薄煤层开采综合机械化技术现状及发展.pdf

第3 4 卷 第2 期 煤炭科学技术 2 0 0 6 年2 月 薄煤层开采综合机械化技术现状及发展 乔红兵， 吴淼， 胡登高 中国矿业大学 北京 。北京1 0 0 0 8 3 摘要从国内外薄煤层开采综合机械化技术现状和发展过程出发，讨论和分析了国内外综合机械 化的技术特点，以及国内综合机械化技术的差距，提出了薄煤层开采综合机械化的发展前景。 关键词薄煤层开采；综合机械化；技术现状 中图分类号 T I M2 1 ． 6 3 文献标识码 A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 6 0 2 0 0 0 1 0 5 P r e s e n t s t a t u s a n d d e v e l o p me n t o f f u l l y me c h a n i z a t i o n t e c h n o l o g y f o r t h i n s e a m mi n i n g Q I A O H o n g - b i n g ，WU Mi a o ， H U D e n g - g a o B e lti n g C a m p u s ，C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e lti n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t F r o m t h e p r e s e n t s t a t u s a n d d e v e l o p me n t o f t h e f u l l y me c h a n i z a t i o n t e c h n o l o g y f o r t h i n s e a m mi n i n g a t h o me an d a b r o a d ，t h e p a p e r d i s c u s s e d a n d a n a l y z e d t h e t e c h n i c a l f e a t u r e s a n d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e f u l l y me c h a n i z a t i o n f o r t h i n s e a ／ ／ i mi n i n g a t h o me a n d a b r o a d a n d t h e d i f f e r e n t i a l o f t h e C h i n e s e f u l l y me c h a n i z a t i o n t e c h n o l o gy ．T h e p a p e r p r o v i d e d t h e d e v e l o p me n t o u t l o o k o f t h e f u l l y me c h a n i z a t i o n f o r t h i n s e a m mi n i n g ． Ke y wo r d s t h i n s e a m mi n i n g；f u l l me c h a n i z a t i o n；t e c h n o l o g y s t a t u s 我国薄煤层资源丰富，1 ． 3 113． 以下煤层可采储 量约占全部可采储量的 2 0 ％。搞好薄煤层机械化 开采对于煤炭资源保护和利用，对于延长矿井开采 寿命和实现高效开采都具有重要意义。 1 薄煤层开采不利因素 薄煤层开采存在以下不利因素 1 机械化程度低。