陳彥軍，胡明東，楊 帥

(子長縣甄家溝煤業(yè)有限公司，陜西 子長 717300)

0 引言

子長礦區(qū)是三疊紀成煤條件最好的富煤區(qū)，礦區(qū)煤炭地質(zhì)儲量28.94億t，探明儲量8.02億t。礦區(qū)煤層埋藏淺，賦存平穩(wěn)，地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件簡單，可采厚度連片分布且具有開采價值的煤層為5號煤和3號煤，煤層厚度變化較大，薄及極薄煤層占1/3以上。礦區(qū)煤種屬國內(nèi)稀缺的44～45號氣煤，是配焦、氣化、液化、燃燒動力和低溫干餾的優(yōu)質(zhì)化工煤。鑒于煤種原因，按照《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》，子長礦區(qū)煤層最低可采厚度應(yīng)為0.7 m，依據(jù)《陜西省國土資源廳關(guān)于陜北三疊紀煤田子長礦區(qū)工業(yè)指標中煤層最低可采厚度的批復(fù)》(陜國土資儲發(fā)〔2009〕14號)，子長礦區(qū)煤層最低可采厚度調(diào)整為0.50 m。多年來，受薄及極薄煤層采煤工藝的制約，煤炭開采難度大、產(chǎn)量低、成本高，難以發(fā)揮子長的煤質(zhì)優(yōu)勢。甄家溝煤礦薄煤層原設(shè)計采用綜合機械化采煤工藝，采煤機與液壓支架配套困難，近年一直調(diào)研國內(nèi)外的薄煤層采煤機智能化工作面的使用情況。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，波蘭生產(chǎn)的黑龍系列“等采高”薄煤層采煤機方便配套，并可以實現(xiàn)智能化控制，目前已經(jīng)基本完成前期工作，投產(chǎn)后采煤工作面將實現(xiàn)無人開采，提高工效，改善工人工作環(huán)境，是比較理想的配套設(shè)備。

1 甄家溝煤礦煤層賦存概況

甄家溝煤礦位于子長礦區(qū)北部，距子長城區(qū)西北約7 km處，行政區(qū)劃為子長市瓦窯堡鎮(zhèn)、欒家坪鄉(xiāng)及玉家灣鎮(zhèn)所管轄。目前正在施工井下大巷及采煤工作面順槽巷道，處于建設(shè)階段，屬資源整合型礦井。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

井田內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)為一向西偏北緩傾的單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單，傾角1°～3°，局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，無巖漿活動。

1.2 煤層賦存

井田內(nèi)賦存5上號煤、5號煤、3-1號煤和3-2號煤4層煤。

5上號煤：賦存于瓦窯堡組第4段頂部，煤層厚度0.16～0.90 m，可采厚度0.50～0.90 m，平均厚度0.63 m，偶含一層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，煤層底板標高1 025～1 095 m，埋深35～342 m。

5號煤：賦存于瓦窯堡組第4段頂部，煤層厚度0.67～2.23 m，可采厚度0.50～1.96 m，平均厚度1.25 m，含0～2層夾矸，煤層底板標高為1 020～1 095 m，埋深40～345 m。

3-1號煤：賦存于瓦窯堡組第3段上部，煤層厚度0.20～0.73 m，可采厚度0.50～0.73 m，平均厚度0.57 m，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，煤層底板標高為990～1 070 m，埋深75～385 m。

3-2號煤：賦存于瓦窯堡組第3段上部，煤層厚度0.44～0.91 m，可采厚度0.50～0.83 m，平均厚度0.64 m，一般不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，煤層底板標高980～1 060 m，埋深80～392 m，屬大部可采的穩(wěn)定煤層。

甄家溝煤礦井田內(nèi)的4層煤大多屬于薄及極薄煤層(0.6 m以下)。

2 國內(nèi)薄煤層采煤工作面裝備情況

國內(nèi)中厚煤層綜合機械化采煤設(shè)備配套已經(jīng)成熟，厚及特厚煤層綜合機械化放頂煤開采技術(shù)發(fā)展也很迅速，設(shè)備配套成型，智能化工作面控制也趨于成熟。唯獨薄及極薄煤層受煤層賦存條件、效益、工作環(huán)境等限制發(fā)展相對滯后。經(jīng)過調(diào)研，目前國內(nèi)的薄及極薄煤層采煤工作面裝備主要有3種形式。

2.1 滾筒式采煤機采煤工藝

在薄煤層綜合機械化采煤工藝中，配套滾筒式采煤機最為廣泛。它與中厚煤層采煤裝備差別不大，也是由雙滾筒采煤機、液壓支架和刮板輸送機組成，不同點在于裝備小型化。受煤層厚度、設(shè)備制造工藝限制，采煤機經(jīng)常割頂或割底，設(shè)備磨損大、設(shè)備故障率高、維修量大、正規(guī)作業(yè)循環(huán)率低、工作面粉塵大、運輸成本高、洗煤成本高，工人在工作面直不起身，工作條件差等。

