1.0米以下薄煤層全自動化刨煤機開采技術(shù)研究與實踐

楊清成　馮志偉

摘 要：通過對1.0米以下薄煤層全自動化刨煤機開采技術(shù)研究與實踐，破解了極薄煤層安全、高效開采的的世界性技術(shù)難題，為我國薄煤層煤炭資源的安全、高效開采奠定了堅實的基礎(chǔ)，對提高我國煤炭資源回收率具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：薄煤層開采；全自動化；刨煤機；相關(guān)技術(shù)；安全高效

前言

鐵法礦區(qū)煤炭儲量22.59億t，占遼寧省總儲量的1/3以上，1.5m 厚以下的薄煤層儲量6.2億t，占礦區(qū)總儲量的26%。從鐵法礦區(qū)開采程序來看，各礦井首先主要開采條件較好的4號、7號煤層（中厚煤層），而4號、7號煤層儲量逐年減少，下部的8號、9號煤層以及下煤組（大部分煤厚均在1.5m以下）急需開采，應(yīng)用傳統(tǒng)的開采方法回采薄煤層，必然造成單產(chǎn)低，經(jīng)濟效益下降。如放棄不采，或放到后期集中開采，就會減少礦井服務(wù)期限，造成煤礦嚴(yán)重虧損。為了破解薄煤層安全高效開采這一技術(shù)難題，1999年鐵煤集團在全國率先從德國引進自動化刨煤機，經(jīng)過小青礦井下工業(yè)性試驗取得成功。至2013年底，集團公司共擁有德國DBT刨煤機4套、國產(chǎn)化刨煤機1套，分布在小青礦、大明礦、曉南礦、曉明礦開采1.3～1.6m厚的薄煤層，共回采薄煤層工作面34個，累計生產(chǎn)煤炭1392.5萬t。在此基礎(chǔ)上，鐵煤集團又劍指1.0m以下薄煤層刨煤機全自動化開采技術(shù)難題，組織專業(yè)人員開展技術(shù)攻關(guān)，并于2014年成功打造了“鐵法模式”升級版，取得了1.0m以下薄煤層年產(chǎn)100萬t以上的技術(shù)成果。

1 1.0m以下薄煤層全自動化刨煤機開采適應(yīng)條件

1.0m以下薄煤層全自動化刨煤機開采技術(shù)，一般適合開采煤厚不低于0.8m，煤層傾角小于15°，煤層起伏小于6°，硬度為2～3的薄煤層；當(dāng)煤層硬度大于3時，可以通過調(diào)整支護參數(shù)、落煤深度和利用工作面超前壓力對煤層的影響等方式來適應(yīng)煤層硬度變化；當(dāng)煤層頂板破碎或底板較軟影響開采效率時，可以將自動移架改為人工操作移架。

2 1.0m以下薄煤層全自動化刨煤機工作面設(shè)計相關(guān)技術(shù)

2.1 采煤工作面設(shè)計

1.0m以下薄煤層自動化開采技術(shù)一般采用長壁式布置方式，推進長度根據(jù)地質(zhì)條件一般布置在3000m以內(nèi)。工作面長度一般布置在200m左右，按3組支架為1組的尺寸遞減，如煤層賦存條件允許，為增加開采效率，工作面面長可布置到300m，工作面長度達到300m時，考慮到通風(fēng)以及工作面設(shè)備檢修、維護的安全和高效，可采用兩入一回的W型通風(fēng)的巷道布置方式。工作面兩順根據(jù)自動化開采設(shè)備的需要，運輸順槽寬度一般為5.6m，高度為3.0m；回風(fēng)順槽一般寬度為5.0m，高度為2.8m。

2.2 設(shè)備選型

為實現(xiàn)薄煤層機械化落煤、采空區(qū)自然垮落、自動化無人（或少人）控制，依據(jù)薄煤層開采技術(shù)選取配套的設(shè)備類型。

2.2.1 落煤設(shè)備

1.0m以下薄煤層開采技術(shù)目標(biāo)是“實現(xiàn)0.8m采高、自動化無人（或少人）操作、月產(chǎn)8萬t以上”，這就要求落煤設(shè)備符合0.8m采高的技術(shù)要求。GH9-38Ve/5.7N型刨煤機，刨頭最低高度800mm，符合1.0m以下采高的技術(shù)要求。選取該型刨煤機。刨煤機生產(chǎn)能力為735t/h；電機功率為200/400kW；截深為0～195mm；采用無極鏈牽引方式。

