薄煤层综采技术发展现状.pdf

第 1 4卷 第 1期 总第 8 6期 2 0 0 9年 2月 煤矿 开 采 Co a l mi ni ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 4 N o ． 1 S e r i e s N o ． 8 6 Fe b r ua r y 20 0 9 薄煤层综采技 术发展现状 粱洪光 山东省武所屯生建煤 矿 ，山东 滕州 2 7 7 5 1 4 [ 摘要] 要实现薄煤层工作面高产高效，其根本 出路在于发展采煤机械化，提高自动化水平。 回顾 了薄煤层综采的发展历程，并介绍了国内外薄煤层综采技术发展现状。 [ 关键词] 薄煤层；综合机械化开采；技术发展 [ 中图分类号]T D 8 2 3 ． 2 5 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 9 0 1 - 0 0 0 9 - 0 3 Cur r e nt De v e l o p me n t St a t us o f Ful l - me c ha ni z e d M i ni ng i n Th i n Co a l S e a m LI ANG Ho n g g u a n g Wu s u o t u n S h e n i a n C o l l i e r y o f S h a n d o n g P r o v i n c e ， T e n g z h o u 2 7 7 5 1 4，C h i n a Ab s t r a c t F o r r e a l i z i n g h i g h - p r o d u c t i o n a n d h i g h - e f f e c t o f mi n i n g f a c e i n t h i n c o a l s e a m ，d e v e l o p i n g c o a l mi n i n g me c h a n i z a t i o n a n d i mp r o v i n g a u t o ma t i o n d e g r e e i s a b a s i c s o l u t i o n ． De v e l o p me n t h i s t o r y a n d c u r r e n t s t a t u s of f u l l - me c h a n i z e d mi n i n g t h i n c o a l s e a m i n C h i n a a n d a b r o a d i s r e v i e we d i n t h i s p a p e r Ke y wo r d s t h i n c o a l s e a m ；f u l l - me c h a n i z e d mi n i n g ；t e c h n o l o gy d e v e l o p me n t 我国煤炭储量大且赋存多样化，其 中薄与极薄 煤层 资 源 丰 富 ，分 布 广 泛。 在 已探 明 矿 区 中， 8 4 ． 2 ％的矿 区均有 薄煤层分 布，其 主要分布在 河 南 、山西 、河北 、山东、四川、贵州 、吉 林、辽 宁、安徽 、内蒙古等省 区，其中有的矿区薄煤层储 量 占有相当大的 比重 ，如 安徽省 占 7 2 ％ ，四川省 占 5 1 ． 8 ％ ，贵州省 占 3 7 ． 2 ％。