馬端志，劉明川，劉德健，馬梓焱，于 彬

1中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

2天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部 北京 100013

3陜西黑龍溝礦業(yè)有限責(zé)任公司 陜西神木 719300

我國煤炭法規(guī)定 0.8 m 以上煤層必須開采，0.8 m 以下的煤層鼓勵(lì)開采，然而薄煤層開采一直是制約煤炭企業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的難題。據(jù)調(diào)研，國內(nèi)實(shí)際開采厚度在 1.3 m 以下，機(jī)械化開采工作面很少，且單面產(chǎn)量基本上為 20～50 萬 t/a，生產(chǎn)能力無法滿足礦井生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展需求。

1 薄煤層開采技術(shù)現(xiàn)狀

薄煤層儲(chǔ)量多、比重大、分布廣，是國內(nèi)外公認(rèn)的復(fù)雜難采煤層，其空間狹小，設(shè)備配套和頂板管理困難。我國富煤地區(qū)許多薄煤層丟棄不采，缺煤地區(qū)普遍采用炮采或普通機(jī)采，甚至采用手工等落后方式開采，安全狀況差、資源回收率低、產(chǎn)量低、效益差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前，可以實(shí)現(xiàn)薄煤層綜合機(jī)械化高效開采的僅有刨煤機(jī)和滾筒采煤機(jī)兩種設(shè)備[1-2]。

刨煤機(jī)是 20 世紀(jì) 80 年代德國針對(duì)薄煤層開采而研發(fā)的采煤設(shè)備，根據(jù)采高分為底托式刨煤機(jī)和滑行式刨煤機(jī)，如圖1 所示。其中，底托式刨煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)最小 0.6 m 采高需求，滑行式刨煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)最小 0.8 m采高需求。我國自主研發(fā)沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，進(jìn)口刨煤機(jī)的維護(hù)和投入成本較高，且刨煤機(jī)長壁開采適應(yīng)性差，對(duì)頂?shù)装逡蟊容^高，該技術(shù)在我國沒有得到推廣應(yīng)用。

圖1 刨煤機(jī)Fig.1 Coal plow

目前國內(nèi)外主流的薄煤層滾筒采煤機(jī)按整機(jī)布置方式有爬底板式采煤機(jī)、騎輸送機(jī)雙截割電動(dòng)機(jī)薄煤層采煤機(jī) (跨騎式) 和半懸機(jī)身采煤機(jī) (半懸式) 3 種[3]，如圖2 所示。其中爬底板式采煤機(jī)機(jī)身重心位于輸送機(jī)外，煤壁側(cè)增加滑橇支撐與底板接觸，對(duì)地質(zhì)條件要求苛刻，不具備高產(chǎn)高效能力。跨騎式采煤機(jī)具有空頂面積較小、牽引力較低以及結(jié)構(gòu)簡潔、使用方便等特點(diǎn)，但是跨騎式采煤機(jī)機(jī)身常規(guī)布置在輸送機(jī)上方，為增大截割功率，每個(gè)搖臂采用 2 個(gè)截割電動(dòng)機(jī)并列布置，截割電動(dòng)機(jī)尺寸是影響機(jī)面高度和過煤空間的主要矛盾，采煤機(jī)裝機(jī)功率不宜過大，裝機(jī)功率大于 700 kW 時(shí)難以滿足 1.3 m 以下采高需求。半懸機(jī)身全懸搖臂布置方式采煤機(jī)更好地解決了裝機(jī)功率、機(jī)面高度與過煤空間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了薄煤層采煤機(jī)在大功率的前提下，具有較低的機(jī)面高度和足夠大的過煤空間，可以滿足最低 1.0 m 左右的采高需求，但半懸機(jī)身式采煤機(jī)適應(yīng)煤層變化性能弱于跨騎式采煤機(jī)。

圖2 薄煤層滾筒采煤機(jī)Fig.2 Drum shearer in thin coal seam

2 薄煤層工作面開采技術(shù)難點(diǎn)分析

(1) 設(shè)備可靠性、適應(yīng)性差 薄煤層作業(yè)空間狹小，如圖3 所示，當(dāng)工作面采高小于 1.3 m 時(shí)，工作面實(shí)際行人高度小于 1.0 m。選型時(shí)盡可能采用小尺寸、小功率設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)工作面可采為目的。因此，采煤機(jī)裝機(jī)功率普遍小于 500 kW，割煤破矸能力弱，割煤速度低、可靠性差，無法滿足高效快速推進(jìn)；開采效率低，采煤機(jī)維護(hù)量大，且難以維護(hù)。刮板輸送機(jī)以 SGZ630 型為主，刮板槽幫高度低、鏈條尺寸小，造成工作面過煤空間小和刮板輸送機(jī)設(shè)備可靠性較差。液壓支架工作阻力普遍小于 4 000 kN，雖然可以滿足大部分工況下薄煤層開采支護(hù)需求，但由于其允許支架下降量較小，支護(hù)能力小，成為工作面安全開采的隱患。提高薄煤層工作面設(shè)備可靠性是薄煤層實(shí)現(xiàn)安全、高效開采的必然選擇。

