薄煤层开采成套设备探索

李飞

（神东煤炭集团设备管理中心，陕西 神木 719315）

中国煤炭资源回采率一直十分低下，目前中国煤矿平均资源回收率为40%，是世界先进水平的一半。美国、澳大利亚、德国、加拿大等发达国家，资源回收率能达到80%左右，他们每挖1吨煤只消耗1.2吨-1.3吨资源。中国在1980年-2010年的30年间，煤炭资源就浪费了近300亿吨。企业为了追求利益，采厚弃薄，采易弃难，以大量消耗资源、缩短矿山服务年限为代价，使资源受到严重损失。按照2005年原煤产量21.9亿吨和30%的煤炭平均回采率计算，回采率提高1倍，全国每年将节约煤炭资源35亿吨左右。如果到2025年以前煤炭回采率大体保持50%的平均水平，则15年间将至少节约500亿吨煤炭资源。神华神东煤炭集团作为国内最大的煤炭企业，目前煤炭回采率平均76%，为进一步提高煤炭的回采率，目前正在论证自动化薄煤层开采。

1 国内外薄煤层开采现状

我国薄煤层煤炭储量约620亿吨，占总体储量的17.5%，但是由于薄煤层开采难度大，因此，年开采仅占全国总产量的10.4%。随着薄煤层综采设备制造技术的提升，以及国家对资源回采率的提高，薄煤层开采日益受到重视。国外长臂式薄煤层高效开采主要有两种途径，一是采用滚筒式采煤机、刮板运输机和液压支架配套的综采方式；二是采用刨煤机、刮板运输机和液压支架的综采方式。国内薄煤层大多采用滚筒式采煤机装备开采。

滚筒式采煤机开采方式与传统综采开采方式基本相同，但工作面更低，工人劳动强度更大，已经向自动化开采方向发展。据了解，目前国内采用刨煤机开采方式比较成功的是铁法矿区。

以位于辽宁铁岭市的铁法集团下属小青矿为例，目前该矿正在开采的一个薄煤层工作，使用北煤机ZY5200/08/18D，推移行程600mm，支护强度 0.46-0.79MP a，支架中心距1.5m；刨煤机功率2*400KW。巷道断面：运、回顺都为5.6*2.8m，回顺宽度可减小至5m，转载机搭接高度2.4m。回采过程中上行截深120mm，下行截深70mm。工作面日产4-5千吨，月产12万吨，年产150万吨。煤质较软，煤层有裂隙发育。

位于陕西省榆林市府谷县的南梁矿业有限公司下属南梁煤矿，目前正在开采一个薄煤层工作面，配套使用刨煤机开采，支架工作阻力7000KN，支撑高度900～1800mm，支护强度0.76～1.05MPa，支架中心距1.5m。运顺巷道断面：宽度5.4m，高度2.2m；回顺断面，宽度4.5m，高度2.2m。截深10-30mm。8小时生产，日产量约1500吨。南梁煤矿与神东煤炭集团榆家梁煤矿同属陕北侏罗纪煤田神府地方开采区中部，煤层条件与神东煤炭集团榆家梁矿4-3煤相似。该地区煤质较硬，煤层不发育，刨煤机截深和产量较铁法矿区有较大差距。

由于薄煤层工作面高度限制，工作面劳动强度大，生产效率低；国内外对薄煤层自动化工作一直抱有很大的热情。目前刨煤机开采已经实现工作面无人自动化生产，并可根据用户要求实现顺槽或地面集中控制。在德国采用地面集中控制，在中国和美国采用顺槽集中控制。控制系统由四个分系统组成，分别为支架控制系统，刨煤机控制系统，三机控制系统，显示系统，四个分系统与主控器MCU相连，由主控器进行集中操作控制。主控器可显示设备运行状况，如刨煤机位置、支架推溜状态、设备故障等信息，同时可对刨深、刨煤区段、支架成组动作等参数进行设置。刨煤机的刨深由支架电液控制系统自动推移实现，当煤质变硬或遇有夹矸时，刨煤机牵引电机电流加大，将反馈提示信息，操作人员通过主控器进行刨深等参数调整。生产过程中，工作面内不需人员操作设备，只需隔段时间进行巡视。

