神府礦區(qū)薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采工藝探析

王 健

(天地科技股份有限公司國(guó)內(nèi)成套裝備部，北京 100013)

1 神府礦區(qū)概況

神府礦區(qū)煤層埋深淺、開(kāi)采條件好，煤質(zhì)優(yōu)良，屬于13 個(gè)國(guó)家煤炭規(guī)劃基地中神東基地的主力礦區(qū)之一。礦區(qū)共有煤炭地質(zhì)資源量27.82Gt，可采儲(chǔ)量18.56Gt。其中，煤層厚度＜1.8m 的薄及中厚偏薄煤層可采儲(chǔ)量約為4.6Gt。礦區(qū)主要可采煤層9 層，分 別 為1－2上，1－2，2－2上，2－2，3－1，4－2，4－3，5－1，5－2層煤，除5－2層煤為特厚煤層外，其余可采煤層以薄及中厚煤層為主。

礦區(qū)煤的特低灰、特低硫、高熱值遠(yuǎn)近聞名，是少有的環(huán)保型潔凈煤，在國(guó)際市場(chǎng)和沿海地區(qū)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是主要的外運(yùn)商品煤礦區(qū)。

礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)建有大柳塔、活雞兔、榆家梁、擰條塔、何家塔、三道溝、南梁、海灣、楊伙盤(pán)等一批大型、特大型現(xiàn)代化礦井，另有青龍寺、郭家灣、沙溝岔等在建礦井，礦區(qū)規(guī)劃產(chǎn)能約262Mt/a。

礦區(qū)煤層厚度穩(wěn)定、近水平、瓦斯含量低、涌水量小、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，具有得天獨(dú)厚的賦存條件及開(kāi)采技術(shù)條件。但由于上部煤層以薄及中厚煤層為主，壓覆了下部主采的5－2層煤，制約了礦井的生產(chǎn)能力。以礦區(qū)南部的三道溝煤礦為例，該煤礦可采4－3，4－4，5－2上，5－2號(hào)煤層，目前正在開(kāi)采5－2煤層，其上方賦存的4－3，4－4煤層為薄煤層，尚未開(kāi)采，造成了部分資源破壞。全礦4－3，4－4煤層地質(zhì)資源量合計(jì)為390Mt，如不進(jìn)行開(kāi)采，勢(shì)必造成大量資源浪費(fèi)。為此，本文以三道溝煤礦薄煤層為例，論述薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采工藝在礦區(qū)實(shí)施的必要性及可行性，并對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行了選型，為礦區(qū)其他礦井薄煤層的開(kāi)采提供參考。

2 三道溝井田概況與薄煤層開(kāi)采分析

2.1 礦井及煤層賦存狀況

三道溝井田東西走向長(zhǎng)17.7～20.7km，南北寬8.6～10.8km，面積214.3km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力9.00Mt/a。共含可采煤層8 層，自上而下分別為2－2，3－1，3－2，3－3，4－3，4－4，5－2上，5－2號(hào)煤層。其中2－2，3－1，3－2，3－3已劃歸地方開(kāi)采，本礦井開(kāi)采4－3，4－4，5－2上，5－2號(hào)煤層，地質(zhì)資源量合計(jì)為1.583Gt。其中5－2煤層為全區(qū)可采的厚煤層，該煤層平均厚度為4.97m，合并后的5－2煤層厚度一般大于6m;4－3，4－4為薄煤層，賦存于井田西部，4－3煤層厚0.80～1.61m，平均1.17m，4－4煤層厚0.80～1.47m，平均1.09m;5－2上 煤層為5－2煤層上分岔，賦存于井田東部，平均厚度1.91m。4 層煤層間距自上而下分別為13.88m，14.24m 和18.97m。

煤層頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，次為中、細(xì)粒砂巖和炭質(zhì)泥巖。底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，次為泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖和中、細(xì)粒砂巖。

井田瓦斯含量低，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為傾角1～3°的單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)斷層及褶皺構(gòu)造。

4－3煤可采總面積181.40km2，地質(zhì)資源量為230Mt，可采儲(chǔ)量為160Mt;4－4煤可采總面積116.46km2，地質(zhì)資源量為160Mt，可采儲(chǔ)量為100Mt。

2.2 薄煤層開(kāi)采必要性

(1)礦井達(dá)產(chǎn)的需要。三道溝煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為9.0Mt/a，設(shè)計(jì)厚薄搭配開(kāi)采，由于4－3，4－4薄煤層不具備上行開(kāi)采的條件，根據(jù)國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)政策，應(yīng)先期開(kāi)采上覆的4－3，4－4薄煤層，以盡快解放5－2號(hào)煤層。