圖3 薄煤層作業(yè)示意Fig.3 Sketch of operation in thin coal seam

(2) 生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大 薄煤層工作面采煤機(jī)割煤速度普遍小于 4 m/min，采煤機(jī)功率小，割煤能力弱，速度慢。當(dāng)采煤機(jī)割煤速度較快時(shí)，人員在工作面內(nèi)彎腰爬行跟機(jī)作業(yè)困難，跟機(jī)拉架效率低，無法實(shí)現(xiàn)快速跟機(jī)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低。長期在薄煤層工作面內(nèi)工作的操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度極大，存在患職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面生產(chǎn)無人跟機(jī)作業(yè)，促進(jìn)薄煤層工作面智能化發(fā)展是薄煤層安全高效開采的必由之路[4]。

3 薄煤層工作面高效開采配套技術(shù)研究

提高薄煤層工作面產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益切實(shí)可行的方法是解決薄煤層工作面設(shè)備可靠性差、適應(yīng)性差和生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的難題，加大工作面推進(jìn)速度，攻克液壓支架小斷面和高可靠性、采煤機(jī)小尺寸和大功率、刮板輸送機(jī)矮槽幫和高壽命之間的突出矛盾。只有通過提高設(shè)備的可靠性，才能有效解決薄煤層工作面有限空間內(nèi)設(shè)備維修與更換難題[5]；其次要解決薄煤層工作面無人開采難題。

3.1 薄煤層成套裝備配套關(guān)鍵技術(shù)

薄煤層開采裝備小尺寸與大功率、強(qiáng)適應(yīng)和高可靠矛盾突出。開展成套裝備配套關(guān)鍵技術(shù)研究，為薄煤層安全高效開采保駕護(hù)航。

根據(jù)薄煤層工作面地質(zhì)條件和開采需求，分析研究工作面合理長度，確定工作面液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)設(shè)備主要參數(shù)。其中，采煤機(jī)的選型是核心，液壓支架和刮板輸送機(jī)的選型是實(shí)現(xiàn)工作面能力的保證。立足于國內(nèi)外先進(jìn)、成熟可靠的設(shè)備，設(shè)計(jì)選型的設(shè)備必須滿足生產(chǎn)能力要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備合理布置及協(xié)調(diào)運(yùn)行。分析薄煤層采煤機(jī)與刮板運(yùn)輸機(jī)配套型式及其過煤效率，以及采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)與刮板運(yùn)輸機(jī)搭接關(guān)系，形成最優(yōu)配合方案；基于巷道留設(shè)與煤層位置關(guān)系，確定合理可行的薄煤層刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭機(jī)尾配套關(guān)系，優(yōu)選機(jī)頭與轉(zhuǎn)載卸載方式及其效率，以簡化布置、提高回采推進(jìn)效率為原則，形成“機(jī)頭重疊側(cè)卸、機(jī)尾反臥”的搭接配套模式。

3.2 薄煤層液壓支架關(guān)鍵技術(shù)

(1) 支架寬度 目前薄煤層工作面支架中心距普遍為 1.5 m。應(yīng)盡可能采用大中心距支架，減少設(shè)備數(shù)量。薄煤層支架中心距提高到 1.75 m，支架可靠性和移架速度可提高約 16%。

(2) 小斷面大工阻支架技術(shù) 薄煤層配置中液壓支架的工作阻力基本上在 4 000 kN 以下，受空間限制，工作阻力很難提高。新型薄煤層液壓支架設(shè)計(jì)時(shí)采用 Q890 高強(qiáng)度板材，可保證高工阻支架結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性，比常規(guī)使用 Q550 高強(qiáng)板提高60%。采用如圖4 所示的新型多耳板連接機(jī)構(gòu)，可減小支架結(jié)構(gòu)件尺寸，同等尺寸下鉸接銷軸和耳板安全性可提高 50%，在有限的空間內(nèi)，不僅將工作阻力提高到 6 000 kN 以上，而且提高了薄煤層液壓支架結(jié)構(gòu)件的可靠性。