2.2 智能型刨煤機采煤工藝

國內(nèi)最早裝備智能型刨煤機的煤礦是鐵法小青煤礦。

小青煤礦設(shè)計產(chǎn)能150萬t/a，為“一井二面”生產(chǎn)。2001年1月，引進德國DBT采礦技術(shù)公司生產(chǎn)的高效長壁連續(xù)開采智能型GH9.34VE/4.7薄煤層刨煤機裝備綜采工作面。首先在W1E703工作面進行了試采，然后回采了WIW712薄煤層工作面，至2001年12 月底，成功回采了多個工作面。W1E703工作面的走向長度為905 m，面長150 m，回采625 m后，工作面長度增加為195 m。煤層厚度1.0～1.58 m，平均1.3 m，煤層傾角5°～8°，偽頂為泥巖、直接頂為粉砂巖，底板為泥質(zhì)粉砂巖。刨煤機采煤工作面設(shè)備及開采技術(shù)特征見表1、2。

表1 刨煤機采煤工作面設(shè)備技術(shù)特征

表2 刨煤機采煤工作面開采技術(shù)參數(shù)

小青煤礦采用刨煤機自動化采煤，減少了原煤生產(chǎn)人員，提高了勞動效率，降低了生產(chǎn)成本，基本實現(xiàn)了采煤工作面無人作業(yè)，達到了安全經(jīng)濟目標，但對煤的硬度要求較高。

2.3 配套螺旋鉆機采煤工藝

子長市焦家溝煤礦是陜西最早使用螺旋鉆機采煤工藝的煤礦。

焦家溝煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力120萬t/a，可采煤層2層，5號中厚煤層和3號極薄煤層。礦井在3號極薄煤層采用山東隆恒礦山機械有限公司在烏克蘭螺旋鉆機的基礎(chǔ)上改進的MZ系列螺旋鉆采煤機，MZ132/294型四軸聯(lián)動雙向自動對接螺旋鉆進式采煤機，采寬2.6 m，適應(yīng)厚度0.5～1.0 m、傾角小于22°的煤層，鉆桿長度1.62 m，設(shè)計鉆深60 m。

螺旋鉆機采煤工作面的設(shè)備及開采技術(shù)特征見表3、4。

表3 鉆采機采煤工作面設(shè)備配套

表4 鉆采機采煤工作面開采技術(shù)參數(shù)

焦家溝煤礦采用螺旋鉆開采突破了極薄煤層開采的高度限制，只采煤不采石頭，避開了極薄煤層綜采人為增加采厚、截割巖石帶來的所有弊端。基本實現(xiàn)了無人工作面開采，螺旋鉆桿自行破煤、裝煤、運煤，工作面無支護設(shè)備，人員在巷道內(nèi)即可完成螺旋鉆的所有操作，工作面開采安全條件比綜采工藝更加優(yōu)越。但主要問題是回采率低，效率低，近年已不再使用。

經(jīng)過調(diào)研，擬采用已經(jīng)在神東公司石圪臺煤礦使用的“等采高”薄煤層采煤機，同步建設(shè)智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無人化開采。

3 “等采高”薄煤層采煤機智能化工作面裝備方案

3.1 采煤機

GUL-500型采煤機由波蘭FAMUR公司生產(chǎn)，裝備一臺500 kW的截割電機同時驅(qū)動2個滾筒，無搖臂實現(xiàn)等高回采。行走方式采用鏈(42×137)牽引方式，機頭、機尾各有一臺60 kW的變頻電機控制采煤機的牽引行走。機尾一臺20 kW的電纜拖曳變頻電機，通過牽引電機編碼器和拖纜電機編碼器，實現(xiàn)煤機和拖纜裝置同步移動，保證了采煤機電纜受力平衡，防止電纜多層折疊，降低了中部槽高度，保障了工作面采高控制。鏈條牽引編碼器和紅外裝置的雙重計算實現(xiàn)了采煤機的精準定位和工作面系統(tǒng)的高度協(xié)同同步。采煤機采用端頭垂直進刀，相比于傳統(tǒng)的斜切進刀，節(jié)省了割三角煤的時間，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 S-850N型刮板運輸機

S-850N刮板運輸機采用兩端頭下沉式布置，端頭卸料，中雙鏈布置，鏈條規(guī)格34 mm×126 mm，機頭、機尾各配置一臺450 kW的變頻電機，在運行中可以隨意調(diào)整電機轉(zhuǎn)速和鏈條轉(zhuǎn)速。中部槽高度220 mm，可通過支架調(diào)溜油缸調(diào)整溜槽俯仰角度。

