我國連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)發(fā)展40a與展望

張彥祿王步康張小峰李發(fā)泉

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中國煤炭科工集團(tuán),北京 100013;3.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

煤炭是我國當(dāng)前及今后相當(dāng)長一個時期的主導(dǎo)能源。依靠科技創(chuàng)新,發(fā)展工藝先進(jìn)、生產(chǎn)效率高、資源利用率高、安全保障能力強(qiáng)、環(huán)境保護(hù)水平高的先進(jìn)采煤技術(shù)將是煤炭行業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略方向,也是煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。

我國煤炭以井工開采為主,長壁綜采技術(shù)的應(yīng)用使我國煤炭開采效率和安全水平顯著提升,但同時開采后遺留了大量的煤柱和殘采煤區(qū),此外,不規(guī)則塊段、“三下”壓煤(建筑物下、鐵路下和水體下)、邊幫壓煤等資源因開采經(jīng)濟(jì)性、地表環(huán)境制約等因素不適合長壁綜采,據(jù)不完全統(tǒng)計,我國現(xiàn)有煤炭資源中只有60%適合長壁綜采,且采后遺留20%殘采煤區(qū)和煤柱,40%不適合長壁綜采(其中17%為不規(guī)則塊段或地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜煤層,均不具備長壁綜采的條件;23%屬“三下”壓煤)[1],如何有效回收上述煤柱、不規(guī)則塊段和“三下”壓煤等資源已成為制約我國煤炭資源采出率提升、實現(xiàn)煤炭安全綠色高效開采的瓶頸問題。

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)(以下簡稱“短壁開采技術(shù)”)是基于現(xiàn)代房柱式采煤法、使用連續(xù)采煤機(jī)及其后配套裝備進(jìn)行煤炭開采的方法,具有采掘合一、機(jī)動靈活、投資小、見效快、適應(yīng)范圍廣等特點,因短壁工作面布置較靈活,可實現(xiàn)“即進(jìn)即退”機(jī)械化回采,對斷層、褶曲、陷落柱等構(gòu)造的應(yīng)變能力強(qiáng),因此,該技術(shù)適用于煤礦井下邊角煤、“三下”壓煤和不規(guī)則塊段開采[2-3]。改革開放以來,我國先后引進(jìn)了多種連續(xù)采煤機(jī)短壁技術(shù),并通過大量工藝改進(jìn)以提高該技術(shù)對我國多種地質(zhì)條件的適應(yīng)性,促進(jìn)了短壁開采技術(shù)的快速發(fā)展。1979年,同煤集團(tuán)大斗溝煤礦使用小松JOY 公司l2CM18 型連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行刀柱式開采,年產(chǎn)量達(dá)35 萬t;2001年,神東上灣煤礦推出連續(xù)采煤機(jī)、履帶行走式液壓支架、連續(xù)運輸系統(tǒng)配套使用的短壁開采技術(shù),創(chuàng)造了月產(chǎn)原煤12.6 萬t 的新紀(jì)錄[4];我國科研學(xué)者、技術(shù)人員圍繞短壁開采技術(shù)的發(fā)展前沿,結(jié)合我國煤炭開采實際需求開展持續(xù)科研攻關(guān),實現(xiàn)了機(jī)械化技術(shù)裝備從全面技術(shù)引進(jìn)到自主研發(fā)制造的轉(zhuǎn)變,在開采工藝、裝備研制和工程實踐等方面取得重大進(jìn)展,研發(fā)了適用于不同煤層賦存條件的短壁技術(shù)與裝備,形成了具有中國特色的短壁開采技術(shù)體系。1989年,中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司完成了國家“七五”攻關(guān)項目“連續(xù)采煤機(jī)采煤方法研究”;2008年,國產(chǎn)首臺EML340-26/45 型連續(xù)采煤機(jī)完成研制;2010年,國產(chǎn)首套短壁機(jī)械化示范工作面在山西朔州中煤東坡煤礦正式投產(chǎn),最高月產(chǎn)原煤達(dá)8.02 萬t[5];2020年4月,國產(chǎn)首套露天邊幫開采成套裝備在鄂爾多斯金正泰煤礦進(jìn)行邊幫壓煤回收試驗,實現(xiàn)了我國露天邊幫開采成套裝備的“從無到有”;此外,“適合‘三下’及邊角煤開采的短壁機(jī)械化采煤技術(shù)與設(shè)備”,“煤礦遺留煤柱與不規(guī)則塊段安全高效開采技術(shù)與裝備”相繼入選由中國煤炭工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《煤炭工業(yè)推廣應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)》目錄。

為進(jìn)一步完善和推廣連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù),《煤礦安全規(guī)程》(2016)版第116 條詳細(xì)規(guī)定了連續(xù)采煤開采在通風(fēng)、防滅火、頂板管理等方面的要求,但因?qū)Χ瘫陂_采技術(shù)認(rèn)識不足、相關(guān)開采工藝措施不健全等原因,我國短壁開采技術(shù)主要在陜蒙地區(qū)進(jìn)行了一定范圍的推廣,難以滿足我國對煤炭資源采出率的需求,甚至,一些煤礦以連續(xù)采煤機(jī)開采為名,進(jìn)行國家明令禁止的巷道式采煤,造成了重大傷亡事故,使短壁開采技術(shù)推廣陷入困境。基于此,通過分析闡述短壁開采技術(shù)與裝備的發(fā)展歷程和研究進(jìn)展,全面總結(jié)了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域代表性成果,并分析了相關(guān)技術(shù)發(fā)展過程中的問題,提出了短壁開采技術(shù)的發(fā)展趨勢及建議。

1 我國對短壁開采技術(shù)的需求

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)為煤柱、不規(guī)則塊段、“三下”壓煤、邊幫壓煤等資源的開采提供了有效解決途徑,該技術(shù)與長壁綜采形成互補(bǔ),提高煤炭資源采出率,同時可作為中小煤礦機(jī)械化升級改造的主要采煤技術(shù),提高中小煤礦采煤機(jī)械化程度,進(jìn)一步解放呆滯煤層,延長礦井服務(wù)年限。

1.1 煤柱及不規(guī)則塊段開采

多年來大規(guī)模粗放性開采,適合長壁開采的煤炭資源日益減少,長壁開采后的殘留煤柱、不能布置長壁的殘采煤區(qū)、不規(guī)則塊段等煤炭儲量占比逐年上升。資料顯示,每布置1 個長壁工作面,就會留下一個20～50 m 的煤柱,截止2020年5月,全國3 330 個在產(chǎn)綜采工作面,采后會留下幾千個煤柱;另一方面,處于礦區(qū)煤田的邊緣地帶、小的地質(zhì)構(gòu)造附近均不能用正常的長壁開采技術(shù)來回收,這些資源全國范圍內(nèi)達(dá)近百億噸;此外,20世紀(jì)我國大量地方小煤窯進(jìn)行了掠奪式開采,破壞了煤層的完整性,形成了許多人為的陷落柱和小窯采空區(qū),為綜采工作面布置帶來了困難,這些資源長期呆滯,造成了資源極大浪費。

“十一五”期間,為解決煤柱回收及不規(guī)則塊段高效開采問題,我國實施了國家科技支撐計劃項目“煤炭資源高效采選關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”,其子課題“煤柱及不規(guī)則塊段開采關(guān)鍵技術(shù)”針對煤柱回收及不規(guī)則塊段高效開采問題,創(chuàng)新和發(fā)展了連續(xù)采煤機(jī)短壁開采技術(shù)工藝體系,研制了國內(nèi)首臺連續(xù)采煤機(jī),為煤柱及不規(guī)則塊段開采提供了有效的技術(shù)途徑[6]。