圖4 新型多耳板連桿機(jī)構(gòu)Fig.4 New connecting rod mechanism with multi-ear plate

(3) 高可靠推移裝置 液壓支架推移機(jī)構(gòu)分為正裝短推桿和倒裝長推桿 2 種結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。倒裝長推桿要求高度空間較大，受空間限制，薄煤層液壓支架大部分采用了正裝短推桿結(jié)構(gòu)。正裝短推桿結(jié)構(gòu)的推移機(jī)構(gòu)高度較低，推桿導(dǎo)向段短，靈活性強(qiáng)，但在推溜過程導(dǎo)向性差，推溜能力相對(duì)弱。為提高薄煤層開采過程有效推溜和移架，應(yīng)盡可能采用倒裝推移形式，不僅移架力大，還能夠更加有效地推溜裝煤，提高開采效率。

圖5 液壓支架推移機(jī)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)形式示意Fig.5 Sketch of hydraulic support pushing mechanism in different structural forms

3.3 大功率矮機(jī)身采煤機(jī)選型

國內(nèi)薄煤層工作面普遍以可采為目的，采用裝機(jī)功率小于 500 kW 的采煤機(jī)。為提高采煤機(jī)割煤和破巖能力，國內(nèi)大型采煤機(jī)生產(chǎn)單位先后研發(fā)了新型薄煤層大功率半懸式采煤機(jī)和跨騎式新型采煤機(jī)，主要性能參數(shù)如表1 所列。

表1 大功率薄煤層采煤機(jī)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of high-power coal shearer in thin coal seam

在滿足采高的前提下，薄煤層開采應(yīng)盡量選大功率采煤機(jī)，這樣可大大提高采煤機(jī)的可靠性和割煤破矸能力，提高開采效率。采煤機(jī)機(jī)面高度和其配套的刮板輸送機(jī)密切相關(guān)，限制滾筒式采煤機(jī)最小采高的不僅有機(jī)面高度，而且和滾筒直徑密切相關(guān)。當(dāng)采煤機(jī)截割功率增加后，為保證裝煤效果，滾筒直徑也受到一定限制。

由表1 可以看出：

(1) 最小采高為 1 300 mm 時(shí)，MG2×250/1200-AWD 系列跨騎式雙截割電動(dòng)機(jī)采煤機(jī)較合理；

(2) 最小采高為 1 200 mm 時(shí)，應(yīng)選擇裝機(jī)功率1 000 kW 以上的半懸式采煤機(jī)；

(3) 最小采高為 950 mm 時(shí)，應(yīng)選擇裝機(jī)功率 800 kW 系列半懸式采煤機(jī)；

(4) 最小采高為 800 mm 時(shí)，可選擇裝機(jī)功率 565 kW 的采煤機(jī)。

3.4 高可靠性刮板輸送機(jī)選型

薄煤層工作面開采應(yīng)該采用高可靠性刮板輸送機(jī)。槽幫越矮、鏈條尺寸越小，其越適應(yīng)薄煤層開采，但需采用高強(qiáng)度材料等措施保證槽幫、中底板、齒軌座、鏈條和銷排等部件的可靠性[6]。目前薄煤層開采以 SGZ630 型刮板輸送機(jī)為主，由于薄煤層過煤高度空間有限，在條件允許的情況下，盡量采用 SGZ730 型或更寬的刮板輸送機(jī)，提高運(yùn)煤橫向?qū)挾龋鰪?qiáng)運(yùn)煤效果。

在煤層條件允許的條件下，優(yōu)先選擇具有高度集成化的重疊側(cè)卸機(jī)頭，該機(jī)頭在走向和傾向多維度可以調(diào)整，適用于工作面與掘底巷道的高度變化，如圖6 所示，可實(shí)現(xiàn)工作面兩端頭無需破矸和中部等高式開采，提高工作面開采效率。

圖6 重疊側(cè)卸機(jī)頭示意Fig.6 Profile of overlapping side-discharge head

4 結(jié)語

通過工作面三機(jī)設(shè)備一體化選型設(shè)計(jì)，解決薄煤層空間狹小與裝備高可靠性和高效開采之間的矛盾，降低采高，減少割矸量，提高設(shè)備可靠性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增大設(shè)備間空間，改善工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn) 0.8～1.3 m 薄煤層高效開采，為薄煤層工作面智能開采提供適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的煤機(jī)裝備，對(duì)全國薄煤層開采都具有示范和引領(lǐng)作用。