采煤工作面空间狭小，工 作条件较差，给设备设计制造和井下移动带来诸多 困难。 2 产出效率低。由于煤层厚度变化、断层等 地质构造，对薄煤层开采影响较大，生产能力低， 一 般薄煤层单产只为中厚煤层的 1 ／ 3 或更少。 3 投入产出比高。因为效率低，掘进率高， 其开采成本明显高于中厚煤层，而经济效益不如中 厚煤层。 可见，发展机械化、实现综合机械化采煤，是 实现薄煤层开采高产高效的唯一出路，我国在这方 面一直在不断努力。 2 综合机械化技术现状及发展 目前，我国薄煤层开采综合机械化有许多种， 大致分以下几类① 滚筒采煤机；② 刨煤机；③ 连续采煤机 房柱式采煤 ；④ 螺旋钻采煤。 2 ． 1 滚筒采煤机 我国薄煤层采煤机的研究始于 2 0世纪 6 0年 代，主要用于改装、革新类机组。这类薄煤层滚筒 采煤机主要有 M L Q系列采煤机，如 M L Q一6 4 、 M L Q一 8 0 、M L Q 一1 0 0型等采煤机，装机功率 6 0 1 0 0 k W，采用钢丝绳或链牵引，牵引传动方式 为液压调速加齿轮减速。主要液压元件为叶片泵、 叶片马达 ，牵引力 9 0 k N ，牵 引速 度 0～2 ． 5 m ／ ra i n 。 适用于采高 0 ． 8 1 ． 5 113． ，煤质硬度为中硬 以下的缓倾斜薄煤层中使用。目前这类采煤机在中 小型煤矿仍有使用，平均年产量为 8 一 l 4万 t 。 7 0 8 0年代初期我国自行研制开发的中小功 率薄煤层滚筒采煤机。比较典型的有 Z B 一 1 0 0型 单滚筒骑输送机采煤机，B M系列骑输送机滚筒采 1 维普资讯 第3 4 卷 第 2 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年 2 月 煤机，包括 B M D一 1 0 0型单滚筒采煤机，B M一 1 0 0 型双滚筒采煤机。z B 一 1 0 0型采煤机装机功率 1 0 0 k W，链牵引，牵引传动方式为液压调速加齿轮减 速，主要液压元件 为叶片泵 、叶片 马达，牵 引力 9 0 k N，牵引速度O～ 2 ． 4 m ／ ra i n 。适用于采高 0 ． 7 5 1 ． 3 n l ，煤质硬度为中硬以下的缓倾斜薄煤层中 使用。该采煤机仅在淄博矿务局使用，平均年产量 为 1 0万 t 左右。B M系列采煤机在我国多个局矿均 有使用，是薄煤层开采的主力机型之一。 8 0 9 0年代期间，为了满足开采较硬薄煤层 的需要和提高薄煤层滚筒采煤机的可靠性，研制了 新一代的薄煤层滚筒采煤机。主要有 M G 1 5 0 B型采 煤机 ， 5 M G 2 0 0一B型采煤机，M G 3 4 4一 P WD型强 力爬底板采煤机，以及 M G 3 7 5 一A W 型采煤机。 进入 9 0年代以来 ，为了满足厚薄煤层并存、 薄煤层作为解放层开采矿井的迫切需要，并结合当 代中厚煤 层滚筒 采煤 机技 术，研 制 了新 一 代 M G 2 0 0 ／ 4 5 0一 B WD型薄煤层采煤机，该采煤机采 用多电机驱动，交流变频调速、无链牵引等技术。 总装机功率达 4 5 0 k W， 其中截割功率 2 2 0 0 k W， 牵引功率2 2 5 k W，牵引力4 0 0 k N ，牵引速度0 6 m ／ m in 。采用骑输送机布置方式，可用于采高为 1 ． 0 ～1 ． 7 m的薄煤层综合机械化工作面。 在此基础上又研制出 M G 2 5 0 ／ 5 5 0一 B WD型采 煤机。为了满足广大中小型矿井薄煤层普采与高档 普采工作面的需要，研制了 M G 2 5 0一 B W 型薄煤层 采煤机，机面高度为 6 9 9 m m，可适应采高为0 ． 8 5 1 ． 5 m薄煤层普采与高档普采工作面。该采煤机 的使用效果有待进一步考察。