但每年从薄煤层 中 采出的煤 量仅 占全 国总产量 的 1 0 ． 4 ％ ，远远低 于 储量所 占的 比例 ，并且 自上世纪 9 0年代 以来 ，我 国薄煤层 回采产量呈逐年下降的趋势。 目前许多矿区随着开采强度的加大，厚及中厚 煤层的储量急剧下降甚至枯竭 ，薄及较薄煤层逐渐 变为主采煤层。这些局矿的薄煤层可采储量丰富 ， 贮存条件比较稳定 ，薄煤层的开采 日益受到重视 。 1 国外薄煤层开采及发展现状 国外长壁式薄煤层高效开采主要有两种技术途 径 采用刨煤机、刮板输送机和液压支架的刨煤机 综采机组 ；采用滚筒采煤机 、刮板输送机和液压支 架配套的采煤机机组 。 上世纪 9 0年代开始 ，德国 D B T公司开始研究 电液控制系统。目 前，该公司已经研究开发的以液 压支架 P M 2电液控制系统为基础的全 自动化无人 刨煤机综采工作面成套设备已经投入生产应用 ，实 现了薄煤层综合机械化采煤向综合 自 动化无人工作 面采煤的发展 ，使薄煤层开采达到了高产高效的 目 的。如 德国鲁尔公司佛德利希莱茵兰特矿，煤厚 1 ． 3 m，面长 3 1 0 m，采用刨煤机、电液控制系统平 均 日产煤 1 2 6 5 3 t ，最高 日产 1 6 5 0 0 t ；该公司的罗伯 特矿 ，煤厚 1～1 ． 1 6 m，刨煤 机综采工作 面，面长 3 0 8 m，平均 日产原 煤 1 3 5 0 0 t 。英 国 L o n gA i r d o x 公司、美 国 J o y 公司也研究开发了具有 自动化功能 的滚筒采煤机综采工作 面计算机控制系统 ，取得了 较好 的成 绩 。如 美 国煤 钢 联 B WS 0 煤 矿 ，煤 厚 1 ． 3 8 m，工作面长度 3 3 0 m，采 用采 煤机综 采 ，创 下 日产原煤 2 2 3 1 0 t的记 录。澳大利亚正在研制远 程控制全 自动无人长壁工作面开采技术。 为适应 “ 一矿 一面” 的高度集 中化生产模式 和煤矿生产集团化管理模式 ，先进采煤 国家研制开 发了矿井 自动化监测控制系统 ，主要生产环节已基 本实现 自动化检测监控 ，实现 了对综采工作面和矿 井运输 、通风、排水等设备和矿井瓦斯 、煤尘等安 全参数的全 自动化监测和控制。代表性产品有美国 MS A公司生 产 的 D A N 6 4 0 0系统 ，德 国 B E B R O公 司的 P R O MO S系统等。 8 0年 代 以来 ，德 国 E i c k h o ff公 司 研制 了 s L ． 3 0 0 L N、美 国 J O Y公司研制 了 4 L S 、英 国 A n d e r s o n 公 司研制了 E l e c t r a 5 5 0等电牵 引采煤机 ，均取得很 好效果 。1 9 9 9年全 美 6 9个 综采工 作面 中 ，约 2 7 个薄和较薄煤层工作面 ，日平均产量达 5～ 7 k t 。 [ 收稿 日期 ]2 0 0 80 71 8 [ 作者简介]梁洪光 1 9 6 8 一 ， 男 ，山东邹平人，工程师，一直从事采掘技术管理工作，现任武所屯生建煤矿总工程师。 9 总第8 6期 煤矿开 采 2 0 0 9年第1期 目前 ，世界各国主要采煤国家相继研制成功且 技术先进的薄煤层滚筒式采煤机有 德国 E i c k h o ff 公司的 E D W- 1 7 0 L N，E D W． 3 0 0 L N 德 国煤矿使用 的滚筒采煤机都是 E i c k h o ff公 司制造 ，英 国 A n ． d e r s o n公 司的 A M 4 2 0 ，A S 2 7 0薄煤层 电牵 引采 煤 机 ，前苏联 的 K 1 0 3和 日本三井三池 的 MC L E 3 o 0 ． D R 7 5 7 5 M 等 采 煤 机 ，基 本 上 满 足 了采 高 0 ． 