML340型連續(xù)采煤機邊幫煤回采成套技術裝備如圖2。

圖2 EML340型連續(xù)采煤機邊幫煤回采成套技術裝備

3 邊幫煤回采成套技術裝備主要技術參數

EML340型連續(xù)采煤機邊幫煤回采成套技術裝備主要技術參數見表1。

表1 EML340型連續(xù)采煤機邊幫煤回采成套技術裝備主要技術參數

4 EML340型連續(xù)采煤機邊幫煤回采關鍵技術

4.1 煤柱設計與計算分析

根據礦屬地質地層情況，設計采用單硐寬度為3.3 m，煤柱寬度為1.5～2.0 m。計算截割寬度、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個礦硐留設1個，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。但永久煤柱和支撐煤柱是經過嚴格的受力分析和數學計算后才能確定[3-4]。

根據Wilson條帶煤柱寬度設計方程：

式中：K為安全系數，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 支撐煤柱布置永久隔離煤柱。永久煤柱雖然對回采率降造成一定影響，但大大降低了危險系數，降低了風險造成的損失。煤柱布置示意圖[5]如圖3。

圖3 煤柱布置示意圖

4.2 遠程控制技術

EML340型連續(xù)采煤機邊幫壓煤采掘運輸過程中以嵌入式控制器PC-Based為基礎，對連續(xù)采煤機及其后配套工作過程中的自身工況參數、位姿及狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、邏輯控制策略等數據實現遠程傳輸、遠程控制，實現信息的可視化遠程傳輸，達到對設備的遠程集中控制。連續(xù)采煤機遠程控制、遠程監(jiān)視和可視化的關鍵技術在于信號采集和遠距離通訊技術。在連續(xù)采煤機處布置圖像、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)采煤機相關的數據信息，通過植入連續(xù)采煤機主電纜內部的信號傳輸線可將上述信號完整、可靠的傳到控制器PC-Based。連續(xù)采煤機邊幫開采系統(tǒng)通過長期的現場使用驗證，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數據傳輸可靠，能夠滿足成套系統(tǒng)的控制運行要求。

4.3 慣性導航技術

連續(xù)采煤機是邊幫開采系統(tǒng)的“龍頭”裝備，其中的關鍵技術包含連續(xù)采煤機的自動定位和智能導向技術。在此之前，連采機或者掘進機用于露天煤礦邊幫開采工藝中，設備導航都是依靠采硐口安裝1個激光儀，人工識別激光儀在煤壁上投射的光斑而操作設備縱深掘進作業(yè)。此技術受巷道內粉塵污染干擾大和巷道傾角和斷層起伏等影響大，僅能維持設備在較淺采硐內施工作業(yè)。關鍵一點，該技術不能構成數據反饋閉環(huán)控制，不能實現連采機的自主截割功能。利用慣性導航技術，連采機在進行巷道掘進作業(yè)過程中，能夠檢測自身的位姿并且能夠隨時調整行走機構，使機身的位置和行進方向與巷道設計參數精準匹配?；谕勇輧x的慣性導航技術恰能夠完成此項技術功能，該技術可確定連采機的航向角、俯仰角和橫滾角，進一步達到數據反饋閉環(huán)控制，實現連采機自主截割功能[6-8]。

慣性導航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點：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)角數據，所產生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低；④數據更新率高、精度高和穩(wěn)定性好；⑤連采機邊幫系統(tǒng)應用慣性導航系統(tǒng)可實現整機自動截割、自主巡航。

4.4 巷道充填技術

充填開采技術是目前煤礦綠色開采技術的重要組成部分，其對巖層擾動小，具有控制巖層移動和地表沉陷的作用，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）壓煤問題的有效途徑。對露天礦邊幫已采采硐進行充填處理后，即可增加邊幫穩(wěn)定性，又可對遺留安全煤柱進行再次回收開采。保護了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，提高了資源回收率。充填開采技術的發(fā)展和應用，是邊幫開采一個重要的技術發(fā)展方向[9-10]。

5 應用實例

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

華能井露天煤礦開采現狀，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）計算得到的邊幫預留煤柱寬度計算參數及計算結果見表2。

表2 邊幫預留煤柱寬度計算參數及計算結果

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；根據國外邊幫開采經驗，每隔10～20個煤柱，留設1個永久煤柱。設計選取每隔20個煤柱留設1個永久煤柱，永久煤柱寬度為5.0 m。

6 結語

通過EML340型連續(xù)采煤機邊幫壓煤采掘的長期研究和實踐經驗積累證明，EML340型連續(xù)采煤機進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，對提高煤炭資源的利用率有著積極和重要的作用。但現有EML340型連續(xù)采煤機及后配套裝備還存在設備功能不完善、安全性、可靠性不高，成套設備集成化、智能化方面比較欠缺等問題。必須對EML340型連續(xù)采煤機為龍頭的邊幫開采成套技術裝備的深入研究。