(2)節(jié)約能源，可持續(xù)發(fā)展的需要。

(3)提高資源采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。

(4)提高經(jīng)濟(jì)效益［1］。

2.3 薄煤層開(kāi)采工藝

(1) 采煤工藝選擇 適宜4－3，4－4號(hào)煤層的采煤工藝有:刨煤機(jī)綜采、螺旋鉆采和采煤機(jī)綜采。

刨煤機(jī)綜采適于開(kāi)采厚度較薄、硬度較低且地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單的煤層，其主要優(yōu)點(diǎn):采煤工藝簡(jiǎn)單，開(kāi)機(jī)率高，安全性好;刨頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面;采出的塊煤率高，工作面煤塵量少。主要缺點(diǎn):對(duì)地質(zhì)構(gòu)造及煤層厚度變化適應(yīng)性差;煤層硬度不能太大;國(guó)產(chǎn)設(shè)備尚不穩(wěn)定，進(jìn)口設(shè)備投資高，備品備件供貨周期長(zhǎng)，價(jià)格高［2－3］。

螺旋鉆采廣泛應(yīng)用于開(kāi)采圍巖較穩(wěn)定的薄煤層和極薄煤層，并且可以用來(lái)開(kāi)采邊角煤、三下壓煤和回收各種煤柱。主要優(yōu)點(diǎn):采高更低;投資比薄煤層綜采投資降低約50%;安全性好，實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面。主要缺點(diǎn):效率低;采出率低［4－5］。

采煤機(jī)綜采的主要優(yōu)點(diǎn):適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于各種煤層硬度、厚度、構(gòu)造等變化情況;可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斜切進(jìn)刀;可實(shí)現(xiàn)噴霧降低煤塵;破巖能力強(qiáng)。主要缺點(diǎn):工藝較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面困難大;最低開(kāi)采高度較大［6－7］。

三道溝煤礦為特大型礦井，采煤工藝選擇的主要原則是推進(jìn)速度要快，以解放5－2煤層。螺旋鉆采采煤工藝單臺(tái)鉆機(jī)推進(jìn)速度慢，需要多臺(tái)設(shè)備同時(shí)開(kāi)采，占用人員多，效率低，工作面接續(xù)困難［8］，不適用本礦井;4－3，4－4煤硬度大，f=3～4。由于煤層過(guò)硬對(duì)刨煤機(jī)刨頭強(qiáng)度要求較高，目前國(guó)內(nèi)刨煤機(jī)開(kāi)采類(lèi)似硬度煤層沒(méi)有先例，現(xiàn)有設(shè)備適應(yīng)性問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。采煤機(jī)綜采能夠適應(yīng)三道溝煤層煤質(zhì)較硬的特點(diǎn)，且本礦區(qū)已有中厚偏薄煤層自動(dòng)化綜采成功經(jīng)驗(yàn)，因此，推薦采用該采煤工藝。

本礦井4－3，4－4煤層開(kāi)采條件與礦區(qū)內(nèi)榆家梁煤礦、哈拉溝煤礦和石圪臺(tái)煤礦相似，只是煤層厚度更薄，但通過(guò)設(shè)備重新選型，完全能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化綜采。

(2) 自動(dòng)化綜采工作面設(shè)備選型 根據(jù)前面論述，三道溝煤礦對(duì)于薄煤層工作面要求安全高效、快速推進(jìn)，因此需要提高工作面自動(dòng)化程度。綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)是以工作面監(jiān)控中心為核心，集支架電液控制、綜采設(shè)備智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)、集成供液、視頻監(jiān)控、噴霧降塵、通訊于一體，對(duì)綜采工作面的液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、工作面巷道膠帶輸送機(jī)、電氣開(kāi)關(guān)、泵站等設(shè)備進(jìn)行集中自動(dòng)化控制，確保各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行。以實(shí)現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、采煤智能化、管理信息化以及操作的少人化甚至無(wú)人化為目標(biāo)［8］。

綜合應(yīng)用控制、以太網(wǎng)、無(wú)線、視頻、音頻、通信、液壓等技術(shù)應(yīng)用于綜采面。實(shí)現(xiàn)在采煤生產(chǎn)過(guò)程中以采煤機(jī)記憶割煤為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔;以液壓支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)動(dòng)作為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔;以綜采運(yùn)輸設(shè)備集中自動(dòng)化控制為主，就地控制為輔;以綜采設(shè)備智能感知為主，視頻監(jiān)控為輔。即“以工作面自動(dòng)控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的工作自動(dòng)化生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)“無(wú)人跟機(jī)作業(yè)，有人安全值守”的開(kāi)采理念，在采煤過(guò)程中以工作面無(wú)人［10］為選型原則。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成:工作面巷道操作平臺(tái);通訊系統(tǒng)有無(wú)線通訊系統(tǒng)、有線通訊系統(tǒng)、專(zhuān)用通訊系統(tǒng);綜采工作面輸送設(shè)備工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);動(dòng)力中心數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng);泵站控制及供液監(jiān)控系統(tǒng);視頻監(jiān)控平臺(tái);地面操作平臺(tái);三機(jī)聯(lián)動(dòng)控制軟件、綜采面采高與底板檢測(cè)軟件、支架電液系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊驅(qū)動(dòng)軟件、視頻監(jiān)控軟件等。

