国内外薄煤层开采技术和设备的现状及其发展.pdf

第 1 8卷第 1 1期 2 0 0 9年 1 1月 中 国 矿 业 CH I NA M I NI NG M AGAZI NE VoI ．1 8．No． 11 No ve mbe r 20 09 采 选技术 国内外薄煤层 开采技术和设备的现状及其发展 吕文玉 中国矿 业 大学 北京 资源 学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 摘要世界拥有 丰富的薄煤层储量 ，但采储量相对较少 。随着 中厚及厚 煤层 的 日益减 少 ，薄煤层 开采成为一个发展趋势 。文章主要讲述 了周内外薄煤层主要开采技术及设备 的现状 ，主要 的薄煤层开采 工艺有滚筒采煤机采煤法 、螺旋钻 采煤法 、刨煤机采煤法 。文章介绍 了这 些工艺 以及相 关设备现状 ，以 及 未 来 的 发展 趋 势 。 关键词 薄煤层 ；滚筒采煤机 ；螺旋钻机 ；刨煤机 中图 分 类 号 TD8 2 3 ． 2 5 1 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 9 1 1 0 0 6 0 0 3 Th e p r e s e nt s i t u a t i o n a n d f u t u r e d e v e l o p me n t o f t h e wo r l d t hi n c o a l s e a m mi n i ng t e c h n o l o g y a nd e q u i p me n t LV W e n y u Co l l e g e o f Re s o u r c e ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a Ab s t r a c tThe r e ha ve r i c h t hi n c oa l s e a m r e s e r v e s i n t he wo r l d，but o nl y a s ma l l p o r t i on b e e xt r a c t e d ． W i t h t h e de c r e a s e o f t he me d i u m t hi c k a nd t hi c k c o a 1 s e a ms r e s e r v e s， t hi n c o a l s e a m mi ni ng ha s b e c o me a de ve l op me nt t r e n d Thi s pa pe r i n t r o duc e s t h e pr e s e n t s i t u at i o n o f wor l d t hi n c o al s e a m mi ni n g． Th e ma i n mi ni ng t e c hn ol o gi e s o f t hi n c oa l s e ams a r e s he a r e r m i ni n g m e t hod、 a u ge r mi ni ng me t ho d a n d pl ou gh mi n i n g me t ho d ． A di s c u s s i o n i s p r e s e nt e d a b out t he pr o bl e ms a n d f u t u r e de v e l op me nt t r e nd of t he s e t h i n c o a l s e a m mi ni ng t e c hn ol o gi e s a n d r e l a t e d e q ui pme n t ． Ke y wo r ds t h i n c o a l s e a m ； a u ge r ； s he ar e r ； pl ou gh 在 中国 ，当煤层厚 度大 于 0 ． 