鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450010

我 國煤層厚度為 1.3 m 以下的薄煤層儲量約占全國煤炭總儲量的 20%，僅國有煤礦薄煤層儲量就超過 61.5 億 t，85% 以上的礦區(qū)均賦存有薄煤層[1]。薄煤層開采作業(yè)空間受限，配套難度大，智能化程度相對較低，制約了煤炭企業(yè)的生產(chǎn)接續(xù)和可持續(xù)發(fā)展。

當(dāng)前，我國煤炭行業(yè)正經(jīng)歷著由粗放經(jīng)營向精細(xì)化經(jīng)營轉(zhuǎn)變，開采工藝由機(jī)械化開采向智能化開采方向轉(zhuǎn)變。我國大型煤炭企業(yè)采煤機(jī)械化率從 2012 年的 81.5% 提升至 2019 年的 98.1%。截至 2019 年，全國在產(chǎn)煤炭井礦約 5 000 個，平均單井單面年產(chǎn)量為70 萬～ 80 萬 t，而美國、澳大利亞等國外煤礦單井單面年產(chǎn)量達(dá) 300 萬～ 400 萬 t，與國外相比，存在著巨大的差距[2-3]。

與國外單井單面產(chǎn)能差距較大的原因，一方面在于我國綜采裝備行業(yè)總體智能化發(fā)展仍處于初級階段，另一方面在于國外形成了由單一集團(tuán)提供成套裝備及智能化控制系統(tǒng)的能力，例如久益環(huán)球在井工綜采方面具有獨(dú)立成套供應(yīng)液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及自動控制技術(shù)方面的能力，通過合理配套和協(xié)同控制，將設(shè)備的性能最大化地發(fā)揮出來。而國內(nèi)綜采成套裝備仍以核心裝備供應(yīng)商配套為主，還未形成成套化裝備與智能化控制為一體的核心競爭優(yōu)勢[4-7]。因此，急需進(jìn)行薄煤層智能成套一體化綜采裝備的研究。

1 多廠家組合配套與成套一體化配套對比

多廠家組合配套一般由煤礦用戶牽頭，多家設(shè)備供應(yīng)商參與，溝通協(xié)調(diào)及管理復(fù)雜，配套時間長，效率低。成套一體化配套由單一廠家提供客戶需求的整體解決方案，完成“交鑰匙”工程，最大化降低客戶的風(fēng)險[8-9]。

與多廠家組合配套相比，成套一體化配套優(yōu)勢在于由單一廠家配套，配套時間短，用戶省心，系統(tǒng)整體平衡性更優(yōu)，生產(chǎn)完成后直接在廠內(nèi)完成聯(lián)調(diào)驗收并整改到位，到礦直接下井，可實現(xiàn)快速出煤。其劣勢在于對配套廠家的綜合要求比較高，需具備“三機(jī)”(液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)) 及自動化系統(tǒng)的研制能力。

2 薄煤層綜采工作面概況

為驗證智能成套一體化配套裝備的井下使用效果，并與多廠家組合配套進(jìn)行比對，選取了國內(nèi)某集團(tuán)同一開采煤層、相似地質(zhì)條件下的 2 個礦井進(jìn)行使用效果對比。

A 礦采用多廠家組合配套，B 礦采用單一廠家智能成套一體化配套，A、B 礦的地質(zhì)及賦存條件對比如表 1 所列。

表1 地質(zhì)及賦存條件對比Tab.1 Comparison of geological and occurrence conditions

3 “三機(jī)”和控制系統(tǒng)選型及參數(shù)對比

3.1 液壓支架

A 礦采用多廠家組合配套，配套支架為 X 廠家生產(chǎn)的 ZY6800/10/20D 型液壓支架；B 礦采用成套一體化配套，配套支架為鄭煤機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)的 ZY5200/09/21D 型液壓支架。A、B 礦所選支架的主要技術(shù)參數(shù)對比如表 2 所列。

理論計算和實際使用表明，2 種架型均能滿足該層煤開采的支護(hù)需要。A 礦所選架型支護(hù)強(qiáng)度富余較大，頂梁前部厚度為 176 mm，比 B 礦所選架型厚62 mm；A 礦架型所用推桿為常規(guī)箱體結(jié)構(gòu)，厚度為150 mm，B 礦架型所用推桿為扁平實體結(jié)構(gòu)，厚度僅為 80 mm。以上因素造成 A 礦所選支架質(zhì)量大、成本高，在相同配套下，最低采高適應(yīng)性稍差。

3.2 采煤機(jī)

A 礦配套采煤機(jī)為 Y 廠家生產(chǎn)的 MG2×250/1200-WD 型采煤機(jī)；B 礦采煤機(jī)由鄭煤機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)，型號為 MG2×200/930-WD。A、B 礦所選采煤機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)對比如表 3 所列。

表3 A、B 礦所選采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)對比Tab.3 Comparison of shearer adopted in colliery A and B in main technical parameters

由表 3 可知，A 礦配套的采煤機(jī)在裝機(jī)功率、牽引力、牽引速度等方面均具有明顯優(yōu)勢，但所選滾筒直徑較大，且機(jī)面高度比 B 礦所選采煤機(jī)高 117 mm，由于煤層平均厚度只有 1.37 m，意味著存在較多的割矸情況。