1.2 “三下”壓煤開采

我國“三下”壓煤是一個量大面廣亟需解決的難題,“三下”采煤需要控制地表沉陷將地表環(huán)境影響程度降至最低。在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的華北地區(qū),村莊下壓煤較突出,據(jù)不完全統(tǒng)計,我國煤礦生產(chǎn)礦井“三下”壓煤量達(dá)140 億t,約95%以上生產(chǎn)礦井存在“三下”壓煤,其中建筑物下壓煤約87.6 億t,占“三下”壓煤總量的60%左右,可供28個年產(chǎn)500 萬t 的大型礦井開采100 a,其中煤炭主產(chǎn)區(qū)山西、陜西、安徽等8 省建筑物下壓煤64.7 億t,約占全國建筑物下壓煤量的84.7%[3]。

采用長壁綜合機(jī)械化等常規(guī)采煤方法開采“三下”壓煤較為困難,一旦開采,必然會造成不同程度的地表沉陷[7]。短壁開采技術(shù)可通過煤柱支撐法控制上覆巖層移動,一次采動范圍小,是較理想的“三下”采煤技術(shù);此外,中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司提出了連續(xù)采煤機(jī)短壁充填采煤法,將短壁開采技術(shù)與充填技術(shù)相結(jié)合,研發(fā)了風(fēng)積沙膏體膨脹材料充填系統(tǒng),短壁開采技術(shù)和設(shè)備運行空間方面都可滿足充填開采的技術(shù)要求,實現(xiàn)了采充平行作業(yè),進(jìn)一步豐富了綠色開采體系,提高了資源采出率,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益[8]。

1.3 露天邊幫壓煤回收

近年來,我國露天煤礦年產(chǎn)量突破5 億t,占年煤炭總產(chǎn)量比例的15%,邊幫壓煤總量已達(dá)到5 億t,年新增壓煤量2 000 萬t,這些資源長期得不到合理開采,煤炭資源浪費嚴(yán)重。同時,邊幫壓煤若不及時處理會危及礦山安全和生態(tài)環(huán)境。煤炭具有自燃屬性,露天開采后,邊坡壓煤若長時間接觸空氣,會產(chǎn)生自燃,嚴(yán)重影響煤田日常運行,破壞礦山周邊生態(tài)環(huán)境,而維持邊坡壓煤的化學(xué)穩(wěn)定需大量人力和物力。短壁開采技術(shù)為邊幫壓煤回收提供了新的思路,2015年至今,內(nèi)蒙古烏蘭露天煤礦利用連續(xù)采煤機(jī)和帶式輸送機(jī)進(jìn)行邊幫開采,日產(chǎn)最高可達(dá)3 000 t,噸煤成本低至20 元。

1.4 中小煤礦采煤機(jī)械化升級改造

我國采煤機(jī)械化率已達(dá)70.8%,意味著我國仍有30%的煤礦采用普采或高檔普采等技術(shù),這些煤礦大部分為中小煤礦,其特點是生產(chǎn)規(guī)模小、布局分散、勘探能力低、技術(shù)條件差、機(jī)械化水平低、生產(chǎn)環(huán)節(jié)不配套,采煤工作面布置不合理,管理混亂,安全作業(yè)隱患多,百萬噸死亡率高,工作面采出率低于50%。在對中小型煤礦實行資源整合的同時,亟需發(fā)展適合于中小煤礦的先進(jìn)的機(jī)械化采煤工藝及裝備。《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》明確指出:“鼓勵采用先進(jìn)技術(shù),大力推進(jìn)中小型煤礦機(jī)械化,形成完善的技術(shù)服務(wù)體系”。

“十一五”、“十二五”期間,國家加快了煤礦關(guān)閉淘汰和整合改造速度,目前,全國煤礦數(shù)量僅剩5 700處左右,在整合改造過程中,大量原有的礦井邊界資源形成有效采區(qū),而這些采區(qū)大部分為不規(guī)則塊段,需要特殊采煤方法進(jìn)行開采。

短壁開采技術(shù)具有較優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,短壁設(shè)備價格與長壁價格之比為1 ∶5～1 ∶6,而短壁單產(chǎn)與長壁單產(chǎn)之比為1 ∶2～1 ∶3(中小煤礦)[9],因此,該技術(shù)適合中小煤礦進(jìn)行機(jī)械化升級改造。

1.5 延長礦井服務(wù)年限

隨著煤炭資源的不斷開發(fā)利用,位于全周期末端的廢棄礦井問題逐步引起人們重視。預(yù)計到2030年,我國廢棄礦井將達(dá)到1.5 萬處,直接關(guān)閉或廢棄不僅造成資源的巨大浪費和國有資產(chǎn)流失(20～30億元/礦),還有可能誘發(fā)后續(xù)的安全、環(huán)境及社會等問題。開展廢棄礦井資源開發(fā)利用研究,努力減少資源浪費、變廢為寶,提高資源利用率,延長礦井服務(wù)年限,可推動資源枯竭型城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

發(fā)展短壁開采技術(shù),形成長壁和短壁相互補(bǔ)充的開采體系,是延長礦井服務(wù)年限的有效途徑。國家發(fā)改委2011年發(fā)布的《煤炭產(chǎn)業(yè)政策》規(guī)定:煤礦資源采出率必須達(dá)到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),鼓勵發(fā)展小型煤礦成套技術(shù)以及薄煤層采煤機(jī)械化、井下充填、“三下”采煤、邊角煤回收等提高資源回收率的采煤技術(shù)。

2 短壁開采工藝和理論的發(fā)展歷程

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)是煤炭安全高效開采的重要組成部分,伴隨著房柱式采煤理論和實踐的不斷發(fā)展,短壁開采技術(shù)以前所未有的速度發(fā)展起來,在工作面布置、頂板控制、通風(fēng)方式等方面取得了重要進(jìn)展,為工作面安全高效生產(chǎn)提供了可靠保障。

2.1 短壁采煤工藝研究進(jìn)展

短壁采煤法于20世紀(jì)初誕生于美國,直至20世紀(jì)40年代中期,連續(xù)采煤機(jī)的大量應(yīng)用使短壁采煤進(jìn)入了機(jī)械化高效開采階段,經(jīng)過多年工藝演變,形成了目前以連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法、旺格維利采煤法、塊段式采煤法為主的3 類代表性短壁開采工藝,3類開采工藝的對比見表1。

表1 連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化采煤工藝對比Table 1 Comparison of shortwall mining with the continuous miner

(1)連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法。該工藝是房式采煤工藝和房柱式采煤工藝的統(tǒng)稱,主要應(yīng)用在中厚煤層,有時也用于厚度較大的薄煤層。該工藝在美國、歐洲等國家應(yīng)用較普遍,其中美國井工開采中有70%的煤炭產(chǎn)量,來源于該工藝,該工藝特點是:①多巷布置,通常為3～7 條巷道同時掘進(jìn),1～2 條進(jìn)風(fēng),1～2 條回風(fēng);②掘進(jìn)形成煤房,房間留設(shè)不同形狀的煤柱,采完煤房后有計劃回收煤柱或不回收煤柱;③多巷同時掘進(jìn),平行作業(yè),效率高,且可采掘合一,邊掘進(jìn)邊回收煤柱,煤柱回收方式多樣;④工作面布置較靈活(圖1),適用于邊角煤、不規(guī)則塊段開采;⑤通風(fēng)方式采用全風(fēng)壓通風(fēng)結(jié)合風(fēng)簾方式,需要設(shè)置多組風(fēng)障導(dǎo)流,通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜,控風(fēng)難度大。

圖1 連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法工作面布置Fig.1 Panel layout of room and pillar mining with continuous miner