6～ 1 ． 7 m煤层开采需要。其 中 E D W． 3 0 O L D，E l e c t r a电 牵引采煤机、MC L E 3 0 0 ． D R 7 5 7 5 M型采煤机总装机 功率都在 3 0 0 k W 以上。 纵观国外薄煤层采煤机发展情况 ，其主要发展 趋势是 1 装机功 率越 来越 大 在保证 采高下限的 前提下 ，采煤机装机功率越来越大 ，最大功率已达 5 0 0 k W 以上 ，如 E l e c t r a电牵引采煤机装机功率 达 5 1 6 k W。随着采煤机 的截割功率加大 ，其适应范围 随之增加 ，强行 通过各 种不 利地 质条 件 断层 、 夹矸 、局部变 窄、褶 曲 的能力也 随之提高 ，有 效地解决了空间有限的薄煤层安全高效开采 问题 。 2 无链交流电牵引技术 日益普及无链牵 引的牵引力大 ，提高了输送机对弯曲的适应能力 ， 使采煤机工作面更安全 、更可靠 ；电牵引传动效率 高、工作面可靠性高、使用可靠 、维护方便 ，克服 了液压牵引系统抗污染性低 、工作面可靠性差的缺 点 ，使采煤机的性能更加完善。 3 多电机驱动、 电机横 向布置 日益增 多 多电机横向布置，解决了功率加大带来的外形尺寸 增加的问题 ，降低了机面高度和机身长度 ，传动系 统简单 ，装拆 、维护十分方便 ，增强了采煤机对起 伏的适应性 。 4 牵引力不断加 大E D W一 3 0 0 L N牵 引力为 3 5 0 k N，薄 煤 层 E l e c t r a采 煤 机 最 大 牵 引 力 达 5 0 0 k N。牵引力大 ，采煤机可使用在倾 角较大 的煤 层 ，适用范 围更广。 5 自动化程度越来越 高9 O年代 以来新型 薄煤层采煤机都采用微机控制系统 ，装有多种监控 装置 ，便于及时发现并排除各种故障，保证机器可 靠运行。 2 国内薄煤层开采及发展现状 通过近几年的发展 ，目前国内薄煤层综合机械 化开采，主要采用如下几种方式 刨煤机配液压支架综合机械化开采方法 ；滚筒 采煤机配液压支架综合机械化开采方法；螺旋钻采 煤法。 1 0 2 ． 1 刨煤机配液压支架综合机械化开采方法 刨煤机是一种十分成功的薄煤层开采装备 ，能 极大提高煤炭生产效率。刨煤机的切割速度可达到 3 m ／ s ，切割功率超 过 22 0 0 k W。根据煤 的硬度 ， 每刀截深可达到 2 5 0 mm。 目前 ，工作面输送机和 刨煤机均可采用智能驱动系统 ，加上可靠的支架控 制系统 ，可使采煤工作面实现全部 自动化 。 用刨煤机开采薄煤层有如下优点 1 刨煤机是实现薄煤层机械化开采 的有效 途径 ，它实现 了落煤、装煤 、运煤 的联合机械化。 2 刨煤机动力部分放在 两侧 巷道 中，不进 工作面。另外刨头较低 ，适用薄煤层工作面。 3 刨煤机结 构简单 ，没有 复杂的液压元件 和液压系统 ，使用 、维修方便 。 4 可开采有 突 出危险 的煤层 。沿工作面煤 壁刨 出一道深 2 O～1 0 0 mm的煤槽 ，使瓦斯 自然释 放 ，防止瓦斯聚集。 5 操作安 全。刨煤机 司机 在工作面下端或 顺槽里操作 ，无须在工作面内跟机作业。 6 同电液控 制 的液压支架 配套 后 ，可实现 由井下计算机控制的无人工作面作业。 2 ． 