2.2.2 支護設(shè)備

采用ZY4800/06/16.5型支架，該支架最大有效支撐高度1650mm，最小合理支護高度800mm，伸縮比較大，能夠適應(yīng)薄煤層煤厚的變化。為適應(yīng)薄煤層開采技術(shù)要求，支架設(shè)備設(shè)施占用空間能進一步減少，對支架設(shè)備設(shè)施做重新設(shè)計布置，從而進一步降低工作面液壓支架的支護高度。

（1）功能控制閥組布置設(shè)計方式?？缮炜s式布置。為實現(xiàn)支架的自動化操作，支架采用PMC-R電液控制系統(tǒng)?？刂崎y組位置向架內(nèi)移200mm，行人空間寬度加大200mm?？刂崎y組固定方式由螺栓式改為滑道銷固定，滑道行程為500mm，檢修時控制閥組可拉出500mm，便于檢修和操作。

（2）架前空間調(diào)整方式?？烧{(diào)節(jié)式布置。支架推移桿滑移連接頭固定銷向后調(diào)整一個檔位，支架相對運輸機距離拉大100mm，空間寬度加大100mm，支架對應(yīng)運輸機電纜槽位置上方的頂梁厚度由原來170mm降到130mm，空間高度增加40mm。

（3）閥鎖位置設(shè)計布置。外露式布置。將平衡千斤頂單向閥改到前面，立柱雙向鎖位置由掩護梁改至頂梁立柱柱窩后側(cè)便于檢修。

（4）供液管路布置方式。多通式布置。對主供液多通塊設(shè)計為水平布置，使進、回液膠管平行工作面吊掛在主閥前支架底座上，防止在架內(nèi)壓壞，行人不受阻擋，增大了有效空間。通過技術(shù)創(chuàng)新后，（空間計算）工作面采高0.9m時，有效作業(yè)斷面0.70m2（寬度上0.9m、下1.2m、高0.77m）。支架與運輸機間距達到200mm，增強了對煤層起伏及厚度變化的適應(yīng)性。

2.2.3 運輸設(shè)備

根據(jù)薄煤層開采運輸能力要求采用DBT-PF3/822型運輸機，電機功率為200/400kw；輸送能力為2500t/h；中部槽尺寸：1505×1534×569mm。為使運輸設(shè)備附屬設(shè)備設(shè)施結(jié)構(gòu)更緊湊，增大工作面內(nèi)部作業(yè)空間，做相應(yīng)的設(shè)計。

（1）電纜槽設(shè)計。壓縮式設(shè)計。采用兩端供電、集中控制技術(shù)后，取消了工作面4根動力電纜，只鋪信號電纜，釋放了空間。為此運輸機電纜槽高度設(shè)計為70mm高電纜槽，降低了運輸機整體高度，減少了占用的空間，防止支架壓運輸機。

（2）附屬設(shè)施位置布置。內(nèi)含式布置。電話及急停開關(guān)由側(cè)面改到電纜槽下方，增大了架前與運輸機之間的空間，更加便于施工人員作業(yè)及通行。

2.2.4 端頭設(shè)備

為減小前后三角點的斷面，降低端頭支架的占用空間，進行了兩項自主設(shè)計：

（1）瘦身式支架設(shè)計。工作面前端頭采用三組ZT6200/18/32D端頭支架，為了縮小巷道斷面，研發(fā)了1240mm窄小端頭支架，支架中心距1480mm，總寬度4440mm，運順寬度5.2m滿足生產(chǎn)需要。運輸機機頭階梯式推移梁改為一字水平梁，端1前提800mm，使端頭架切頂線一致，減小了控頂面積，改善了端頭架支護質(zhì)量。