(2)旺格維利采煤法。該工藝是房柱式采煤工藝演變而來,其利用頂板壓力拱免壓圈原理[8],將回采點置于免壓圈內(nèi),免壓圈內(nèi)留設(shè)窄煤柱(主要為刀間煤柱),將隔離保護(hù)煤柱或未回采區(qū)(寬煤柱或連續(xù)煤柱)作為主壓力拱的主要承載區(qū),提高了采出率。其煤柱一般分為刀間煤柱、護(hù)巷煤柱、隔離保護(hù)煤柱等幾種,根據(jù)地質(zhì)條件確定各類煤柱尺寸。該工藝在澳大利亞、南非應(yīng)用較普遍,其中澳大利亞井工開采中有45%的煤炭產(chǎn)量來源于該工藝,該工藝特點是:①工作面布置靈活。2016年之前,我國普遍應(yīng)用雙翼布置的旺格維利采煤法。雙翼對拉布置,萬噸掘進(jìn)率低,可優(yōu)化支巷與回采巷道成90°夾角,降低二者銳角處垮幫隱患,同時增加回采寬度,提高工作面產(chǎn)量(圖2);雙翼折返式布置即左右翼分別為前進(jìn)式和后退式回采,將準(zhǔn)備支巷置于壓力顯現(xiàn)區(qū)之外,防止超前壓力對采場影響。雙翼布置因不能形成全風(fēng)壓通風(fēng),2016年后不允許使用,目前主要采用單翼布置,工作面布置如圖3所示。②相對房柱式采煤法,通風(fēng)構(gòu)筑物少,通風(fēng)管理費用低。③頂板可采用全部垮落法管理,可配備2 臺履帶式行走支架臨時支撐頂板,作業(yè)安全系數(shù)高。

圖2 旺格維利采煤法單翼工作面布置Fig.2 Panel layout of wongawilli mining with double wings and two concentration roadway

(3)塊段式采煤法。該工藝是旺格維利采煤法在我國不斷優(yōu)化而來,是短壁開采技術(shù)的高級階段,通過將開采區(qū)域劃分為若干矩形塊段,形成完整的全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng),并實現(xiàn)全部垮落法管理頂板,實現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)。該工藝在我國神東上灣、烏蘭木倫、榆家梁等煤礦成功應(yīng)用,平均采出率達(dá)80%。該工藝工作面布置如圖4所示,圖中字母代表開采煤柱順序,順序依次為A,B,C,…,O,該工藝特點是:①可通過短塊段設(shè)計和多臺履帶式行走支架支護(hù)頂板來提高采出率,實現(xiàn)無煤柱完全垮落法管理頂板,但萬噸掘進(jìn)率高;②對圍巖條件、煤層埋深要求較高,為實現(xiàn)全風(fēng)壓通風(fēng),需要支巷回采完畢后頂板方可垮落;③支巷長度受自然發(fā)火周期制約性大。

2.2 煤柱相關(guān)理論研究進(jìn)展

在短壁開采過程中,煤柱作為支護(hù)系統(tǒng)起到支撐頂板作用,同時也是回收對象,對煤柱的研究主要是解決煤柱回收過程中的安全、效率、環(huán)保問題,主要針對大面積懸頂引起的頂板事故災(zāi)害、開采導(dǎo)致的地表沉陷、提高采出率等方面開展相關(guān)理論研究。

煤柱回收方式主要分為兩大類:全部回收和部分回收。GIVENS 等[10]認(rèn)為應(yīng)將完全回收煤柱作為采煤的首要目標(biāo),不應(yīng)留設(shè)大尺寸煤柱阻止頂板發(fā)生適當(dāng)?shù)目迓浜蛷澢鲁?而MARK 等[11]則認(rèn)為應(yīng)留設(shè)合理的煤柱,并圍繞整體和局部穩(wěn)定的概念,建立了新的煤柱回收頂板控制理論,取代了傳統(tǒng)的強(qiáng)調(diào)完全開采,獲得了較理想的頂板控制效果,降低了頂板事故發(fā)生率。

圖3 旺格維利采煤法雙翼對拉式工作面布置Fig.3 Panel layout of wongawilli mining with single wing

圖4 塊段式采煤法工作面布置Fig.4 Panel layout of block and sectional mining

煤柱穩(wěn)定性決定著短壁開采的空間和安全,在煤柱穩(wěn)定性研究方面,經(jīng)典的煤柱載荷理論有壓力拱理論、有效區(qū)域理論、兩區(qū)約束理論等,MARK 等[12]針對短壁采煤法研發(fā)了煤柱穩(wěn)定性分析法ARMPS 軟件,該軟件利用穩(wěn)定系數(shù)SF 衡量煤柱系統(tǒng)整體穩(wěn)定性,能夠在4 種加載條件下快速、方便地計算煤房和煤柱部分的穩(wěn)定系數(shù)和隔離煤柱,數(shù)據(jù)庫包含650 多個歷史案例,通過設(shè)定穩(wěn)定性系數(shù)SF 為1.5,成功預(yù)測了61%的成功案例和82%的失敗案例;CHAWLA等[13-14]通過數(shù)值模擬方法優(yōu)化了煤柱尺寸,證明了數(shù)值模擬方法可較好的反映實際工況;譚毅等[15]建立了采硐狹窄煤柱、條帶煤柱力學(xué)模型及尖點突變模型,指出了窄煤柱滿足發(fā)生尖點突變失穩(wěn)的必要條件,通過理論計算得出了煤柱突跳壓縮量的計算公式,并證實了該壓縮量對覆巖及地表的移動有重要影響,為建筑物下的減沉開采提供了新思路;徐金海等[16]利用最小勢能原理,建立了考慮頂板剛度及煤柱軟化與流變特性的煤柱時間相關(guān)穩(wěn)定性分析模型,得到了煤柱保持長期穩(wěn)定的必要條件以及煤柱保持穩(wěn)定的最小時間計算公式;王樹立[17]基于彈性薄板理論,分析短壁連采關(guān)鍵層極限跨距變化規(guī)律,建立了關(guān)鍵層區(qū)段順序失穩(wěn)控制區(qū)段長度設(shè)計準(zhǔn)則,推導(dǎo)保證單區(qū)段關(guān)鍵層穩(wěn)定的隔離煤柱最小臨界寬度、煤柱協(xié)同順序破壞失穩(wěn)的隔離煤柱最大臨界寬度等參數(shù)。中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司利用采場模擬試驗臺,開展了短壁工作面覆巖移動規(guī)律的物理相似模擬試驗分析,得到了一定的采場礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律和頂板的垮落特征[8]。

在短壁開采地表沉陷控制方面,主要采用地表觀測、煤柱變形觀測和數(shù)值模擬等方法,捷克Ostrava-Karviná 煤礦應(yīng)用改進(jìn)后的房柱式采煤法開采“三下”壓煤,利用煤柱支撐法消除地表環(huán)境影響,經(jīng)長期觀測表明,煤柱變形和承載能力穩(wěn)定,該采煤法對地表結(jié)構(gòu)的影響程度小[18];ANDRE 等[19]通過數(shù)值模擬方法,得到了不同煤柱尺寸和開采順序?qū)Φ乇沓料莸挠绊懸?guī)律,并通過地表沉陷觀測和煤柱穩(wěn)定系數(shù)SF 計算,證明了數(shù)值模擬方法的有效性。

2.3 短壁開采頂板控制技術(shù)研究進(jìn)展

頂板控制技術(shù)是短壁開采研究的核心內(nèi)容之一,文獻(xiàn)[20-22]系統(tǒng)闡述了短壁開采頂板控制技術(shù),主要包括煤柱支護(hù)技術(shù)、支架切頂技術(shù)、爆破卸壓強(qiáng)制放頂技術(shù)、水力預(yù)裂技術(shù)、煤矸充填技術(shù),針對三角區(qū)的頂板控制,采用補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)、增大支護(hù)斷面、減小采硐開口長度、控制抹角跨度、跨度較大處增打木點柱等方法;文獻(xiàn)[23]提出了工藝極限回采煤工作面積與應(yīng)力極限回采煤工作面積概念,采用“強(qiáng)制放頂+小步距自然垮落”的全垮落控制模式管理頂板,有效保證回采工藝安全;我國自主研制的鏈臂切頂機(jī)[24]實現(xiàn)了機(jī)械切頂,代替爆破預(yù)裂工藝,為卸壓放頂技術(shù)提供了新的技術(shù)思路。