3.3 刮板輸送機(jī)

A 礦配套刮板輸送機(jī)為 Z 廠家生產(chǎn)的 SGZ900/2×400 型刮板輸送機(jī)；B 礦刮板輸送機(jī)由鄭煤機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)，型號為 SGZ800/2×400。A、B 礦所選刮板輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)對比如表 4 所列。

表4 A、B 礦所選刮板輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)對比Tab.4 Comparison of scraper conveyor adopted in colliery A and B in main technical parameters

由表 4 可知，A 礦配套的刮板輸送機(jī)在輸送量方面略有優(yōu)勢，但槽幫高度比 B 礦所選的刮板輸送機(jī)高53 mm，且采用常規(guī)鏈條使得整體高度更高，不利于薄煤層工作面采高的控制。

3.4 智能化控制系統(tǒng)

A 礦配套控制系統(tǒng)為國外公司研發(fā)的 PM32 智能化系統(tǒng)，B 礦控制系統(tǒng)是由鄭煤機(jī)自主研發(fā)的ZE0704 型智能化控制系統(tǒng)。2 種系統(tǒng)均配備有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、井下集控中心、地面分控中心、移動端 APP等模塊，具備集控中心和地面調(diào)度室一鍵啟停、視頻監(jiān)控、采煤機(jī)記憶截割、支架跟機(jī)自動化、“三機(jī)”參數(shù)監(jiān)測等功能。A、B 礦均成功通過了河南省工信廳組織的煤礦智能化建設(shè)驗收。

4 工作面整體配套性對比

A、B 礦工作面整體配套設(shè)備及參數(shù)對比如表 5所列。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，A 礦采用多廠家組合配套，突出大工作阻力、大裝機(jī)功率、大槽寬等特點，雖然各單項設(shè)備在性能上均具有一定優(yōu)勢，但系統(tǒng)整體配套與薄煤層的適應(yīng)性不足，較高的機(jī)身高度、較厚的頂梁和大直徑滾筒的配合使得采高難以控制，實際開采時不得不割下一定的矸石。

B 礦采用成套一體化配套，突出設(shè)備配套與礦井相適應(yīng)的理念，通過超低機(jī)身、超薄頂梁、實體推桿、扁平鏈的組合，做到了兼顧過機(jī)空間、過煤高度、割煤速度、運(yùn)煤能力的最優(yōu)組合，同時有效控制了采高，實現(xiàn)了煤有多厚就采多高的開采目標(biāo)[10]。

5 應(yīng)用效果對比

與 A 礦采用多廠家組合配套相比，B 礦所有設(shè)備均為鄭煤機(jī)提供，形成國內(nèi)首套由單一廠家提供成套裝備及自動化系統(tǒng)的薄煤層智能化工作面。A、B礦薄煤層工作面綜采裝備井下使用效果對比如表 6 所列。

對比分析可知，A 礦采用多廠家組合配套，在平均煤厚 1.37 m 的情況下采高達(dá)到 1.7 m，造成割矸較多，各設(shè)備性能難以完全發(fā)揮，因而產(chǎn)量較低，煤質(zhì)也較差，經(jīng)濟(jì)效益一般。

B 礦采用成套一體化配套，通過薄煤層智能化設(shè)備的合理選型配套，采高控制在約 1.3 m，只割煤少割矸，日均產(chǎn)量較高，減少破矸厚度 300 mm 以上，減少排矸石 10.6 萬 t，降低矸石外運(yùn)成本 604.2 萬元，同時有效保證了煤質(zhì)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

綜上分析，B 礦采用成套一體化配套，充分結(jié)合礦井地質(zhì)條件和煤層賦存條件，進(jìn)行個性化配套設(shè)計，在各單機(jī)性能處于劣勢的情況下，通過良好的配套適應(yīng)性，實現(xiàn)了薄煤層智能工作面的高產(chǎn)高效，為客戶創(chuàng)造了良好的效益[11]。

6 結(jié)語

在深入研究薄煤層智能工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及智能控制系統(tǒng)的選型要求和原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合井下地質(zhì)條件和煤層賦存狀態(tài)，研制了國內(nèi)首套由單一廠家進(jìn)行綜采裝備和智能控制系統(tǒng)整體配套的薄煤層智能成套一體化綜采裝備，并進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗。

將單一廠家配套的成套一體化裝備與相似地質(zhì)條件下的多廠家組合配套裝備進(jìn)行配套性和應(yīng)用效果綜合分析對比，結(jié)果表明，成套一體化裝備個性化的研發(fā)和合理的配套，做到了兼顧過機(jī)空間、過煤高度、割煤速度、運(yùn)煤能力的整體平衡，具有良好的配套適應(yīng)性，成功實現(xiàn)了薄煤層智能工作面的高產(chǎn)高效，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。成套一體化選型配套技術(shù)的探索研究，對推動我國薄煤層智能工作面的建設(shè)、保障煤礦安全、促進(jìn)煤炭資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。