2 滚筒采煤机配液压支架综合机械化开采方法 1 9 8 5年我国引进前苏联 K 1 0 3型电磁调速外牵 引采煤机 l 0台 5台为薄煤层综 采设备 ，在徐 州 、开滦 、鸡西、双鸭山、七台河等局 、矿使用， 后由辽源煤矿机械厂仿制 2台，虽然最后成套设备 试验未获预期效果 ，但作为采煤机采用的电磁调速 技术 ，后来在国内研制的经济型综采和高档普采采 煤机上获得广泛应用。薄煤层滚筒采煤机在我 国研 制 已有 3 0年历史 ，开发出多种机型，从液压驱动、 钢丝绳或链牵引发展到 目前电牵引采煤机 。现在国 产薄煤层滚筒采煤机基本 可以满足煤层厚度 0 ． 8～ 1 ． 8 m，煤质 中硬 以下 的缓倾 斜薄煤层 开采需 求。 与刨煤机相比，滚筒采煤机的主要特点 1 适应于煤层厚度变化较大的工作面； 2 对煤层顶底板起伏变化适应性强； 3 适用于含有夹矸煤层的回采 ； 4 过断层能力强 ； 5 对工作面长度要求 比刨煤机工作面短 。 薄煤层滚筒采煤机与中厚煤层采煤机相比，其 工作空间小 ，运输 、维修困难。因此 ，要求薄煤层 滚筒采煤机的可靠性高，事故率低，以便提高生产 效率。为适应薄煤层高产高效的需求， 薄煤层滚筒 采煤机应满足以下基本要求 1 考虑 到支架顶梁厚度 ，顶 板下沉 ，采煤 梁洪光薄煤层综采技术发展现状 2 0 0 9年第 1期 机最小采高应 比机面高度大 1 5 0 mm。机身长度要 短 ，以适应煤层 的起伏。 2 为提高采煤机 主要参数 的可靠性并增大 其适用范围，新一代薄煤层滚筒采煤机 的总装机功 率不应小 于 4 0 0 k W，每个滚筒 上的截割 功率不小 于 1 5 0～2 0 0 k W。 3 厚煤层采煤 机滚筒转速 向高转 速方 向发 展 ，滚筒最低转速 已达 2 5 r ／ m i n 。但对于薄煤层采 煤机应权衡装煤效果 与截割扭矩两者之间的关 系。 滚筒直径较小 ，装煤效果差 ，从改善装煤效果 的角 度考虑 ，转速应适 当高些 ，按经验 ，薄煤层采煤机 滚筒截齿线速度取 3 m ／ s 左右为宜 ，小滚筒截齿的 线速度可适 当高一些。例如 西 1 ． 0 m直径 的滚筒截 齿线速 度按 3 ． 5 m ／ s考虑 ，设计 的滚 筒 转速 应为 6 6． 8 5r ／ mi n。 4 牵引力取 决于采煤机 的截割功率 、采煤 机的重量 、行走阻力和回采煤层倾角等因素。薄煤 层采煤机装机功率在 2 0 0 k W 以下 ，采用单牵引时 ， 牵引力可 按 2 0 0 k N考 虑 ；采 用 多 电机 联合 驱 动， 装机功率在 3 0 0 k W 以上 ，双牵引时牵引力可按 3 0 0 ～ 4 0 0 k N考虑。 5 采煤机常用截深为 0 ． 6 3 m及 0 ． 8 m。薄煤 层滚筒采煤机为了提高生产效率 ，目前最大的截深 已达 1 ． 0 m。薄 煤层工作 面 ，受作 业空 间的限制 ， 采煤机的牵引速度不可能很高 ，常用牵引速度为 2 4 m ／ mi n ，最大牵引速度可按 6 m／ m i n考虑 。当遥 控采煤机与电液控制的支架配套使用时 ，工人无须 跟机作业 ，工作面内的所有作业为远程控制 自动化 作业 ，采煤机的开采和牵引速度可以极大提高 ，牵 引速度 可 达 1 O～1 5 m ／ mi n ，最 大 牵 引 速 度 可 达 2 0m／mi n。 6 可双向采煤 ，自开缺 口。 7 故障少 ，可靠性高，检修维护方便。 8 过煤空 间大 ，要求机身 下面过煤空 间不 小于 2 5 0 m m，以保证煤流能顺利通过。 薄煤层滚筒采煤机基本可分为骑溜式和爬底板 式两种。前者具有结构简单 ，牵引阻力低及空顶面 积小等特点，但 因采煤机骑溜运行 ，故通过空间和 过顶空间大，需要有较高的空间。