3 短壁開采裝備的發(fā)展歷程

進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采裝備經(jīng)歷了從無到有、由弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變,整體達(dá)到國際先進(jìn)水平,相繼研發(fā)了連續(xù)運輸系統(tǒng)、給料破碎機(jī)、履帶行走式液壓支架、錨桿鉆車、鏟車、梭車、連續(xù)采煤機(jī)、柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)等系列化、成套化短壁機(jī)械化開采裝備產(chǎn)品,形成了從煤柱及不規(guī)則塊段開采到露天壓煤回收、適應(yīng)于我國不同煤層賦存地質(zhì)條件和開采條件的、具備自主知識產(chǎn)權(quán)的短壁機(jī)械化開采技術(shù)與裝備體系。

目前,國內(nèi)主要有中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司、廊坊景隆重工機(jī)械有限公司、江蘇天明機(jī)械集團(tuán)有限公司等企業(yè)從事連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采裝備的研發(fā)和制造,其中中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司作為國內(nèi)最早開展連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采裝備研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè),依托國家及省部級等科研項目、煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實驗室開展持續(xù)攻關(guān),研發(fā)生產(chǎn)了包括連續(xù)采煤機(jī)在內(nèi)的短壁機(jī)械化全系列裝備,廣泛應(yīng)用于井下短壁開采、巷道掘進(jìn)、鉀鹽礦開采、露天邊幫開采等領(lǐng)域,成為國內(nèi)惟一的短壁成套技術(shù)與裝備供應(yīng)商。2003年,中國煤炭學(xué)會成立了短壁機(jī)械化開采專業(yè)委員會,并將其掛靠中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,每2年組織召開短壁機(jī)械化開采技術(shù)學(xué)術(shù)研討會,進(jìn)一步推動了連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采的發(fā)展。

3.1 連續(xù)采煤機(jī)

連續(xù)采煤機(jī)是一種集截割、裝載、轉(zhuǎn)運、行走、降塵于一體的綜合機(jī)組,是短壁機(jī)械化開采的核心裝備,自20世紀(jì)40年代第1 臺連續(xù)采煤機(jī)問世以來,目前已形成滾筒式、截割鏈?zhǔn)健⒙菪@式、全斷面式(按截割機(jī)構(gòu)形式分類)4 種類型產(chǎn)品,其中以滾筒式連續(xù)采煤機(jī)應(yīng)用最為廣泛,國外主要生產(chǎn)商有小松JOY,CAT,Eickhoff,Aker Wirth 等,其中小松JOY 產(chǎn)品性能較穩(wěn)定,市場占有率最高,系列化型譜較齊全。目前,各國連續(xù)采煤機(jī)制造企業(yè)已推出采高0.6～4.7 m、截割功率118～520 kW、整機(jī)質(zhì)量20～100 t、40 余種型號的系列化產(chǎn)品[25]。

我國于20世紀(jì)90年代初開始對連續(xù)采煤機(jī)裝備進(jìn)行基礎(chǔ)性研究,因相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)無法突破,使連續(xù)采煤機(jī)長期依賴進(jìn)口。2008年,在國家“十一五”科技支撐計劃項目“煤炭資源高效采選關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的支撐下,中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司研制成功國產(chǎn)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EML340-26/45 型連續(xù)采煤機(jī),該機(jī)質(zhì)量65 t,截割功率340 kW,采高2.6～4.6 m,先后在神東大柳塔礦、烏蘭木倫礦進(jìn)行了13 個月的巷道掘進(jìn)、短壁開采工業(yè)性試驗,其中在烏蘭木倫礦短壁工作面生產(chǎn)192 d,累計采硐1 059 個,進(jìn)尺12 377 m,共產(chǎn)煤48.5 萬t,試驗表明,EML340 型連續(xù)采煤機(jī)在性能和技術(shù)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到國際同類機(jī)型的先進(jìn)水平,在對特定地質(zhì)條件的適應(yīng)性、性價比、使用成本上均優(yōu)于引進(jìn)設(shè)備。在EML340-26/45 型連續(xù)采煤機(jī)成功研制的基礎(chǔ)上,相繼衍生出EML340-18/35,EML340-18/35F,EML340-33/55,EML340-13/25(圖5)等機(jī)型,采高覆蓋1.3～5.5 m,滿足分體下井、中厚偏薄至大采高煤層開采,并針對鉀鹽礦開采和露天邊幫開采特點,研制了EJL340-26/45 和EML340-33/55BP 兩種機(jī)型,部分產(chǎn)品已實現(xiàn)出口。

圖5 EML340-13/25 型連續(xù)采煤機(jī)Fig.5 EML340-13/25 continuous miner

在連續(xù)采煤機(jī)研制過程中,通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān),突破了一批關(guān)鍵技術(shù),代表性成果如下:

(1)千伏級交流變頻牽引調(diào)速技術(shù)。針對整機(jī)快速調(diào)動、截割牽引匹配等技術(shù)難題,在履帶式驅(qū)動裝置上首次采用直接1 140 V 四象限交流變頻調(diào)速技術(shù),根據(jù)不同工況自動調(diào)節(jié)掏槽速度,調(diào)速范圍廣、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)。

(2)截割-牽引反饋控制技術(shù)。為實現(xiàn)高效截割,解決截割電機(jī)頻繁過載的難題,與西安交通大學(xué)合作,開展了連續(xù)采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動力匹配理論研究[26],開發(fā)了牽引動力匹配算法,實車測試功率匹配結(jié)果與理論計算值誤差在10%左右;采用模糊控制方法調(diào)節(jié)行走速度,實現(xiàn)了截割牽引反饋閉環(huán)控制[27]。

(3)無軸承行星傳動技術(shù)。為解決低速、重載、尺寸受限的行星傳動系統(tǒng)難以實現(xiàn)等強(qiáng)度、等壽命設(shè)計的難題,與中科院有關(guān)院所合作開發(fā)了抗拉強(qiáng)度1 200 MPa、HRC40 的行星減速器用銅基合金行星軸,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑動軸承結(jié)構(gòu),并設(shè)計了減速器內(nèi)部油液循環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)了連續(xù)采煤機(jī)行走減速器高可靠性設(shè)計[28]。

(4)擺動式刮板輸送技術(shù)。連續(xù)采煤機(jī)采用輸送機(jī)尾擺動式運輸,為改善刮板鏈在運輸槽內(nèi)運行平穩(wěn)性和提高刮板鏈的使用壽命,建立了補(bǔ)償凸輪輪廓曲線的數(shù)學(xué)模型,提出了補(bǔ)償凸輪輪廓曲線的精確設(shè)計方法,實現(xiàn)了擺動式刮板運輸高可靠性[29]。

(5)高效機(jī)載濕式除塵技術(shù)。為解決短壁工作面粉塵防治的難題,與德國CFT 公司合作開發(fā)了機(jī)載濕式除塵器,采用濾網(wǎng)表面超疏水改性技術(shù)和雙面兩級流線形氣液分離技術(shù),綜合除塵效率達(dá)97%。

三一重型裝備有限公司、徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司、石家莊煤礦機(jī)械有限公司等單位研制出多款連續(xù)采煤機(jī),進(jìn)一步豐富我國連續(xù)采煤機(jī)的類型。