国内几种类型薄煤层 采煤机基本情况比较见表 1 。 表 1 国内几种类型薄煤层采煤机基本情况比较 型号 牵 ／鹳 笨 2 综合以上薄煤层采煤机的发展状况，其发展趋 势有下列2 点 一是采用大功率电动机或多电机 以 增大总装机容量。采煤机功率的增大，有利于提高 采煤机的机械安全裕度和增大其适应范围，从而提 高其效能。国外薄煤层采煤机的最大总装机功率已 超过5 0 0 k W，我国的M G 3 4 4一 P WD型采煤机装机 功率也已达 3 4 4 k W。二是牵引方式从以前的有链 牵引发展为无链牵引和电牵引装置，以增强对工作 面弯曲和起伏的适应性，提高其工作可靠性。 2 ． 2刨煤机 刨煤机是一种较适合薄煤层、高瓦斯工作面中 落煤、装煤自动化的采煤机械。 与滚筒采煤机相比，刨煤机具有以下优点 ① 结构简单，没有采煤机那样复杂的牵引部分，也没 有复杂的液压系统，使用维修方便，易于掌握管 理。② 实现了包括落煤、装煤和运煤的综合机械 化。③ 操作方便，可实现无人工作面开采，在巷 道进行遥控采煤。④ 随时刨煤随时推进，实现了 连续采煤，提高了时间利用率。⑤ 块煤率高。 我 国先后从西班牙 、德国和俄罗斯引进了4种 刨煤机，分别在四川新胜煤矿、云南后所煤矿、四 川松藻打通一矿和开滦范各庄使用，因对刨煤机的 性能和本地区煤层的可刨性了解不清，使用效果都 不太成功。我国进口采煤机技术特征见表2 。 从 1 9 7 6年我 国成功试 制 了 MB J一1型拖 钩式 刨煤机后，在其后 3 0多年时间里，共开发了两种 类型 拖钩式和滑行式8种规格的刨煤机，刨煤 机的功率从 23 0 k W 到 2 X 2 0 0 k W，刨头速度 由 单速发展到双速，刨煤机的总生产数量达 2 3 0余 台，其中包括我国第一台滑行刨煤机，第一台采用 P L C控制的电控设备和第一套刨煤机综采设备。其 中滑行刨煤机是一种主要机型，它以刨头滑行阻力 小、截深容易控制等特点而得到了越来越广泛的应 用 。 徐州矿务局夹河煤矿和旗山煤矿使用2台8 3 0型刨煤机综采设备，先后在 4个综采工作面使 用，曾创造了月进 1 8 7 1T I ，单产 7 ． 2万 t 的记录。 铁煤集团引进的德国全自动化刨煤机综采系统 是目前国内薄煤层开采的最高水平，在国际上也是 先进的。该系统在 2 0 0 1 年 1 月 5日至2 0 0 2年4月 3 0日在小青 煤矿成功地进行 了工业性 试验 ，历经 1 4个月 ，2 7 1个工作 日，共采 出煤 1 0 0 ． 6万 t ，达 到了年产 1 2 0万 一1 5 0万 t 的水平 。该系统性能稳 维普资讯 第 3 4 卷 第 2 期 煤炭科学技术 2 0 0 6 年2 月 定，无故障发生。该系统的引进，使我国成为继德 国、美国之后，第三个拥有这种全自动化刨煤机先 进技术的国家，为我国薄煤层高产高效开采找到了 突破 口。 表2 我国进口各刨煤机技术特征 2 ． 3 连续采煤机 与长壁式开采相比，连续采煤机房柱式采煤方 法有如下主要优点① 设备投资少。一般一套房 柱式采煤设备的价格为长壁综采的 1 ／ 5 1 ／ 6 ，而 其单产一般为长壁工作面的 1 ／ 2 1 ／ 3 。因此，房 柱式采煤方法的设备投资较低。② 采掘合一，建 设周期短，出煤快。③ 设备运转灵活，搬迁快。 ④ 巷道压力小，便于维护，出矸量少。⑤ 留煤柱 控制顶板，有利于保护地表，减少地表治理费用。 ⑥ 全员效率高。 但是，房柱式开采也存在以下缺点① 资源 采出率比较低，在美国，采用传统的房柱式开采， 一 般采出率为 5 0 ％ 一 6 0 ％。在某些条件下，采用 全部回收方式 现代房柱式开采，采出率可达 7 0 ％以上。目 前，采出率低的缺点正在被克服。