大采高采煤机开采工艺及工艺性能对比研究

常振华

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司， 山西 太原 030053）

引言

煤炭资源约占世界一次能源消费量的25%，我国煤炭资源非常丰富，煤炭查明资源储量仅次于美国和俄罗斯，而在产煤和煤炭消费方面更是位居世界首位。煤炭工业也是中国能源系统中的压舱石，为国家发展进步提供能源安全保障。近年来，提高煤炭资源的采出率和开采效率已经成为了评价中国煤炭工业进步程度的二项关键指标。我国煤炭资源分布情况复杂多样，有相当一部分煤层厚度很厚，若使用分层开采，虽能提高采出率，但其开采速度慢、效率低；若使用放顶煤开采，虽可加快开采速度，但采出率低，会造成较大的煤炭资源浪费。使用大采高一次采全高开采方法既能够降低煤炭资源浪费，也能够极大提高煤炭资源的开采速度。影响采煤作业效率、采煤作业安全的二种重要因素分别是采煤工艺与配套采煤机设施，所以有必要对大采高采煤机的开采工艺及工作性能进行对比与研究。

1 大采高综采工艺

大采高技术是指一次性开采煤层厚度在3.5 m以上，7 m 以下的较厚煤层，是一种长臂采煤技术。不同的煤矿都有各自不同的开采需求。一般情况下，各矿区会按照自己的需求以及各自煤层的实际情况，从单向割煤、双向割煤以及半截深割煤等几种大采高综合采煤工艺中进行选择。在选用开采工艺时，首先要结合煤层自身的实际情况以及自己煤矿的开采需求，其次是要在多种采煤工艺中选择在同样条件下具备更多优势的一种。本文以常见的单向割煤、双向割煤、半截深割煤三种开采工艺为例，对比研究其工艺性能。

1.1 单向割煤工艺适用条件

单向割煤工艺是指采煤机在开采过程中使用全截深推进割煤，通过液压支架进行支撑，由前滚筒和后滚筒共同作业，完成采煤[1]。其作业流程如图1 所示。单向割煤工艺分为割煤推进与返程采煤两步进行：首先是割煤推进，速度约为8 m/min，前滚筒对顶煤进行切割，后滚筒调高操作，可实现对1 m 厚度的煤层割煤；其次是返程采煤，采煤机返程中，速度控制约为20 m/min，前滚筒与后滚筒同时作业，切割剩余煤层。

图1 单向割煤作业流程

单向割煤工艺，返程后可立刻拉架，顶板支护较好，便于顶板管理，可持续工作，也更为安全。割煤推进与返程采煤时，采煤机工作负荷较小，因此采煤机发生损伤的概率很低。单向割煤中，对割煤工作人员需求量较小，因其易操作，全程仅需一个煤机司机即可完成采煤机操作作业。单向割煤虽优点众多，但也有不足，主要体现在：在采煤作业中机械设备加大对电缆、水管等影响，提高了这些设备的维护难度与维护成本；刮板机窜动幅度大、难以控制，技术需求高；采煤机回割底刀速度大，冲击链轮、销排，电缆夹板弯折次数增加，维护电缆、水管成本高。通过上述分析，结合该采煤工艺的优缺点，针对煤层硬度大的矿区，采用该工艺对开采作业连续进行有一定的保障。

1.2 双向割煤工艺适用条件

双向割煤工艺是指液压支架在开采过程中充分推进割煤深度，随后采煤机的前滚筒和后滚筒一次性采煤用于设计煤层的高度，在一个工作行程中只进行一次割煤。其作业流程如下页图2 所示。双向割煤时，采煤机上行割煤速度约为7 m/min，下行10 m/min[2]。