近年來,在連續(xù)采煤機(jī)安全和環(huán)境方面,國外在濕式滾筒降塵技術(shù)、雙鏈輪鏈條運輸系統(tǒng)降噪技術(shù)、新材料降噪技術(shù)、基于流場模擬的除塵系統(tǒng)優(yōu)化等技術(shù)開展試驗性研究;在連續(xù)采煤機(jī)智能化方面,澳大利亞CRISO 組織開發(fā)了連續(xù)采煤機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng),美國NIOSH 組織開發(fā)了連續(xù)采煤機(jī)人機(jī)防碰撞技術(shù),并應(yīng)用于小松JOY 部分機(jī)型上;在提高連續(xù)采煤機(jī)截割能力方面,俄羅斯S.A.PROKOPENKO 等[30]研制了一種可更換合金頭的截齒,合金頭采用微型滾刀,滾刀與齒柄通過螺紋銷連接,因刃口磨損均勻,其壽命高于傳統(tǒng)鎬型截齒。

3.2 錨桿鉆車

錨桿鉆車是用于短壁開采中巷道掘進(jìn)的安全高效錨桿支護(hù)設(shè)備,按行走方式分為履帶行走式和膠輪行走式,按鉆臂數(shù)量分為單臂、雙臂、四臂等;按動力源分有電纜供電或其他動力,按除塵方式分干式和濕式, 國外主要生產(chǎn)商有 J.H.FLETCHER, CAT,HYDRAMATIC,JOHN FINLAY 等,已經(jīng)形成了功能齊全、性能可靠、適用于不同的地質(zhì)條件和巷道斷面系列化產(chǎn)品。

2001年,在國家科技部科研院所專項資金資助下,中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司成功研制了CMM4-25 型錨桿鉆車[31](圖5),實現(xiàn)了日最高支護(hù)384 根,班最高140 根的支護(hù)水平,相比單體液壓鉆機(jī)支護(hù)效率提升了4～5 倍。后續(xù)相繼研制了CMM4 - 20, CMM5 - 25, CMM6 - 20, CMM8 - 25,CMM10-30,CMM2-25 等機(jī)型,涵蓋適應(yīng)巷道高度1.8～6 m,整機(jī)質(zhì)量17～50 t,其中CMM10-30 型錨桿鉆車采用跨騎式設(shè)計,實現(xiàn)運輸機(jī)在其下方相對穿行,從而實現(xiàn)支護(hù)作業(yè)與運輸平行作業(yè);系列化錨桿鉆車實現(xiàn)銷售100 余臺,在國能、中煤、兗礦、陜煤等礦區(qū)推廣使用,受到用戶一致好評,現(xiàn)已全部替代進(jìn)口,部分產(chǎn)品已出口至加拿大、老撾、印度等國家。

國產(chǎn)錨桿鉆車的主要技術(shù)特點:

(1)高可靠性無偏載鉆架。突破高可靠性免調(diào)整平穩(wěn)導(dǎo)向方式、無偏載對稱結(jié)構(gòu)布置、進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù),采用雙圓柱導(dǎo)向、兩根油缸對稱布置和雙鏈傳動,解決了鉆進(jìn)偏載的技術(shù)問題。

圖6 CMM2-25 型錨桿鉆車Fig.6 CMM2-25 bolter

(2)集成式真空負(fù)壓三級除塵技術(shù)。針對支護(hù)鉆孔粉塵處理的難題,創(chuàng)新研制由旋流器、重力沉降室、濾芯除塵器構(gòu)成的三級除塵系統(tǒng),除塵箱與動力裝置集成一體,管路顯著縮短,降低了延程損失,提高了除塵效率。創(chuàng)新采用阻抗復(fù)合式消聲器,抗性消聲部和阻性消聲部分別置于氣流入口和出口端,即前抗后阻,解決了該除塵系統(tǒng)降噪難題。

(3)高效模塊化卷纜裝置。采用碳刷滑環(huán)理論和雙螺旋組合技術(shù)實現(xiàn)了電纜的自動卷放和同步往復(fù)擺放,避免了人為收放電纜時工人經(jīng)常被擠傷的事故,消除了安全隱患。

(4)鉆機(jī)電液控制技術(shù)。實現(xiàn)鉆機(jī)由近距液控操作向遙控操作的跨越,提高了鉆孔操作安全性。

在錨桿鉆車的基礎(chǔ)上開發(fā)了MZHB2-1200/20,MZHB4 -1200/25,MZHB5 -1200/25,MZHB6 -1200/20 系列化錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組(圖7),集轉(zhuǎn)載、破碎和錨桿支護(hù)功能于一體,實現(xiàn)了錨桿支護(hù)與轉(zhuǎn)載平行作業(yè)。

圖7 MZHB6-1200/20 型錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組Fig.7 MZHB6-1200/20 bolter conveyor

近年來,國內(nèi)外錨桿鉆車主要在鉆機(jī)智能化、鉆架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆孔防塵方面開展。中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司研制了國內(nèi)首臺自動錨索鉆機(jī)[32](圖8),實現(xiàn)了錨索鉆孔自動接續(xù),采用機(jī)械手自動續(xù)裝釬桿,旋轉(zhuǎn)式釬桿倉一次可存儲9 根,最大鉆孔深度可達(dá)11 m,鉆孔用時15 min,近期,第2 代自動錨索鉆機(jī)已在黃陵二礦進(jìn)行工業(yè)性試驗。

圖8 自動錨索鉆機(jī)Fig.8 Automatic anchor cable drill

同時,由中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司研制的全自動兩臂錨桿鉆車已至神東大柳塔礦進(jìn)行工業(yè)性試驗[33](圖9),該鉆車將實現(xiàn)側(cè)幫和頂板全自動化支護(hù),即自主完成定位、掛網(wǎng)、鉆孔、上藥卷、裝錨桿、緊固錨桿等錨桿支護(hù)的全部工序。

圖9 全自動兩臂錨桿鉆車Fig.9 Fully automatic two boom bolter

在鉆架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,小松JOY,Sandvik 等公司通過進(jìn)給油缸兼做導(dǎo)向柱,實現(xiàn)了鉆架輕量化和小型化,同時液壓管路也大幅減少;在鉆孔防塵方面,J.H.FLETCHER 公司開發(fā)第3 代錨桿鉆車頂棚空氣幕[34],其原理是利用帶過濾功能的鼓風(fēng)機(jī)將過濾后的新鮮氣流通過管路輸送至頂棚下的增壓室,并通過增壓室周邊的噴嘴噴出形成空氣幕,空氣幕覆蓋錨桿司機(jī)周邊形成保護(hù)區(qū),從而阻止粉塵進(jìn)入保護(hù)區(qū)。增壓室采用鍍鋁設(shè)計實現(xiàn)減重,噴嘴采單排布置保證氣流均勻性,經(jīng)試驗測試,該裝置在進(jìn)風(fēng)側(cè)的控塵效率約26%～60%,而回風(fēng)側(cè)為3%～47%。

3.3 梭 車

梭車是連續(xù)采煤機(jī)短壁開采的轉(zhuǎn)運設(shè)備,其功能是在連續(xù)采煤機(jī)和給料破碎機(jī)之間往返進(jìn)行煤炭的短距運輸。經(jīng)歷了柴油機(jī)式、蓄電池式、電纜式3 代產(chǎn)品,目前,電纜式梭車因可靠性高、低運行成本和開機(jī)率高等特點而受到廣泛應(yīng)用,國外主要生產(chǎn)商有小松JOY,Phillips,Sandvik 等公司,其中小松JOY 梭車產(chǎn)品系列最為全面,涵蓋8～30 t 輕重機(jī)型。

2007年,在山西省科技創(chuàng)新項目支持下,中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司成功研制了國內(nèi)首臺SC10/182 型梭車,并相繼研制了SC15/185,SC15/182F[35]等機(jī)型(圖10),載質(zhì)量10 或15 t,裝機(jī)功率182 kW,適應(yīng)薄煤層至大采高開采,系列化產(chǎn)品運行穩(wěn)定、可靠性高,廣泛應(yīng)用在陜蒙地區(qū),單機(jī)最長服役近5 a,期間無升井大修,同時研制了SC15/182J 梭車,用于鉀鹽礦開采。