澳 大利亚采用旺格维利采煤方法，在采深 3 0 0～ 5 0 0 m条件下，采出率达到 8 0 ％以上。我国神府东胜 矿区采用旺格维利采煤方法取得了较高的采出率， 一 般可达 7 5 ％ ～ 8 5 ％。② 通风条件差。由于进回 风巷道并列，通风构筑物多，漏风大。 房柱式采煤方法的适用条件① 开采深度较 浅，一般不超过3 0 0～ 5 0 0 m。② 近水平薄及中厚 煤层。③ 顶板中等稳定以上。④ 底板平整，不太 软，且保持无积水。⑤煤质较硬。⑥瓦斯含量小。 ⑦煤层不宜自燃。⑧ 非近距离煤层组开采。 连续采煤机开采技术经过 5 0多年的不断研究 与改进，已形成了比较完善的短壁机械化采煤方法 体系。由于其采出率高，在国际上得到较快的发 展，特别是在欧美国家得到了广泛的应用。在美 国，经过多年的不断改进，已经形成了以连续采煤 机为中心的现代房柱式采煤方法。连续采煤机房柱 式开采 产 量 比例在 1 9 8 5年 已 占总 开 采 量 的 7 0 ． 4 ％， 采用连续采煤机方法的矿井平均采出率为 5 3 ． 0 5 ％。美国高产高效连续采煤机房柱工作面采 煤机械化的发展，使其井工矿产量、效率的增长速 度大于露天的增长速度，显示了井工矿综合机械化 技术进步的巨大效果，展现了井工矿强劲的竞争能 力和良好的发展前景。在澳大利亚，其地下矿主要 采用房柱式开采。5 O年代末期，在美国房柱式采 煤方法的基础上，澳大利亚和南非引进美国连续采 煤机，结合具体条件试验成功了一种采煤方法。在 澳大利亚，这种采煤方法是首先在旺格维利煤层试 验成功的，因此称为旺格维利 Wo n g a w i ll i 采煤 方法。在南非，类似的方法首先在西格玛矿试验成 功，称为西格玛采煤方法。 到 1 9 7 5年，澳大利亚的房柱式开采达到全盛 时期，共有 1 9 3台连续采煤机，所采煤炭占地下煤 炭产量的 9 3 ％。特别值得一提的是库克煤矿采用 房柱式采煤法，在每个盘区装备 1 台J o y C M1 2 型连 续采煤机，连续采煤机在盘区一侧的5条采煤巷道 里推进 1 5 m，接着贯通采煤巷道之间的联络巷， 然后把连续采煤机开到盘区另一侧，进行采煤和贯 通联络巷。回采作业就这样重复进行在掘进和回收 煤柱的同时把煤炭采出，真正实现了人少产量高的 目的。 我国8 0年代曾从美国引进连续采煤机 3 0多 3 维普资讯 第 3 4 卷 第 2 期 煤炭科学 技术 2 0 0 6 年 2 月 台，由于没有引进配套设备。未能体现该采煤法优 越性和到成功推广。9 O年代以来，由于注重配套 设备的引进，连续采煤机在煤巷掘进及完成残留煤 柱的回收和对煤田边角煤、条带煤的开采方面显示 了它独特优势，见表 3 。以连续采煤机为核心的现 代房柱式采煤方法在我国神东、黄陵等埋深不大的 矿区得到推广应用，取得了月产 1 O万 t 、采出率达 到8 0 ％的良好效果。旺格维利和西格玛采煤方法 的采区区段划分和区段内煤柱切割及回收方式与传 统房柱式采煤方法不同，煤柱回收后，顶板类似长 壁工作面一样充分垮落，使房柱回采避开支承压力 峰值区。因此，这两种方法成为现代房柱式采煤方 法的典型代表。早在 9 O年代就在黄陵一号煤矿采 用美国的连续采煤机组房柱式开采方式，取得了很 好的经济效益和社会效益。神华集团大柳塔煤矿引 进的连续采煤机组，用于巷道开拓和房柱式开采， 提高了掘进速度，实现了煤炭高产高效。 表 3 我国连续采煤机使用统计 2 0 0 3 年由我国首次研制的 L Y 15 0 0 ／ 8 6 5 1 0型 煤矿井下连续运输系统通过地面调试在神东矿区投 入试生产。该系统具有运量大 、高效率、移动灵 活、对煤层和巷道适应较强等特点，是适用于煤矿 井下工作面短壁房柱式采煤 、高产高效连续采煤作 业的关键装备。它与连续采煤机和带式输送机配套 实现落煤 、 破碎、装煤、运煤机械一体化。 