3.3 轉(zhuǎn)載機、破碎機、自移機尾

PPZ-850轉(zhuǎn)載機長60 m，中雙鏈布置，鏈條規(guī)格30 mm×108 mm，配置450 kW變頻電機。UPZP-1200自移機尾有電磁閥手動、遙控、自動3種操作方式，總長度35.13 m，搭接長度20 m，可實現(xiàn)連續(xù)推移20 m不拆卸皮帶架，提高自動化程度和生產(chǎn)效率。采用4根立柱頂板錨固，利用2根伸縮油缸配合支架推溜實現(xiàn)轉(zhuǎn)載機拉移，推移油缸還可以以轉(zhuǎn)載機為支點實現(xiàn)自移機尾向前爬移。UKU-1600破碎機配置200 kW工頻電機，使用角型減速箱，體積小，傳動效率高，破碎機兩側(cè)各有2根調(diào)節(jié)油缸，可方便調(diào)節(jié)破碎輸出粒度。

3.4 液壓支架

液壓支架選用相應(yīng)采高的國產(chǎn)掩護式支架配套，支架上安裝高清攝像儀、無線基站，每臺支架安裝左右壓力、行程、底座角度、頂梁角度、掩護梁角度、紅外接收等傳感器。配備手動、遙控和自動3種操作模式。

3.5 控制系統(tǒng)

中央控制室內(nèi)裝備有工作面設(shè)備監(jiān)控主機和等高設(shè)備電控主機，主要監(jiān)控液壓支架跟機狀態(tài)，采煤機運行狀態(tài)，配備設(shè)備啟?？刂泼姘寮皺z測支架數(shù)據(jù)的操控面板，在中央控制室內(nèi)可以完成無人自動化采煤工藝。

SNG主控制站是“等采高”采煤機控制系統(tǒng)的重要組成部分，是集采煤機截割、裝煤、驅(qū)動牽引、電路保護及冷卻水路控制為一體的自動控制裝置?！暗炔筛摺辈擅簷C通過動力電纜以動力載波的方式將自身數(shù)據(jù)傳輸給SNG，實現(xiàn)采煤機的啟停、漏電及斷電保護等功能。牽引及噴霧控制“黑龍”系統(tǒng)為“等采高”式采煤機，采高始終恒定(可通過機身升降油缸微調(diào)采高0～150 mm)，只能通過更換滾筒來調(diào)整采高。“黑龍”系統(tǒng)又分為“黑龍”和“小龍”，主要參數(shù)對比見表5。

表5 “黑龍”系統(tǒng)設(shè)備對比

根據(jù)本礦井煤層條件，在5號煤層2個工作面初期布置一套GUL500型系統(tǒng)，實現(xiàn)可控采高為1.2～1.75 m。當開采5號上煤層時，布置一套“小龍”系統(tǒng)，即GUL350系統(tǒng)，實現(xiàn)可控采高1.0～1.55 m，適用于平均0.63 m煤厚，可實現(xiàn)在平均采高1 m情況下無人智能自動化高效生產(chǎn)。對于開采厚度為0.5～0.7 m的煤層時，雖然同時開采厚度為0.5～0.3 m的矸石，但是經(jīng)洗選后的商品煤產(chǎn)量仍可達到60～80萬t/a以上。

4 效益分析

該套系統(tǒng)裝備后，設(shè)計采煤工作面長度200 m，5上號煤采煤工作面產(chǎn)能可達60萬t/a，5號煤采煤工作面120萬t/a。

自工作面裝備“等采高”智能化采煤系統(tǒng)后，工作面采用全自動模式生產(chǎn)，取消了煤機司機、支架工、機頭、機尾崗位工和自移機尾司機，正常生產(chǎn)中，生產(chǎn)班組只配備3～4人，除集控臺司機外，其他人員只負責(zé)巡視設(shè)備及生產(chǎn)情況。減少人員可降低煤炭生產(chǎn)成本，減輕工人勞動強度，減少安全生產(chǎn)隱患，實現(xiàn)“機械化換人、自動化減人”目標，社會效益明顯。

5 結(jié)論

(1)采煤機無搖臂實現(xiàn)等高回采，最大限度地避免了割頂與割底。采用鏈牽引方式，機頭、機尾各有一臺變頻電機控制采煤機的牽引行走，有效實現(xiàn)了煤機和拖纜裝置的同步移動。

(2)薄煤層“等采高”采煤機智能化無人工作面成套裝備與技術(shù)，自動完成割煤、移架、推移刮板輸送機和頂板支護等生產(chǎn)流程，提高了薄煤層開采的生產(chǎn)能力，改善了井下作業(yè)環(huán)境，大幅解放一線生產(chǎn)人員，可以實現(xiàn)薄煤層生產(chǎn)的自動化、智能化和工作面無人化開采。

(3)改進了薄煤層采煤工藝，提高了采煤工作面采、支、運工序的自動化程度,減少工作面作業(yè)人數(shù)?！暗炔筛摺北∶簩又悄芑到y(tǒng)的成功應(yīng)用將為薄及極薄煤層高產(chǎn)高效開采提供借鑒。