根據(jù)國(guó)內(nèi)設(shè)備現(xiàn)狀，結(jié)合礦區(qū)煤層開(kāi)采條件，三道溝煤礦自動(dòng)化綜采工作面主要設(shè)備選用天地科技股份有限公司薄煤層成套裝備，設(shè)備選型結(jié)果見(jiàn)表1。

2.4 采掘比

薄煤層綜采采掘比例大、掘進(jìn)率高，采掘接替緊張。為保證工作面正常接續(xù)，設(shè)計(jì)每個(gè)自動(dòng)化綜采工作面配備2 套大功率半煤巖掘進(jìn)機(jī)組，掘進(jìn)機(jī)為EBH315TY 型半煤巖掘進(jìn)機(jī)，煤矸不分裝，掘進(jìn)煤直接進(jìn)入地面選煤廠。

2.5 薄煤層分采分運(yùn)及洗選

受煤層厚度限制，4－3，4－4煤層開(kāi)采的頂板混矸將增加原煤灰分;同時(shí)，4－3，4－4，5－2上 號(hào)煤層的開(kāi)拓、回采巷道以半煤巖巷道為主，進(jìn)入煤流系統(tǒng)也將增加原煤灰分，因此，這部分原煤需要和5－2號(hào)煤層的主系統(tǒng)實(shí)行分采分運(yùn)。設(shè)計(jì)考慮利用原有措施斜井作為薄煤層的運(yùn)煤斜井，并在措施斜井地面建設(shè)洗煤廠。

表1 采煤工作面主要裝備

2.6 經(jīng)濟(jì)效益

(1)工作面投資估算:工作面設(shè)備投資7800萬(wàn)元，自動(dòng)化控制系統(tǒng)投資1200 萬(wàn)元，共投資9000 萬(wàn)元。

(2)生產(chǎn)成本及售價(jià):根據(jù)對(duì)直接生產(chǎn)成本的預(yù)算并參照礦區(qū)生產(chǎn)礦井噸煤生產(chǎn)成本。煤炭直接成本為65 元/t，銷(xiāo)售及其他成本按20 元/t (估算)，完全成本為140 元/t。工作面年產(chǎn)量按1.50Mt，原煤綜合售價(jià)按300 元/t，年銷(xiāo)售收入4.5 億元，年利潤(rùn)總額2.4 億元。

3 結(jié)論

礦區(qū)內(nèi)薄煤層資源條件優(yōu)越，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層賦存穩(wěn)定，儲(chǔ)量豐富，適宜采用薄煤層自動(dòng)化綜采工藝，地面建設(shè)選煤廠，有條件時(shí)可分采分運(yùn)，能夠?qū)崿F(xiàn)薄煤層的快速推進(jìn)，充分解放下部的厚煤層，既提高了資源采出率，滿(mǎn)足了國(guó)家政策，又能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］田成金.薄煤層自動(dòng)化工作面關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39 (8):83－86.

［2］李建平，杜長(zhǎng)龍，張永忠.我國(guó)薄與極薄煤層開(kāi)采設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005 (6):65－67.

［3］王永志，張鴻斌.薄煤層刨煤機(jī)回采技術(shù)實(shí)踐［J］.煤礦開(kāi)采，2008，13 (5):35－37.

［4］董書(shū)滿(mǎn)，潘慶林.國(guó)產(chǎn)薄煤層綜采設(shè)備開(kāi)采技術(shù)淺議［J］.江西煤炭科技，2008 (1):41，70.

［5］馮慶全，宋天成，王振坤.薄煤層綜合機(jī)械化成套設(shè)備的研制與實(shí)踐［J］.山東煤炭科技，2004 (4):1－2.

［6］梁洪光.薄煤層綜采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.煤礦開(kāi)采，2009，14 (1):9－11.

［7］江 衛(wèi)，王明南.薄煤層綜采設(shè)備的研制及工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.中國(guó)煤炭，2004 (11):32－34.

［8］孔祥喜.淮南礦區(qū)薄煤層開(kāi)采方法的探索［J］.煤炭技術(shù)，2007 (12):65－66.

［9］高士崗.薄煤層自動(dòng)化無(wú)人工作面開(kāi)采［J］.科技信息，2009 (33):355.

［10］梁和平.開(kāi)灤礦區(qū)薄煤層開(kāi)采技術(shù)發(fā)展與實(shí)踐［J］.煤礦開(kāi)采，2009，14 (2):1－2.