后者具有结构紧 凑、机械强度高、滚筒拆卸方便、装煤效果好、易 于制造和维修方便等特点，但因采煤机爬底板运 行 ，故控顶距离较 大。当采高在 0 ． 8 5 m 以下 时宜 采用爬底式采煤机 ；如采高在 0 ． 8 5 m 以上 时，宜 采用骑溜式采煤机。为实现无切 口采煤 ，最好选用 短机身双滚筒采煤机 。鉴于采煤机司机跟机操作不 方便，最好采用具有遥控功能的采煤机。 2 ． 3 螺旋钻采煤法 螺旋钻采煤法是无人采煤工作面中较为成熟的 一 种方法。该采煤法广泛地用于开采 围岩不稳定的 薄煤层和极薄煤层 ，还可用于开采边角煤和回收各 种煤柱 。 螺旋钻采煤法 的最大特点是不需 回采工作面 ， 及不需 回撤工作 面内的采煤机 、输送机 和支护设 备 ，仅在巷道 中用螺旋钻采煤机就可将两侧各 5 0 ～ 7 0 m范围内的煤采出。工人在支护条件 良好 的巷 道中工作 ，安全状况有了可靠的保障 ，彻底地改变 了薄煤层回采工人在工作面内爬行 的工作状况。螺 旋钻采煤 机适用于煤厚 0 ． 4 5～1 ． 5 m，倾角 1 5 。 以 下 ，切割阻力小于 2 5 0～ 3 3 0 k N ／ m的煤层。 螺旋钻采煤法尽管巷道掘进率高，丢煤多，但 用人少 ，效率高 ，同时还可使一些平衡表外的储量 得到开采 ，相对提高了工业储量 ，延长了矿井的服 务年限。随着螺旋钻采煤法的不断完善 ，此种采煤 方法将有较好的发展前景。 3 我国薄煤层综采展望 发展薄煤层开采机械化 ，其核心是研制适应我 国煤矿需要的薄煤层 电牵引采煤机 。我 国薄煤层电 牵引采煤机今后将从以下几个方面得到发展 1 总装机功率得 到进一步提 高 ，总装机 功 率达到 6 0 07 0 0 k W，装机功率、机面高度与过煤 空间三者之间的矛盾仍然是研制大功率薄煤层采煤 机的主要技术难题 ，除发展新型高效 电机外 ，采用 特殊的总体布置方式仍是一条有效途经。 由于采煤机截割与牵引功率的增大，采煤机可 靠性的提高而具有更高的开机率 ，E t 产可望达到 4 ～ 5 k t ，达到现在中厚煤层工作面的生产能力 。 2 以发展 交 流变频 调速 电牵 引技 术为 主， 根据不同用户的需求 ，其他电牵引方式如开关磁组 和电磁滑差调速也将得到发展。 3 发展 的机 型主要 以骑刮板输送机采煤机 为主，爬底板采煤机虽然具有机面高度低，功率大 等优点 ，但 是 由于这种机 型对地质条件 的适应性 差 ，使用范围受到限制。 4 简化采煤机结构 ，采用先进工艺与技术 ， 提高采煤机 的工作可靠性 。 5 改进截割机构，提高截割效率，降低工 作面粉尘生成量。采用中高压喷雾降尘，改善工作 面生产环境 。增加滚筒截深 ，增大截深可提高每一 下转 2 4页 1 1 总第 8 6期 煤 矿 开 采 2 0 0 9年第 1期 体块度较大，爆坡器部分脱落。 4 效果评价 A级／ A级 B级 3 7 3 6 8 9 0 ． 8 6 ％ 6安全性和经济效益 比较 7 结论与改进意见 3 68 ／ ’ 6 ． 1 与火药爆破安全性对 比 1 C O 气体 爆破 是一 种气体 的体 积膨胀 ， 且是低温状态 ，在爆破全过程中不产生火花 ，不会 引发瓦斯和煤尘事故 ，且对瓦斯具有稀释作用。 2 C O 爆破器作用 原理属 物理爆破 ，粉 尘 小 ，不产生 C O，N O 等有害气体。 3 C O 爆破器储 存 、运 输、使用 、回收都 比较安全 、方便 ，易操做 ，与民爆产品相比，更易 于安全管理 ，无需专门放炮员 。 4 抛煤距离短 ，一般不超过 5 m，安全警戒 距离短 ，爆破时问短，相对增加了工作面的有效作 业时间。 