8 m 小 于 1 ． 3 m 时 ， 我们 称之 为薄煤 层 ，当煤层 厚 度小 于 0 ． 8 m 时 ，我 们称之为极薄煤层。在美国，将厚度小于 1 ． 7 m 以 下 的煤层 统 称 为 薄 煤 层 。世 界 拥 有 丰 富 的 薄 煤 层 储量 ，但 采储 量 却 相 对 较 少 。现 在 主 要 产 煤 国 家 的薄煤层 开 采 中，主 要 面 临 着 三 个 主 要 问题 即 薄煤 层存 储 量 与 实 际 煤 炭 开 采 量 的不 均衡 、煤 损 严重 、薄煤层和厚煤层煤 炭产量 的不均衡。例如， 德国 1 ． 6 m以上的中厚及厚煤层 ， 其储量仅 占总储 量 的 3 0 ． 5 ， 但 是煤炭 产量却 占到了 6 7 ． 8 ， 煤 层 厚 度为 1 ． 2 ～ 1 ． 6 m 的煤 层 的储 量 占 2 6 ，煤 炭 产 量 为 1 6 ． 9 ， 尤 其是 1 ． 2 m 以下 的薄煤 层储 量高 达 4 3 ． 5 ，但 是 煤 炭 产 量 只 占 1 5 ． 3 ；捷 克 0 ． 5 ～ 1 ． 2 m薄煤层中，优质煤储量 占 4 2 ，而煤炭采 出 量 还不 到 1 8 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 1 7 作者简介 吕文 玉 1 9 8 1 ，男 ，山东 枣庄 人 ，中 国矿业 大 学 北京资源学院采矿工程专业 2 0 0 7级博士 。 1 薄煤 层开 采的特 点 尽管 世 界 上 拥 有 丰 富 的 薄 煤 层 资 源 ，但 是 它 们相对于厚煤层 开采，会 面临更多 的问题 。在薄 煤层 开采 中， 面 临 的 主 要 问题 为 ① 由 于 薄 煤 层 空 间 的限制 ，设 备安 装 、维 护及 操 作 都 十 分 困 难 ， 劳 动密集 度 大 ，工 人 工 作 和 通 道 都 受 到 限 制 ，瓦 斯排放变得困难 。② 薄煤层开采 ，推进速度加快， 采掘接替变得 紧张。③相对 于厚煤层 ，薄 煤层的 产量低 ，丢煤严重 ，由于煤层 厚度变化 和复杂的 地质条件 例如断层都影响到采煤 ，薄煤层煤炭 的 开采能力受 限到一个很低 的水 平。一般来 说，单 个 薄煤层 的产 量是 中厚 煤层 产 量 的 1 ／ 3 。④ 薄煤 层 相 对于产 量 的投资 要 比中厚煤 层大 。 但是 ，薄煤层开采也拥有一些优势 在薄煤层 工作 面顶板运移较小 、薄煤层开采 产生很 小 的沉 陷 、 对邻近煤层影响小 、顶板控制较厚煤层简单。 2薄煤层 的开 采技术 薄煤层 开 采 主 要 包 括 三 种 开 采 工 艺 刨 煤 机 第 1 1 期 吕文玉 国内外薄 煤层 开采技术和设备 的现状及其发 展 采 煤法 、螺 旋 钻 机 采 煤 法 和 采 煤 机 采 煤 法 。世 界 薄煤层机械化水平较高的国家包括德 国和乌克兰， 它们 主要是 采用 刨煤 机和 螺旋 钻机 进行 开采 。 2 ． 1 刨 煤 机采煤 法 刨 煤机 如今 在 薄 煤层 开采 中 的应 用 十 分 广 泛 ， 它主要 适 用 于 煤 层 倾 角 小 于 2 5 。 ，工 作 面 坡 度 稳 定 ，煤 体硬 度小 于 2 5 MP a ， 煤 体硬 度小 于底 板 硬度 以及地 质 条件 稳 定 的煤 层 。如 果 煤体 硬 度 大 于 2 5 MP a ，则 需使 用动 力刨 煤机 。 世 界 上 主要 使 用 刨 煤 机 进 行 开 采 的 国 家 有 德 国、美 国 、乌 克 兰 等 ，刨 煤 机 开 采 的 产 量 在 占总 煤炭产量 的 5 O 以上 。