（2）運輸機與轉(zhuǎn)載機搭接設(shè)計。定位軸可旋轉(zhuǎn)聯(lián)接式。PF3/822運輸機機頭卸載方式為端卸式，機頭與底座之間鉸接方式設(shè)計為定位軸可旋轉(zhuǎn)式連接方式，運輸機頭在平面上的旋轉(zhuǎn)角度增加到8°（刨煤機前置電機與轉(zhuǎn)載機之間限位8°），能夠適應(yīng)25°傾角的煤層和150m以上旋轉(zhuǎn)開采的需要，提高了刨煤機的適應(yīng)性。定位軸式連接方式使運輸機頭卸貨點距離縮小了100mm，防止了運輸機拉回頭煤。定位軸式連接裝置高度為510mm，運順巷道高度2.6m可以滿足生產(chǎn)需要。

3 供電方式

3.1 兩端供電技術(shù)

兩端供電集中控制技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)采煤工作面動力電纜的布置方式，采用在采煤工作面運回順各安設(shè)一組變電列車，刨煤機、運輸機的機頭、機尾電動機分別從運回順變電列車直接供電。由于工作面不布置動力電纜，使電纜的檢查維護變得十分輕松方便，避免了以往工作面推溜、拉架對電纜造成傷害，避免了工作面電氣故障的發(fā)生。

3.2 集中控制技術(shù)

PROMOS中的智能接線盒kcck輸出直流24伏給一臺繼電器供電。通過繼電器的兩組常開接點經(jīng)工作面關(guān)聯(lián)線，控制運輸機機頭和機尾兩組開關(guān)啟動。兩臺開關(guān)低速無源常開接點和高速常開接點串接，實現(xiàn)一臺開關(guān)有故障另一臺開關(guān)斷開，避免了單電機運行，實現(xiàn)了同步啟動、同步保護的功能。刨煤機將電機控制線用工作面關(guān)聯(lián)線連接機頭和機尾KE1004開關(guān)，PROMOS直接完成頭尾電機同步啟動。

4 回采技術(shù)

4.1 自動化控制

依據(jù)薄煤層開采技術(shù)自動化控制系統(tǒng)由PROMOS主控系統(tǒng)和PMC支架電液控制系統(tǒng)兩部分組成。

控制的原理：

PROMOS控制系統(tǒng)。回采設(shè)備的運行由PROMOS執(zhí)行。

PMC電液控制系統(tǒng)。通過PMC服務(wù)器接收PROMOS數(shù)據(jù)并進行處理，指揮PMC-R控制單元對支架進行各種動作。

通過自動化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)工作面實時動態(tài)監(jiān)測、無人操作，達到安全、高效生產(chǎn)。

4.2 回采工藝

依據(jù)薄煤層開采技術(shù)，刨煤機沿刨煤機軌道通過刨鏈往復(fù)牽引落煤。采用“單向雙切”進刀方式，雙向穿梭式的落煤方式。運輸機的推移均由主控系統(tǒng)采集刨煤機運行位置，實現(xiàn)遠程控制，達到動態(tài)監(jiān)控、無人操作。

5 試驗面概況及生產(chǎn)情況

鐵煤集團大興礦N1E902工作面煤層厚度平均0.90m，垂直節(jié)理發(fā)育，屬于易刨煤層。煤層賦存為舒緩向斜，煤層傾角7°工作面走向342m，切眼200m，設(shè)計可采儲量9.17萬t。直接頂泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖厚1.38m，易冒落，老頂粗砂巖厚5.0m，較穩(wěn)定。煤層瓦斯絕對涌出量27.7m3/min。N1E902工作面2014年3月25日完成安裝及調(diào)試工作，開始正?；夭芍两Y(jié)束，日進尺最高10m、產(chǎn)量3000t，平均日進尺8m，平均單產(chǎn)2500t/d，平均月產(chǎn)7.5萬t，實際回采煤炭12.67萬t，取得了良好的效果，實現(xiàn)了安全高效的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

鐵煤集團1.0m以下極薄煤層全自動化刨煤機開采工業(yè)性實驗的成功，不但破解了極薄煤層安全、高效開采的世界性技術(shù)難題，填補了國內(nèi)煤炭行業(yè)極薄煤層開采的技術(shù)空白，還為解放我國約60多億噸的薄煤層煤炭資源奠定了堅實的基礎(chǔ)，對提高我國煤炭資源回收率具有極為重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。

作者簡介：楊清成（1968-），男，遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦學(xué)專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)職：遼寧省鐵嶺市調(diào)兵山市鐵法能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部采煤科科長。