2 ． 4 螺旋钻采煤 螺旋钻采煤是前苏联顿巴斯矿区顿涅茨克矿业 研究院开发的一 种开采薄煤层的采煤方法。于 1 9 7 9年在顿巴斯矿区马斯宾斯克矿试验成功，并 推广应用。该采煤法是一种新型的无人工作面采煤 方法，并将煤层可采厚度由 0 ． 6～ 0 ． 8 m下延到 4 O ． 4 m。对开采松软煤层有极高的推广应用价值。 它是一种开采缓倾斜薄煤层的新型采煤方法，广泛 应用于开采围岩较稳定的薄煤层和极薄煤层，并且 可以用来开采边角煤、三下压煤和回收各种煤柱。 因此它具有广泛的发展前景。 螺旋钻采煤法与薄煤层高档普采及综采比较有 以下优点① 投资方面，螺旋钻采煤法比薄煤层 高档普采及综采投资降低 6 0 ％。② 安全生产状况 方面，螺旋钻采煤法的人员和机组设备全部在工作 巷内，人员在宽敞支护 良好的巷道内就可将煤采 出，安全状况比薄煤层综采或高档普采好得多。③ 工效方面，薄煤层综采或高档普采，直接工效一般 在 1 ． 5 3 t，／ 工，而螺旋钻采煤法，直接工效达 l 2 1 4 t／ ， 工。④ 开采释放层的速度和效果方面，采 用螺旋钻采煤法，煤的可采范围达总面积的9 5 ％ 以上，不仅可以多出煤，更可以充分释放煤瓦斯。 近年来，国外许多产煤大国由于特厚煤层的开 采储量 日 益枯竭，对螺旋钻采煤产生了极大兴趣。 螺旋钻采煤机是在用于露天开采的螺旋钻机的基础 上逐步改造成型的。自2 O世纪7 O年代开始，原苏 联在这方面做了大量的研究试验工作。在 2 O世纪 9 O年代末期，乌克兰研制了 B I I I Y一 3 M型螺旋钻 采煤机，1 9 9 8年在该机型基础上又研制出2种新 型的螺旋钻采煤机，其主要技术参数可见表 4 。现 已批量生产形成规模。 表4 乌克兰新型螺旋钻采煤机主要技术参数 项目 设备型号 B 3M Bm K 2M 维普资讯 第 3 4 卷 第 2 期 煤炭科学技 术 2 0 0 6 年2 月 我国近几年也引进了一些螺旋钻采煤机，取得 了较好的经济效益。1 9 9 8年我国从俄罗斯进 口2 台B Y F 一 3 M型螺旋钻采煤机，并在徐州韩桥煤矿 进行了井下工业性试验，效果很好。 特别是新汶矿业集团 2 0 0 3年从乌克兰引进的 两台薄煤层螺旋钻采煤机 适用于 0 ． 6 0 ． 9 m的 薄煤层 ，分别在潘西矿和南冶矿进行了前进式和 后退式采煤工艺试验获得成功，单面单台钻机月产 达到 5 8 0 0 t 。 据测算，薄及极薄煤层应用螺旋钻机采煤比传 统的炮采工艺， 吨煤直接生产成本降低 8 O元，平 均工效由5 t ／ 工提高到 l O t／ ， 工，彻底解决了传统 采煤工艺不能开采的薄煤层、极薄煤层的有效利 用，而且从根本上改善了现场作业环境， 使职工人 身安全有了保障。该技术填补了我国薄煤层螺旋钻 无人工作面开采技术的空白，达到国际先进水平。 最近将在部分矿井薄煤层再装备 l 0台螺旋钻机， 使螺旋钻采煤机数量达 l 8余台。2 0 0 4年 6月 2 O 日，国家发改委调研组在新汶矿区调研时得出如下 结论 “ 潘西煤矿螺旋钻采煤工艺的应用，效率 高、安全系数高、资源开采率高，适应于目前我国 传统的开采方法无法开采的薄煤层，该技术值得在 全国推广应用” 。 在引进国外设备的同时，我国也加大了整机开 发力度，并取得了显著的成绩由山东科技大学和 新汶矿业集团合作完成的薄煤层螺旋钻无人工作面 开采技术 日 前通过鉴定。该技术首次在国内实现了 1 m以下煤层螺旋钻无人工作面的开采，为我国薄 煤层的开采闯出了一条新路。 参考文献 [ 1 ] 徐冉忠。丁剑烁．螺旋钻采煤法在韩城矿区应用前景展望 [ J ] ．煤矿开采， 2 0 0 3 9 。 [ 2 ] 李纪青．螺旋钻采煤法 [ J ] ．煤矿开采， 2 0 O l 2 ． [ 3 ] 陈钢．