其 中研制 和使用刨煤机最 早 的 国家 是 德 国 ，德 国也 是 使 用 刨 煤 机 数 量 最 多 的国家。几乎全部使用刨煤机开采 1 ． 6 m 以下的煤 层 ，煤层 厚度 在 1 ． 8 m 以下 的 3 0多个 高 产工 作 面 ， 其中只有 1 个工作面为采煤机工作面 ，其余全使用 刨煤 机开 采 ，刨煤 机 工作 面 的年 产 量可 达 1 8 0万 t 以上 。美 国是使 用刨煤 机效率最 高 的国家，美 国 的薄煤层 刨 煤 机 工 作 面 的 年 产 量 可 达 3 0 0万 t以 上 ，刨煤 机 工 作 面 产 量 占总 产 量 的 3 5 。澳 大利 亚 、南非 的薄煤层工作 面全部使用 了全 自动化刨 煤 机 ，俄 罗 斯 每 年 有 超 过 1 5 0个 工 作 面 使 用 刨 煤 机 ， 荷兰平均每年有 6 5个工作面使用刨煤机 ，法 国薄煤层刨煤机工作面产量 占总产 量的 3 0 。相 对于其他 薄煤层开采设备 ，薄煤机有 其 自身的特 点 结构 简单 、运行 平稳可靠 、易于维 护和相对 较低 的能 量 消 耗 。刨 煤 机 可 采 煤 层 的 厚 度 仅 仅 相 当于滚筒采煤机可采煤层厚度 的 6 O 。刨煤 机相 对于其他 薄 煤层 设备 拥 有非 常大 的优 势 ，因此 ， 刨 煤机 的适 用范 围将 不断 扩大 。 刨煤 机采煤 自 2 0世 纪 4 0年代 在德 国问世以 来 ，很 快就 得 到 推 广 和 发 展 ，成 为 薄 煤 层 采 煤 机 械 化 的强 大 支 柱 。英 国 1 9 4 7年 开 始 使 用 刨 煤 机 ， 1 9 6 2 ～ 1 9 6 3年 R e i s s h a k e n h o b e l Me g a h o b e l刨 煤 机 系统 在 英 国开 始 应 用 ，这 个 系 统 主 要 利 用 刨 煤 机底 板 上 的牵 引链 驱 动 刨 煤 机 ，并 且 牵 引链 安 装在 采 空 区 侧 ，取 得 了 良 好 的 经 济 效 益 。德 国 D B T公 司是 世 界 上 研 制 刨 煤 机 最 早 、产 量 最 大 、 技术水 平 最 高 的一 家 公 司 ，曾研 制 成 功 多 种 拖 钩 刨、滑行拖钩刨 、滑行刨 等机 型。 目前 ，刨 煤机 的技术 水 平 已发展 到 了采 高 0 ． 6 ～3 m，截深 最 大可 达 3 0 0 mm，可刨煤硬度 f 一4 ，刨速最高可达 3 m／ mi n ，刨链 达 p 4 2 mm，装 机 功 率 最 大 可 达 2 8 o o k w ，铺设 长度 达 3 0 0 m。我 国刨 煤 机 的研 制 始 于 6 O年代 ，1 9 7 6年制 造 了 MB I 一 1刨煤 机 ，随后 的 3 O年 内 ， 中 国 研 制 了 功 率 从 2 3 0 k w 到 2 2 0 0 k W 的刨 煤 机 。我 国铁 煤 集 团从 德 国 引 进 了刨 煤 机 自动 化控 制 系统 ，在 2 0 0 1年 1月 5日到 2 0 0 2 年 4月 3 0日进 行 试 生 产 ，共 产 煤 1 0 0 6万 t ，它 在 铁煤集团的成功使用 ，标 志着我 国薄煤 层 自动化 采煤 上 了一个 新 台 阶。 刨煤 机 存 在 的 问题 和 未 来 的发 展 趋 势 ① 现 在 主要 的 煤 炭 生 产 国 ，主 要 发 展 滑 行 式 和 紧 凑 式 刨煤机，这两种刨煤机也是未来薄煤层开采发展 的 必然趋势 。②提高刨煤 机 的总装 机功率 ，提高刨 头 的破煤 能 力 和 刨 硬 煤 的 能 力 。另 外 ，还 需 要 进 一 步提高刨煤机部分元部 件的使用可靠性 。③增 加刨深和加快刨头 的切 割速度 ，提 高装 备 的可靠 性 ，加强薄煤层刨煤机 与采场支 护设 备和运输设 备的配套 。