图2 双向割煤作业流程

该采煤工艺的优点是前滚筒与后滚筒可保持相同负荷运转。采煤人员劳动强度较低，同时工作面的顶板压力也相对较小。采煤机司机发动机器后，支架工人完成单冲程割煤，因此他们的劳动强度较低。采煤机回采后，液压支架随之跟进，这对于顶板起到了很好的支撑和保护作用。刮板输送机高低运作幅度小，便于工作人员进行控制。根据资料显示，神华宁夏煤业集团下的红柳煤矿为提高产量，将原有的单向割煤更换为双向割煤工艺,产量大幅度提高，最高日产量达到2.6 万t，最高月产量达到42 万t 均突破了该矿区有史以来的最高记录[3]。相较于单向割煤工艺，双向割煤工艺有着更严重的不足。机尾割煤时，一些机械设备，如运输机、采煤机等易产生突发故障。同时，采煤机作业会因出现大块煤而被迫中断，无法保证连续进行采煤作业，在面对大块煤较多的煤层环境时，使用该采煤工艺是非常不利。在对矿区电流、刮板输送机、采煤机等进行多次实验后得出结论：采煤机牵引部压力升高、刮板输送机压死出现的原因是采煤机与刮板输送机的控制开关跳闸频率较高，而造成频繁跳闸的根本原因，是因为采煤机与刮板输送机超负荷运转。因此，控制采煤机作业速度，确保其在正常工作负荷中运转，可以从源头解决上述问题的出现，从而确保矿区开采正常有序进行。同时，还应减少刮板输送机的滑动，具体方法是使用不同拉架顺序、调架方向，并与刮板输送机的推移顺序相结合：通过由上而下拉架、推移刮板输送机并将底座尾部上调，可防止刮板输送机上滑；通过完全相反的操作，由下而上拉架、推移刮板输送机并将底座尾部下调，可防止刮板输送机下滑。另外，支架也应及时支护：在采煤机的前滚筒2～4 架提前收护帮板，完成割煤作业之后，在采煤机1～2 架打护帮板，遇到顶板碎裂、煤壁片帮较大的情况时，使用带压擦顶的方式，超前移架，从而避免因采动影响、煤壁片帮而造成大块煤的出现。根据资料显示，煤壁片帮量取决于工作面采高，煤壁片帮少的情况多出现在采高≤4.5 m 时，而当采高超过4.8 m，煤壁片帮增加[4]。在上端部和下端部需两次斜切进刀，这就导致上口与下口要两次回收，因此，应预先做好上口与下口的回收准备工作，从而节省工作时间，确保生产作业持续进行。还应注意禁止提前回柱，确保支架支护的质量。与单向割煤技术相比，双向割煤技术速度更快，减轻顶板压力，与此同时，顶板的空顶时间也更短，这就为整体工作的安全问题提供了更加优良的条件，整个工程发生意外事故的概率也就随之降低。因此，一般在煤质硬度较低的条件下，使用双向割煤工艺，一方面确保整体开采作业安全稳定，另一方面又能够预防工艺上的缺陷引起的差错，使得双向割煤工艺能更好地发挥出它的优点。

1.3 半截深割煤工艺适用条件

割煤中，一次开采作业需两次往返。采煤机不同部位割煤方式不同，两端全截深割取，中间半截深割取。其作业流程如图3 所示。

图3 半截深割煤工艺作业流程

在煤机工作时，通常要保持10 m/min 的推进速度。在这样的速度下，煤流变化平稳，各个生产环节连接有序，同时设备能够进行稳定工作。煤机前后两个滚筒承载重量相差不大，交替进行位置互换，整体工作器械工作流畅，很少出现故障。在生产过程中，采煤机、刮板输送机及液压支架三种机械承载负荷稳定，变化不大，发生意外事故的可能性也很小。这三种机械在运作途中保持少负荷低电流，在一定程度上能够延长设备以及各个部件的使用寿命。刮板输送机高低运作幅度小，便于工作人员进行控制。然而，这种割煤工艺也是具有两面性的。同时存在着很大的缺陷。一方面，它有着自己独特的优势，在保证了采煤机稳定运作的前提下，又使得整个开采工作进程稳定有序，同时工作设备也有极少的可能会出现故障。另一方面，这种割煤工艺也存在着很大的自身缺陷，在整个开采工作中，需要采煤机司机与液压支架工两种作业人员，工作人员必须完成两个进程的行走工作，工作强度非常大，这就需要工作人员具备良好的身体素质。一般来说，在人员充足、煤层不稳定、煤质相对硬的情况下，可以优先采用半截深割煤工艺。尤其是在对生产工作的连续性、均衡性有很高的要求，而且又要使得采矿设备不能受到较大损伤的条件下，采用半截深割煤工艺的效果非常稳定。

2 采煤工艺适应分析

综合分析上述单向、双向、半截深三种大采高采煤机开采割煤工艺，针对煤层较软的大采高工作面，应使用双向割煤工艺，由于煤层硬度低，大块煤较少，机械设备可保持正常负荷内运转，并且避免了刮板机的上滑、下滑，开采作业人员工作强度较低。针对煤层硬的大采高工作面，如果有充足的采煤作业人员，使用单向割煤工艺或半截深割煤工艺，能充分减少大块煤数量，从而降低机械设备故障发生概率，开采作业持续有效进行，保障生产。

3 结语

在煤矿实际生产应用中，综合选择不同的采煤工艺，根据不同的现场条件进行选择，才能最大限度发挥采掘设备的生产能力，对提高煤矿生产水平，安全生产具有重要意义。对提高采煤工效、煤炭资源回收率具有重大作用。合理采煤工艺的选择，实现了矿井可持续发展，给企业创造了良好的经济效益，推动了煤矿采煤技术的发展，也极大地促进了安全高效矿井的建设。