连续采煤机在 “ 三下”采煤中的应用前景 [ J ] ． 煤炭科学技术，2 0 0 3 1 ． [ 4 ] 张欣。张枢．薄煤层采煤机的发展状况及趋势 【 J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 2 2 ， [ 5 ] 芮冰，黄钦宗．我国采煤机3 O年发展 回顾和展望 [ J ] ． 煤矿机电， 2 0 0 0 5 ． 作者简介乔红兵 1 9 6 6一 。男 ，山东滨州人．高级工程 【J 币 ，现从事机械设计及理论研究工作。T e l 0 1 0 6 2 3 3 1 0 1 7 ，E ma i l z h a n g r n i n g l u e k y s i n a ．c o rn 收稿 日期2 0 0 51 0 0 9 ；责任编辑；王宗禹 煤炭科技名词 的规范使用 “ 采煤” 、“ 开采”与 “ 回 采”是经常滥用的三个词，实际三者的概念是有区 别的。在英文中m i n i n g 采煤 、 e x p l o i t a t i o n 近似于开采 、e x t r a c t i o n 或 w i n n i n g ，回采也有相同的问题。但在英文的词典、 规程、教科书等正规文献中，三个词的用 法是有明确区别的． ． 考虑到这些词的影响面较大，硬性统一容易引起新的混乱，便对某些词采用了保持 习用性的原则，有待 将来逐步统一。这样就出现了 极少数词之间中英文用词不完全对应的情况，如 “ 采煤学 c o a l m i n i n g ” ，“ 采煤工艺 c o a l w i n n i n g t e c h n o l o g y ” ，“ 前进式开采 a d v a n c i n g m i n i n g ” ，“ 协调开采 h a r m o n i c e x t r a c t i o n ”等，请读者注意。 过去在某些文献中，“ 冒落” r o o f f a l 1 与 “ 垮落 r o o f c a v i n g ”往往作为同义词使用，实际上是两个概念。前者是发生 在工作区的、事故性的岩石坠落，而后者是发生在采空区的，预期的岩石坠落。所以 “ 冒顶” 不能称为 “ 垮落” ；同样，“ 垮 落带” 、“ 全部垮落法”也不能称为 “冒落带” 、“ 全部冒落法” 。 “ 回采率”一词在煤炭界用得很多。其概念是 “ 采出煤量 占动用储量的百分率” 。而采出煤量不仅包括回采煤量，也包 括掘进煤量及其它回收煤量，在生产统计时很难将这些煤量分开。故称 “ 采出率” 比较确切，对应英文为 r e c o v e r y r a t i o 。真 正的 “ 回采率”英文为e x t r a c t i o n r a t i o ，是指 “已采面积占总面积的百分率” ，只能靠图纸计算或估算得出。 “ 煤层生产能力”这一术语科学性较差，因为生产能力只有生产者或生产者使用的工具才能具有，而被生产或加工的对 象，如原料、土地或煤层是不具备生产能力的。改为 “ 煤层产出能力” 。 关于 “ 半煤岩巷” ，按照定义凡在巷道中煤 或岩石 的断面积占巷道总断面积的百分率在2 0 ％到 8 0 ％之问的都属 “ 半 煤岩巷” 。可见原来的 “ 半”字欠准确。这次推荐使用 “ 煤 一岩巷”就比较确切，并且和英文的c o a l r o c k d r i f t 完全对应。 为了某种目的在长壁工作面超前开出的空间称为 “ 缺 口” ，也有称 “ 切口” 、“ 机窝”、“ 壁龛” 的。经研究，决定称 “ 切 口” 。因为 “ 缺 口”是一个用处广泛的普通词汇，“ 机窝”属俗语，“ 壁竞”用字太冷僻，而 “ 切 口”较好地表达了 “ 采煤机 切入煤壁之口”的意思，比较贴切。 待续 5 维普资讯