④实现遥控 、集 中程序控制 和故 障诊 断 的 自动化 。 2 ． 2 螺 旋 钻机采 煤 法 螺 旋钻 机 适 用 于 开 采 煤 层 厚 度 为 0 ． 4 ～ 0 ． 8 m 的煤 层 ， 螺 旋钻 采煤 法有 很 多优 点 ，它 可 以实 现工 作面无 人采煤 、开采安全可靠 。在采煤 中，所有 的工人都在巷道 内操 作 ，不 必进入工作 面，不仅 提高了工人 的作业环境 ，还杜绝 了很多 自然灾害 ， 例如顶板事 故 、粉 尘、瓦斯、 自然发火 等。很少 的工人却能产 出很 高 的产量 ，效率较 高。相对 于 其他薄煤层 采煤设备 ，螺旋 钻机结构 简单、容 易 维 护 、工 作 面 不 需 支 护 顶 板 ，开 采 安 全 可 靠 ，材 料 消耗 少 。 螺 旋钻 机是 1 9 7 9年 投入 使用 的 ， 自从 2 O世 纪 7 0年代开始 ，前苏联做 了很多的螺旋钻机的试验 。 在 2 O世纪 9 0年 代 末 ，乌 克 兰 研 制 了 B i l l y 一 3号螺 旋 钻机 。B S HK一 2 DM 三 轴 螺 旋 钻 采 煤 机 是 由乌 克 兰 “ MAL TS HE V”机 械 制 造 厂 历 经 1 5年 时 间研 制 而成 的新 型 薄煤 层 开 采 设 备 ，现 已广 泛 应 用 于 美 国、俄罗斯 、乌克兰 、中国等。该机 的开采 工 艺是将 采 煤 机 布 置 在 顺 槽 中， 向 一 帮 煤 层 打 钻 ， 钻头 钻进 切 割 煤 ，螺 旋 钻 杆 运 煤 ，煤 直 接 落 在 顺 槽 的运输 机上 。该 机 的采宽 为 l _ 9 0 5 ～2 ． 1 0 5 m，采 深可 以 达 到 8 5 m，可 适 用 于 煤 层 厚 度 为 0 ． 6 ～ 1 ． 2 m，煤 层倾 角小 于 2 5 。 、煤 层走 向倾 角小 于 8 。 的 各种硬度 的薄 煤层 ，单 机设计 日产量 可达 2 5 0 ～ 3 5 0 t 。通风方式是采用局部通风机对迎头供风，把 新鲜 风 流通 过 钻 杆 直 接 送 到 钻 采 工 作 面 ，避 免 由 于瓦斯积聚 ，另外在钻 机上还 附有水管 ，可把清 水直接喷到钻头及工作面上降尘。9 0年代我 国开 始 引入螺 旋 钻 机 ，2 0 0 6年 ，我 国 自行 研 制 生 产 的 中 国 矿 业 第1 8 卷 第 一 台螺 旋 钻 采 煤 机 ， 日前 在 徐 矿 集 团 韩 桥 煤 矿 投入使用 ，首次实现 了薄煤 层工作面无 支护、无 人 采煤新 工艺 。 螺旋 钻 机存 在 的 问 题 和 未 来 的发 展 趋 势 ① 通过提高机组功率和优化钻头的结构参数 ，进一步 提高钻头 的耐磨 性和过 岩能力 ，更好 地解 决 煤层 中 夹 矸开采 的问题 。② 解 决好 螺旋 钻 孔 的充 填 问题 ， 不仅 有利 于实现低 强度顶 板下 煤层 的开采 ，而且 可 以大大提高煤炭开采量。③因为设备不容易推动， 所 以应当提高发展 自移机构 。 2 ． 3 采煤 机采煤 法 在薄 煤层 工作 面 采 煤 机 开 采 中，采 煤 机 不 仅 需 要拥有 足 够 大 的功 率 ，适 应 薄 煤 层 的 特 殊 环 境 和足够 的空 间使 机 器 运 行 ，而 且 还 需 要 采 煤 机 可 以切割岩 石 。薄 煤 层 采 煤 机 主要 分 为 骑 输 送 机 式 采煤机 和爬 底 板 式 采 煤 机 两 类 。骑 输 送 机 式 是 采 煤机 由输 送 机 机 槽 支 承 和导 向 ，爬 底 板 式 是 采 煤 机的机身 位于滚 筒开 出的机 道 内 ，和骑输 送 机式 采 煤 机相 比 ， 爬 底板式 采煤 机 过煤 空 间 高 ，增 大 了 电 机功率 ，而且工 作面通 风断 面大 、工作安 全可靠 。 