2 神东煤炭集团薄煤层开采探索

神东煤炭集团目前煤层厚度在0.8～1.7m地质储量为29.4亿吨。分别为：0.8～1.0m煤层地质储量3.1亿吨，1.0～1.3m煤层地质储量6.1亿吨，1.3～1.5m煤层地质储量8.2亿吨，1.5～1.7m煤层地质储量12亿吨。其中1.3-1.7m煤层储量为20.2亿吨，占到68.7%。

以神东公司榆家梁煤矿4-3煤为代表的薄煤层具有以下地质特点。自然地理位于陕北黄土高原北缘，地貌单元属黄土丘陵沟壑区，海拔高度一般在1100-1300m，相对高差近100余m。井田地表广覆第四系松散沉积物，现代侵蚀作用剧烈，沟谷下切严重，沿黄羊城沟等沟谷有含煤地层出露。据地质填图和钻孔揭露，矿井内地层由老到新有：中生界三叠系上统永坪组、侏罗系下统富县组、侏罗系中下统延安组、新生界第三系上新统、第四系中上更新统及全新统。

为提高资源回收率，神东公司从2004年开始致力于煤炭开采工艺的研究。就目前1.7m以下薄煤层开采在滚筒式开采和刨煤机开采两种方式已经研究了多年，并进行了多种方案研究和部分实践工作。

2.1 滚筒式采煤机开采装备研究

2.1.1 单面布置

工作面长度300m，采高范围1.3-1.8m，两顺槽5.4*2.2m。

（1）采煤机参数选型：生产能力为680t/h；采高适应（1.2-2.05）m；滚筒直径为（1050～1400）mm。

（2）液压支架参数选型：采用两柱掩护式支护，支架高度适应（1050～2000）mm；支护强度为（0.85～1.09）MPa。

（3）刮板输送机参数：设计长度为400m，输送量为1000t/h。

2.1.2 对拉工作面

对拉工作面参数为（260+260m，300+300m），采高范围1.3-1.8m，一条运输顺槽5.4*2.5m，两条回风顺槽5.4*2.2m。其中采煤机和液压支架参数选型同单面布置情况，刮板输送机设计长度为320m，输送量为800t/h。

2.2 刨煤机开采方式研究

（1）刨煤机选型技术参数选型：1321t/h(1.7m/2.7kN/70mm)，适应采高为（1.1～1.8）m，刨深为70mm。

（2）三机选型技术参数：①刮板运输机：最大运输能力为1400t/h(0°)；②转载机：最大运输能力为2900t/h(0°)；③破碎机：最大破碎能力为3500t/h。

（3）液压支架选型确定研究：

支架高度选型为0.7-1.6米时，在1.1-1.4米采高范围内支护强度为0.64-0.68MPa，较小；支架的最低高度选型不小于0.95米时，在1.1-1.4米采高范围内支护强度基本可达到0.9MPa以上。结合专业院校和研究单位的矿压分析报告要求支护强度大于0.8MPa的情况，建议液压支架选型技术参数为：最小高度950mm，最大高度1900mm，中心距1750mm，立柱缸径320mm，初撑力5148kN，工作阻力7238kN，安全阀开启压力45Mpa，支护强度（1.2-1.7m）时0.87-0.94Mpa。

受运输机槽帮高度、俯仰调整油缸和电缆槽高度限制，刨煤机按2*800KW、运输机按2*630KW选型时，支架高度小于1.0米时，支架顶梁与运输机电缆槽干涉；架前行人空间不足700*400mm（宽*高），行人困难；同时在0.8米高度以下时，顶梁与刨煤机也存在干涉。鉴于设计空间的受限，结合生产接续情况，首套支架可选型为7238 kN/950-1900mm或8413kN/1050-2000mm，支护强度可达到0.85MPa以上。为较好的适应更薄煤层的开采，建议支架可选型为7238 kN/950-1900mm，基本可满足1.2-1.7米采高的回采需求，可采范围较大，更有利于试验刨煤机的适用性能。

（4）运输机采用变频驱动确定研究：最初驱动部配套使用CST软启动，在机头部距巷道有700mm的安全间隙情况下，运顺最小巷道宽度需为5.8米。驱动部更换为变频控制后，驱动部总长较配套CST型式加长约176mm（290-114），运顺最小巷道宽度需增大到6.0米。前期方案研究和论证时，考虑巷道支护和维护问题，最终确定为CST驱动型式，运顺巷道宽度确定为5.8米。后经过神东在6.3米和7米工作面6.0米以上宽度的大断面巷道使用，6.0米巷道可进行安全支护使用。据此，确定运输机配套使用变频驱动技术。