圖10 SC15/185F 型梭車Fig.10 SC15/185F shuttle car

國產(chǎn)梭車的主要技術(shù)特點:

(1)空間連桿四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。為實現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)向,采用空間連桿機(jī)構(gòu),輪胎兩側(cè)獨立電機(jī)驅(qū)動,無差速裝置,在近似滿足阿克曼定理前提下通過空間連桿優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑最優(yōu),轉(zhuǎn)彎半徑為內(nèi)3.5 m/外7.3 m,同時避免了輪胎滑移和電機(jī)發(fā)熱。

(2)重載輪邊減速器。該型減速器具有傳動、轉(zhuǎn)向和支撐三重功能,通過內(nèi)置球籠式萬向節(jié)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能,轉(zhuǎn)彎半徑小意味著較大的球籠擺角,而擺角過大會導(dǎo)致密封從球籠滑脫造成漏油、傳動效率下降,通過選型結(jié)構(gòu)合理的球籠聯(lián)軸器,并開發(fā)了與之匹配的球面密封,在比較逼近優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的轉(zhuǎn)向角度范圍內(nèi)盡可能增加球籠的擺角,從而防止密封失效。

3.4 連續(xù)運輸系統(tǒng)

連續(xù)運輸系統(tǒng)是短壁開采后配套運輸設(shè)備,具有運輸、破碎、轉(zhuǎn)載等功能,與連續(xù)采煤機(jī)和帶式輸送機(jī)配套實現(xiàn)落煤、裝煤、運煤機(jī)械化。國外主要生產(chǎn)商有CAT,Fairchild,Oldenburg·Syamler 等公司,各公司產(chǎn)品有所差異,但其共同特點是均由一系列橋式轉(zhuǎn)載機(jī)組成。

2002年,國內(nèi)首套LY1500/865-10 型連續(xù)運輸系統(tǒng)研制成功,在此基礎(chǔ)上,相繼研制出LY2000/980-10(圖11),LY2000/980-10C,LY600/577-10 等機(jī)型,涵蓋輸送能力600～2 000 t/h,總功率577～980 kW,轉(zhuǎn)載機(jī)水平擺動角度≥±60°,垂直擺動≥±7.5°,搭接方式為平行式或重疊式,系統(tǒng)由給料破碎機(jī)、多臺行走橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、多臺跨騎橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、滑移小車、卸料小車等單元組成,單元之間通過球形滑動軸承和聯(lián)接銷鉸接[36]。國產(chǎn)連續(xù)運輸系統(tǒng)在神東礦區(qū)應(yīng)用16 套,短壁回采工作面年產(chǎn)量超過220 萬t,最高月產(chǎn)量超過21 萬t,最高日產(chǎn)量超過1 萬t。在近水平煤層開采中梭車+給料破碎機(jī)組成的間斷運輸系統(tǒng)因調(diào)動靈活、工作面抹角較小,逐步取代了連續(xù)運輸系統(tǒng)的作用,而針對8°以上緩傾斜煤層開采中,連續(xù)運輸系統(tǒng)仍具有更優(yōu)的適應(yīng)性。

圖11 LY2000/980-10 型連續(xù)運輸系統(tǒng)Fig.11 LY2000/980-10 continuous conveyor system

3.5 履帶行走式液壓支架

履帶行走式液壓支架是短壁開采支護(hù)設(shè)備,將連續(xù)采煤機(jī)割煤后新暴露的頂板及時支護(hù),消除大面積懸頂對安全生產(chǎn)造成的隱患,同時具有切頂、逃逸功能,為工作面完全垮落法管理頂板提供了技術(shù)保障[37]。國外主要生產(chǎn)商有J.H FLETCHER、SANDVIK 等公司,其中J.H FLETCHER 公司產(chǎn)品型譜較齊全,已累計生產(chǎn)200 余臺,支護(hù)高度0.8～5.5 m、工作阻力5 450～7 260 kN,最大行走速度27 m/min。

2000年6月,國產(chǎn)首臺ZX7000/24.5/46 型履帶行走式液壓支架投入使用,該機(jī)支撐高度2.45～4.6 m,工作阻力7 000kN,初撐力為1 500～3 700 kN,在初撐力、地隙、接地比壓等指標(biāo)優(yōu)于國外同類機(jī)型;隨后,根據(jù)不同地質(zhì)條件的要求,相繼研制出ZX7000/17/30,ZX7000/25.5/50(圖12),ZX7000/22/43,ZX4500/15/27 等機(jī)型,相繼在神東、兗州礦區(qū)使用,提高了連續(xù)采煤機(jī)開機(jī)率和工作面安全性。

3.6 防爆膠輪鏟車

礦用防爆膠輪鏟車是短壁開采輔助運輸設(shè)備,其主要作用是清理浮煤、運輸煤炭、搬運機(jī)電設(shè)備和物料、拖拽機(jī)車及其他設(shè)備等,其中用于清理浮煤可提高連續(xù)采煤的生產(chǎn)效率,降低工人勞動強(qiáng)度。鏟車主要分為蓄電池式和內(nèi)燃機(jī)式,近年來,隨著充電技術(shù)及蓄電池裝置性能的提高,使蓄電池鏟車廣泛應(yīng)用。國外主要生產(chǎn)商有CAT、小松JOY 等公司,最具有代表性的車型有CAT 公司的482,488,488GLBC 型防爆鏟車。

圖12 ZX7000/25.5/50 型履帶行走式液壓支架Fig.12 ZX7000/25.5/50 mobile roof support with crawler frame

2007年,國內(nèi)首臺CLX3 型防爆膠輪鏟車投入使用,該產(chǎn)品采用前后車架鉸接式、防爆特殊型鉛酸蓄電池裝置供電、行走IGBT 直流調(diào)速等技術(shù),鏟斗容量3.28 m3、轉(zhuǎn)彎半徑7.18 m[38],其性能指標(biāo)均超過進(jìn)口482,488 機(jī)型,部分指標(biāo)接近或達(dá)到488GLBC型鏟車。隨后,在CLX3 型防爆膠輪鏟車的基礎(chǔ)上,WJX-10FB 防爆鉛酸蓄電池鏟運機(jī)研制成功(圖13),其后驅(qū)動橋通過擺架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)架與地面的適應(yīng)性,通過直交逆變交流變頻調(diào)速,實現(xiàn)鏟車無級連續(xù)調(diào)速。

圖13 WJX-10FB 防爆鉛酸蓄電池鏟運機(jī)Fig.13 WJX-10FB explosion proof lead acid battery forklift

3.7 柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)

柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)是短壁開采連續(xù)運輸設(shè)備,與傳統(tǒng)的連續(xù)運輸系統(tǒng)采用刮板式、多跨騎轉(zhuǎn)載不同的是,該系統(tǒng)采用可彎曲膠帶運輸、重疊膠帶搭接,具有轉(zhuǎn)載點少、運距長、移動靈活等特點。目前國外主要有小松JOY,Klockner-becorit 和D.M.E 等公司生產(chǎn)該產(chǎn)品,其中小松JOY 產(chǎn)品技術(shù)成熟度最高,其通過控制膠帶預(yù)緊力的方法,使膠帶兩邊在張力作用下呈弧形,機(jī)體由若干框架球形鉸接而成,若干組框架中有一組下面通過單履帶驅(qū)動,并通過轉(zhuǎn)向油缸轉(zhuǎn)向,最小轉(zhuǎn)彎半徑8.5 m,最大運距168 m,運量10.9～13.6 t/min。