5 爆破无破坏性震荡 和冲击波 ，对上下巷 和工作面支护不会产生破坏。 6 ． 2 经济效益对比 1 工业性 试验阶段共使用 4 0 5根次 ，通过 采用 C O 爆破器落煤 ，南二 0 1工作面平均单 产提 高 2 3 ． 2 5 ％ ，东 一 1 6号 工 作 面 平 均 单 产 提 高 8 ． 3 ％，南一 0 1工作面平均单产 提高 1 2 ％ ，矿井 精煤产量提高 5 ％。 2 井下装 “ 炮 ” 、躲 “ 炮” 方便 、节约 时 间 、节省人员 、提高工效 、块煤率高 、精煤率高 、 有利于提高经济效益 。 3 该 产 品故 障率 低。爆 破器 可 循 环使 用 3 0 0 0次 以上 。 4 取消了火药及雷管使用 ，节约 了火药及 雷管消耗。 1 具有很 高的安全性。液态 C O 爆破是一 种气体的体积膨胀 ，且是低温状态 ，在爆破全过程 中不产生火花 ，不会引发瓦斯和煤尘事故，且对瓦 斯具有稀释作用 ；电激活反应部分与产品主体绝缘 隔离、抗静电性强 、安全性好 。 2 爆破工艺简单 ，具有较 强的可操作性充 装 、使用简便 ，经厂家简单培训 ，5～1 0 d的现场 指导 ，即可完全掌握；C O 爆破器储存 、运输 、使 用 、回收都比较安全、方便 ，易操做 ；与火工品相 比，更易于安全管理，无需专门放炮员 ，替代传统 火药爆破 ，操作简便省时省力 ；通过调整爆破器压 力和释 P 21, 方向可控制煤的块度。 3 具有非 常广泛的应用领域。根据各类矿 井的实际情况 ，可选用不同规格 的爆破器 ，以适用 不同要求 ，如用于掘进 、回采 、放顶等不 同场所。 也可用采石 ，理石加工 ，处理堵煤仓 ，水下作业爆 破等 ，尤其适用在高瓦斯 ，突出矿井和易燃易爆气 体环境 中爆破。 4 改进意见 ① 深孔爆破时 ，爆破器 的防脱落装 置 止飞 器需要改进 ，提高可操作性。 ② 根据不 同爆破性质要求 ，释压孔方 向应重 新设计 ，以提高爆破效果。 ③ 爆破组起爆 时，不 同炮 眼根据需要按顺序 延时起爆 ，效果会更佳。 ④ 对 C O 的充装要求较严格 ，要求 C O 浓度 较纯 ，否则达不到效果。 ⑤ 爆破孔孔径与爆破装置的匹配要求较严格。 ⑥ 爆破力还 比较弱 ，对 于较坚硬煤岩体破坏 威力较弱 [ 责任编辑 Ni E ,- r ] 上接 1 1页 循环产量 ，截深从 目前的 0 ． 8 m增到 1 m左右 。 6 完善采煤机 自动控制 系统 与故 障诊 断系 统 ，利用煤岩识别技术 ，自动调整截割高度 ；利用 交流变频 电牵引技术 ，自动调整牵引速度 ；利用红 外技术和电液阀技术 ，引导液压支架和工作面输送 机 自动推移 ；工作面巷道集中控制站与采煤机 、液 压支架、输送机、工作面巷道设备以及地面调度室 的双向远程通讯 ；工作面巷道集中控制站、地面调 度室对采煤机等工作面设备的远程集 中控制 ，实现 薄煤层工作 面自动化开采 。 7 开发能适应较大倾角薄煤层生产需要 的 2 4 薄煤层 电牵引采煤机 。 8 加大牵引速度。 [ 参考文献 ] [ 1 ]致美兰．薄煤层电牵引滚筒采煤机技术发展现在状况 [ J ]． 煤炭科学技术 ，2 0 0 4 1 2 ． [ 2 ]贾悦谦 ．我 国煤矿开采技术 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 5 2 ． [ 3 ]乔红兵 ，等 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