3 神东煤炭集团薄煤层开采方式选择讨论

3.1 刨煤机分布及使用情况

根据DBT提供信息统计，2002年至今共销售38套刨煤机设备，其中中国10套，国外28套。

（1）国外主要分布为：德国10套，俄罗斯5套，捷克4套，美国、波兰、乌克兰、哈萨克斯坦各2套，墨西哥1套。其中2*800KW 7套，全部在德国，其中电机为保越1000KW变频电机，但设计允许使用功率为800KW；2*600KW 2套，在美国；2*400KW 23套，分布在中国、德国和捷克等地，2*315KW和2*250KW共计6套。

（2）国内分布情况：共引进刨煤机10套，其中铁法4套，大同晋华宫1套，晋城凤凰山1套，西山马兰1套，沈阳红阳三矿1套，山西离柳焦煤集团1套、宁夏宝丰1套。其中铁法第1套和西山马兰1套为2×315kW，其余都为 2×400kW。

（3）部分矿井使用情况如下：①铁法：第一套在大明矿使用；第三套在小南矿安装，第二套和第四套在地面检修。第一套引进时间为2000年，第二套为2003年，近8-10年一直在用。工作面顶板压力较大，煤质较软（f系数小于2），煤层裂隙发育，工作面大面积片帮，刨煤机使用情况较好。②大同晋华宫：04年到货，06年停用，因设备对地质条件适应性差，出现地质条件变化，主要是构造、断层、煤的硬度变大，导致刨煤机刨不动，机电故障过多，出现断链等故障。同时，遇到构造和断层时，需要放炮，产量减小，共生产3个面，产出120万吨煤，最高月产达到10万吨（条件好时）。使用中主要问题是备件储备不足，影响生产时间长，共投入1.7-1.8亿元材料、配件费用，使用成本也比较高。③晋城凤凰山：05年到货，09年停用。主要是设备对地质条件适应性差，出现构造、断层等地质条件变化，煤的硬度变大，导致刨煤机刨不动，机电故障过多，出现断链等故障较多。

3.2 1.7米以下滚筒式薄煤层采煤装备情况

（1）国内：薄煤层综采工作面较多，相应配套设备类型也较多，大都为国产设备，采用滚筒式采煤机。国产成套薄煤层设备采购总费用约为1.15亿元。

（2）国外：目前JOY和EKF均没有适合此类采高的成熟产品。JOY公司已完成薄煤层采煤机、支架、三机成套设备设计；EKF采煤机完成了方案设计，正在研制。进口成套薄煤层开采设备采购总费用约为4.5亿元。

3.3 神东薄煤层装备选型探讨

根据神东目前国产和进口设备总体使用情况，结合薄煤层设备调研和考察交流情况，为保证设备配套使用的可靠性，同时考虑采购成本和投资风险，提出设备配套选型建议：

（1）成套采购国产滚筒式采煤设备。

（2）液压支架总体国产采购，其中立柱、推移油缸和电液控制系统进口采购，同时采购实现顺槽集中控制的自动化设备，以提高自动化技术水平和稳定性。

（3）三机总体国产采购，驱动部、链轮和链条进口采购。

（4）采煤机国产采购。

（5）进一步关注国内外刨煤机设备使用情况，根据煤层变化和设备技术发展情况确定是否采高刨煤机装备。

4 薄煤层开采装备的发展趋势

我国薄煤层资源丰富，分布面广，煤质好。据统计，全国薄煤层的储量占全部可采储量的20%，在近80个矿区中的400多个矿井中就有750多层为薄煤层。其中厚度在0.8-1.3m的共占86%，小于0.8m的共占14%。一些地区薄煤层储量比重很大，贵州省占37%，山东省占52%，四川省占60%。尽管有较好的储存条件，但受劳动强度大、机械化程度低、安全系数低、工作效率低的影响，每年从薄煤层中采出的煤量仅占全国总储量的10.4%，而且有继续下降的趋势，薄煤层产量与储量的比例严重失调，造成国家资源浪费严重。

薄煤层开采具有顶板压力小、高度小、工人工作环境差的特点，因此薄煤层采煤设备应向可靠性高、自动化和信息化程度高的方向发展，以提高采煤效率，减少工作面作业人员，降低工人劳动强度，实现薄煤层自动化开采。薄煤层滚筒式采煤和刨煤机落煤是实现薄煤层自动化开采的发展方向。

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