2013年,中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司從膠帶機(jī)搭接、輸送、延伸3 要素攻關(guān),突破膠帶機(jī)長距離往復(fù)搭接、小半徑轉(zhuǎn)彎輸送、回采巷道膠帶主動延伸等關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)新研制了DZY100/160/135 柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)(圖14),該系統(tǒng)由移動式帶式輸送機(jī)、邁步式自移機(jī)尾、穿梭動力站構(gòu)成[32],膠帶寬度1 m,運輸能力1 600 t/h,驅(qū)動滾筒功率3×45 kW。該系統(tǒng)跟隨連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行連續(xù)運輸作業(yè),也可由給料破碎機(jī)牽引實現(xiàn)破煤、運煤一體化;通過位姿鎖定的蛇形關(guān)節(jié)架體,可水平和豎直方向擺動,實現(xiàn)8 m 半徑90°重載輸送;輸送機(jī)采用膠輪被動牽引行走,自移動力站實現(xiàn)退機(jī),通過偏置擺動式油氣懸掛自動調(diào)平機(jī)身,實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時平穩(wěn)運輸物料,適應(yīng)巷道起伏;采用重疊膠帶搭接技術(shù),電纜通過自動拖纜機(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動往復(fù)運動,機(jī)尾通過邁步式自移,最大搭接長度150 m。2019年,適應(yīng)膠帶寬度0.8 m 的DZY80/120/90 柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)順利下線。柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)已在國能、陜煤、陽煤等集團(tuán)應(yīng)用7 套,實現(xiàn)了煤炭高效、連續(xù)運輸,社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖14 柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)Fig.14 Flexible continuous conveyor system

4 存在的問題

國內(nèi)外生產(chǎn)實踐表明,在條件適宜的礦區(qū)采用連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)進(jìn)行煤柱、不規(guī)則塊段等資源的回收具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。然而,我國在該技術(shù)的推廣使用中暴露出技術(shù)規(guī)范不健全、相關(guān)技術(shù)運用不充分、安全措施不到位等問題,造成了一定的安全事故,極大限制了該技術(shù)的推廣使用。

4.1 技術(shù)規(guī)范的齊全性

技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)短壁開采活動和裝備研制的技術(shù)準(zhǔn)則,是作業(yè)安全性的重要保障。國外經(jīng)過多年技術(shù)積累,形成了成熟的短壁開采工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),早在1989年,澳大利亞發(fā)布了連續(xù)采煤機(jī)機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(MDG17),圍繞操作安全、制動系統(tǒng)、噪音、液壓系統(tǒng)、整機(jī)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量及檢測等均給出了相應(yīng)規(guī)定。我國直至2016年才將連續(xù)采煤機(jī)開采技術(shù)納入《煤礦安全規(guī)程》,對連續(xù)采煤機(jī)開采中的通風(fēng)、防滅火、頂板管理等方面進(jìn)行了規(guī)定,而在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上,我國至今沒有發(fā)布任何連續(xù)采煤機(jī)短壁開采相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),一定程度上限制了該技術(shù)水平升級和推廣應(yīng)用。

相關(guān)科研院所、行業(yè)協(xié)會和煤炭生產(chǎn)企業(yè)對該技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入研究。2014年,由中國神華能源股份有限公司、中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司合作完成的“連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)與開采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和重要標(biāo)準(zhǔn)研究”項目順利完成,該項目提出了連續(xù)采煤機(jī)開采技術(shù)與裝備標(biāo)準(zhǔn)體系,該標(biāo)準(zhǔn)體系分為3 個層次,涉及掘進(jìn)與開采技術(shù)、設(shè)備研制、設(shè)備選型、安全保障技術(shù)及設(shè)備檢測檢驗6 個專業(yè)領(lǐng)域,共計56 個標(biāo)準(zhǔn)條目,同時制定了《連續(xù)采煤機(jī)機(jī)械化開采技術(shù)規(guī)范》、《連續(xù)采煤機(jī)采掘成套裝備選型技術(shù)規(guī)范》、《連續(xù)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和性能要求》等7 項國家能源集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對進(jìn)一步規(guī)范連續(xù)采煤機(jī)短壁開采技術(shù)和成套裝備的生產(chǎn)制造起到重要的促進(jìn)作用。2017年,由中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司、神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司、三一重型裝備有限公司合作起草的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)采煤機(jī) 出廠檢驗規(guī)范》通過了煤炭行業(yè)煤礦專用設(shè)備技術(shù)委員會掘進(jìn)機(jī)械分會報批,但目前未正式發(fā)布,目前按懸臂式掘進(jìn)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為型式檢驗依據(jù),因相關(guān)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的差異性,懸臂式掘進(jìn)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)無法全面衡量連續(xù)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo),相關(guān)要求指標(biāo)具有不合理性,且一些主要性能指標(biāo)沒有規(guī)定。

4.2 短壁開采技術(shù)的先進(jìn)性

短壁開采技術(shù)包括采煤工藝和設(shè)備選型等方面,是一套具有工藝完善、安全保障齊全、裝備專用化的采煤方法。采煤工藝涵蓋短壁工作面設(shè)計、巷道支護(hù)設(shè)計、頂板管理、通風(fēng)、自然發(fā)火防治、粉塵防治、瓦斯防治等專業(yè)領(lǐng)域。

短壁開采工藝主要指連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采工藝,它是在全風(fēng)壓通風(fēng)、全部垮落法管理頂板、安全出口≥2 個的基礎(chǔ)上,通過完整的開采適應(yīng)性評估、礦壓監(jiān)測后,進(jìn)行工作面設(shè)計和設(shè)備選型,最大限度的保證生產(chǎn)安全;同時采用梭車作為短壁運輸設(shè)備,具有運量大、機(jī)動靈活的特點,一臺連續(xù)采煤機(jī)只需配置一臺梭車即可,減少工作面作業(yè)人數(shù);采用履帶行走式液壓支架對頂板的支護(hù)作用,有效消除了頂板垮落、煤柱壓力過大導(dǎo)致的片幫等安全隱患。

4.3 短壁開采的安全問題

短壁開采的安全問題主要為采空區(qū)頂板大面積垮落問題。根據(jù)短壁工作面布置特點,需要待支巷全部回采完畢實施密閉后方可強(qiáng)制放頂,而一方面,當(dāng)遇到頂板條件較差時,回采期間采硐直接頂可能垮落,造成工作面粉塵增加的安全隱患,甚至出現(xiàn)支巷頂板垮落造成工作面風(fēng)流通過垮落的采空區(qū)回風(fēng)、安全出口減少至1 個的現(xiàn)象,這種情況需要充分利用履帶行走式液壓支架支護(hù)作用防止支巷頂板垮落,同時采取針對性的防塵、防滅火措施;另一方面,部分礦井使用履帶行走式液壓支架的實踐表明,采空區(qū)直接頂基本可實現(xiàn)垮落,但存在局部直接頂不能及時垮落的情況,需要通過強(qiáng)制放頂技術(shù)消除直接頂大面積懸空隱患,而支巷密閉后頂板的垮落情況和垮落時間都難以監(jiān)測,給強(qiáng)制放頂時機(jī)的計算帶來了困難。

5 發(fā)展方向與建議

40 a 來,我國連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)與裝備得到了長足發(fā)展,取得了一批重大原創(chuàng)性成果,為我國煤炭資源的高效開發(fā)做出突出貢獻(xiàn)。然而,我國各礦區(qū)煤層賦存條件、相關(guān)從業(yè)人員綜合素質(zhì)、施工管理水平等方面存在較大差異。因此,需要結(jié)合我國煤礦開采實際條件,因地制宜,精準(zhǔn)施策,逐步發(fā)展和完善短壁開采技術(shù)與裝備體系。進(jìn)入“十四五”時期,圍繞煤礦智能化主題,為進(jìn)一步降低短壁工作面施工風(fēng)險、減少工作面作業(yè)人員,擴(kuò)大短壁開采技術(shù)的適應(yīng)范圍,實現(xiàn)不同賦存條件下煤柱、不規(guī)則塊段、邊角煤等資源的高效回收,針對該領(lǐng)域存在的主要問題,提出以下短壁開采技術(shù)與裝備的發(fā)展建議。

5.1 短壁開采基礎(chǔ)理論和方法

短壁開采是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其所面臨的對象是復(fù)雜多變的煤巖體,利用大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代手段進(jìn)一步研究我國各礦區(qū)煤炭賦存條件的分布規(guī)律,開展短壁開采技術(shù)的適應(yīng)性研究,形成科學(xué)、完善的短壁適應(yīng)性技術(shù)評價體系。

(1)進(jìn)一步深入研究短壁開采礦壓理論,為短壁頂板管理提供理論支撐。與長壁綜采技術(shù)相比,目前我國對短壁開采的礦壓理論仍不完善,短壁工作面布置形狀各異,并留設(shè)了硐間煤柱、隔離保護(hù)煤柱、支巷煤柱等不同規(guī)格的煤柱,頂板無法實現(xiàn)隨采隨冒,需要研究各類煤柱與直接頂、基本頂?shù)南嗷プ饔脵C(jī)理,研究覆巖結(jié)構(gòu)的演化特征和穩(wěn)定性,掌握直接頂時空垮落規(guī)律,掌握基本頂?shù)臄嗔研螒B(tài)、裂隙場發(fā)育及擴(kuò)展機(jī)理,從而實現(xiàn)頂板災(zāi)害預(yù)警和防控。

(2)在礦井地質(zhì)透明化的基礎(chǔ)上[39-40],進(jìn)一步探索新型煤柱和頂板監(jiān)測技術(shù)。開展隨鉆測量技術(shù)研究,通過研究錨桿支護(hù)鉆孔過程轉(zhuǎn)矩與圍巖特性的耦合關(guān)系,形成支巷頂板特性動態(tài)地圖,為回采的頂板特性提供相對可靠的參考。此外,當(dāng)支巷密閉后,如何監(jiān)測煤柱的應(yīng)力情況和頂板的垮落情況是一個技術(shù)難點,需要進(jìn)一步攻關(guān)研究。

(3)進(jìn)一步開展短壁開采方法研究,拓寬其適應(yīng)范圍。針對不穩(wěn)定、易冒落頂板條件,應(yīng)探索掩護(hù)式液壓支架與連續(xù)采煤機(jī)或短壁采煤機(jī)相結(jié)合的開采方法;針對厚煤層煤柱及不規(guī)則塊段開采,應(yīng)開展連續(xù)采煤機(jī)結(jié)合放頂煤工藝的可行性研究。另外,應(yīng)鼓勵開展短壁機(jī)械化開采新方法的試驗研究,如煤炭地下氣化研究,相關(guān)管理部門應(yīng)認(rèn)真做好安全評估準(zhǔn)試工作。

5.2 多樣化、系列化短壁開采裝備的創(chuàng)新研制

針對我國煤礦煤層賦存條件多樣化特點,開展連續(xù)采煤機(jī)及其后配套裝備的系列化、多樣化開發(fā),拓寬適應(yīng)范圍,尤其是加快1.3 m 以下薄煤層短壁裝備的研發(fā)進(jìn)程,目前,我國適應(yīng)薄煤層開采的連續(xù)采煤機(jī)、梭車、錨桿鉆車等關(guān)鍵裝備仍屬空白,大截寬橫軸式滾筒高效截割、大功率重型截割減速器等關(guān)鍵技術(shù)仍需突破。另外,適時開展重型連續(xù)采煤機(jī)、20 t 以上重載梭車等高效短壁裝備的研發(fā),進(jìn)一步完善各裝備型譜。在鉆機(jī)研制方面,開展鉆機(jī)的輕量化及小型化研制,結(jié)合鉆機(jī)的使用特點,利用新材料,降低鉆機(jī)的整體重量,提高其運動靈活性。

結(jié)合短壁開采新工藝,適時開展適應(yīng)短壁工作面的切頂裝備、一體化充填裝備、密閉墻施工裝備等連采連充、厚煤層短壁開采等新裝備。

5.3 智能化短壁工作面的建設(shè)

實現(xiàn)短壁工作面的智能化、無人化開采是解決短壁開采技術(shù)安全問題最有效的途徑。我國短壁裝備處于機(jī)械化向自動化轉(zhuǎn)型階段,短壁裝備的智能化不會一蹴而就,尚有許多關(guān)鍵技術(shù)仍待突破,可供選型的高性能和高可靠性防爆類傳感器等元器件還非常有限,因此,需要從頂層設(shè)計出發(fā),按功能需求逐步分段實現(xiàn)智能化短壁開采是目前較為適宜的方法。主要分為以下3 個階段:

(1)單機(jī)裝備功能的智能化。在連續(xù)采煤機(jī)智能化方面,主要實現(xiàn)自適應(yīng)截割和自主導(dǎo)航,開發(fā)連續(xù)采煤機(jī)定位和定向系統(tǒng),進(jìn)行機(jī)身實時位姿監(jiān)控,實現(xiàn)連采機(jī)遠(yuǎn)程控制截割和按規(guī)劃路徑行走;在梭車智能化方面,主要實現(xiàn)梭車的無人駕駛和自主裝卸,關(guān)鍵是突破轉(zhuǎn)向精度的精準(zhǔn)控制,實現(xiàn)梭車按導(dǎo)航路徑自主行走,同時,連續(xù)采煤機(jī)和給料破碎機(jī)分別與梭車在統(tǒng)一的導(dǎo)航控制系統(tǒng)下智能協(xié)同作業(yè),完成裝卸任務(wù);在錨桿鉆車的智能化方面,開展工作臂零位校準(zhǔn)系統(tǒng)研究,結(jié)合工作臂結(jié)構(gòu)形式,按照機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論建立工作臂運動學(xué)各關(guān)節(jié)正運動學(xué)模型和逆運動學(xué)模型的解析解,為工作臂零位校準(zhǔn)、參數(shù)校準(zhǔn)提供支撐;突破自動找孔技術(shù),開展基于機(jī)器視覺的的伺服控制系統(tǒng)研究,針對不同的地質(zhì)條件及現(xiàn)場狀況,實時修正控制量,提高找孔精度;開展自動錨索鉆機(jī)輸索機(jī)構(gòu)的研制,將錨索自動運輸至鉆孔中。

(2)短壁工作面的井下遠(yuǎn)程控制。以給料破碎機(jī)為遠(yuǎn)程控制中心,具有工作面多電壓供電管理、環(huán)境監(jiān)測(通風(fēng)、瓦斯、頂板監(jiān)測)、成套設(shè)備狀態(tài)圖形化實時顯示、工作面設(shè)備集控系統(tǒng)(多機(jī)聯(lián)動、協(xié)同控制)、膠帶機(jī)無人控制等功能,對工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程操控,實現(xiàn)對工作面設(shè)備、環(huán)境全息管控。開發(fā)給料破碎機(jī)的自主啟停控制系統(tǒng),利用組合測距技術(shù),實現(xiàn)梭車來貨啟動,閑時休眠;開發(fā)設(shè)備防碰撞技術(shù),實現(xiàn)工作面裝備安全運行。構(gòu)建融合Zigbee,Wi-Fi,5G 等無線通信技術(shù)的工作面信息網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)人員定位信息、視頻圖像、語音、工業(yè)數(shù)據(jù)的共網(wǎng)高速傳輸。

(3)短壁工作面的地面遠(yuǎn)程控制。開展短壁工作面數(shù)據(jù)感知、交互、上傳及健康診斷技術(shù)研究,建立工作面成套裝備數(shù)據(jù)感知系統(tǒng),積極開展數(shù)字孿生技術(shù)在短壁工作面的應(yīng)用,融合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和仿生智能技術(shù),實現(xiàn)工藝參數(shù)、設(shè)備運行參數(shù)、采煤過程管理數(shù)字孿生,最終實現(xiàn)短壁工作面的地面遠(yuǎn)程控制。