2 0世纪 8 0年代中后期 ，西德的薄煤层采煤机 主 要 有E D W2 3 0 2 L N和E DW3 0 0 1 N两 种 。 E D W2 3 O 一 2 L N 是 在 E DW一 1 7 0 I N 上 ，增 加 功 率 和 改进了装煤装置 ，取 消了机身下靠 煤壁侧 的辅助 支 撑 ， 总 功 率 达 到 5 1 l k W 并 且 采 用 电 牵 引 。 E D W 3 O O L N采煤 机 ， 机身 长 4 m，高 0 ． 7 7 m，总功 率可达 3 0 0 k W，并采用 电牵 引。英 国薄煤层采煤 机 主 要 有An d s o n AB 1 6 、 A S E u s k a r a和 B 6 1 。 A n d s o n AB 1 6型爬底板采煤机 ， 适用于煤层厚度为 0 ． 9 ～1 ． 2 m 的煤层 ， 总 功率达 到 1 5 0 k W ，平均年 产 商品煤 5 0万 t ，工率为 2 1 ． 2 t ，在当时英 国煤矿 中 广为使用 。AS E u s k a r a 采煤机是在 An d s o n AB 1 6 采煤机 的基 础 上 ，使 用 正 面 采 煤 ，这 种 采 煤 机 对 工作面 的风流 阻力小并 且有 效风 量 大 。B 6 1采煤 机 是建立在 B 5 7的基础上 的，过桥使用悬臂式 不与 运输机连接，采煤机拥有着较大的操作空问。前苏 联 薄煤层 采煤机 主要 有 K1 0 3 。KA1 0 3型 双 滚筒 采 煤机采用 外牵 引，能够 很好 的适应 煤层 的起 伏， 是苏联 当时 薄煤 层 采 硬 煤 最理 想 的采 煤 机 。7 0年 代末 8 0年代初 ，我 国开始在薄煤层 中使用滚筒采 煤机 ，9 O年代 ，我国制造 了 MG2 0 0 ／ 4 5 0 一 B WD型 薄煤层采煤机 ，总装机功率可达 4 5 O k w。2 0 0 7年 ， 西安 煤矿 机 械 有 限公 司研 制 成 功 的 我 国 首 台 全 机 载薄 煤 层 采 煤 机，该 采 煤 机 高 0 ． 8 5 m，机 身 长 5 ． 7 m，总装机功率 4 5 5 ． 5 k W，年 可开采原煤 3 0 0 万 t 。与 目前 同类 机 型 的液 压牵 引 采 煤机 、无 机 载 电牵 引采煤机 相 比，具有功率 大、体积小 、技术 性能好、维护容易等特点 。 采煤 机存 在 的 问题 和 未 来 的 发 展 趋 势 ① 提 高采煤机 的总装机 功率 。 大功率 的采煤机 才能有 高效 率 。薄煤 层 采 煤 机 设 计 的 重 点 ，是 解 决 机 身 小和大功率之 问的问题 。② 由于薄煤层 赋存 条件 断 层 、夹矸 复杂 ， 薄 煤层 采 煤 机截 割 矸石 时 会 受到强烈的冲击 。因此 ，今后 的研究重点是薄煤层 采煤机整机结构 的动态优 化。③提 高电动机的性 能 ；努力 提高 采煤 机 的 加工 制 造 工 艺 的技 术 水 平 ； 采煤机 自动化及遥 控的问题，也需要进 一步的解 决 。④从 有链 牵引 向无 链 牵引 及 电 牵 引方 向发 展 。 ⑤利 用 薄煤 层 采 煤 机 进 行 正 面采 煤 方 法 需 要 进 一 步 的研究 ，正 面采 煤 不 仅 能 实 现 高 的产 量 ，而 且 可 以解决 设备 自动控 制 的问题 。 3 结论 世界拥有丰 富的薄煤层 资源 ，薄煤层 开采也 是今后的一个发 展趋势。采煤机 长壁开采是一个 基本 的采 煤 工 艺 ，螺 旋 钻 机 采 煤 是 一个 无 人 工 作 面采煤工艺 ，它可 以用 于极 薄煤层 的开采。刨煤 机 在薄 煤 层 开 采 中 应 用 更 为 广 泛 。我 们 需 要 进 一 步 对薄煤 层采 煤工 艺和设 备进 行研 究 。 I 参考文献 [1] 李建平，杜长龙 ，张永 忠．我 国薄与极薄 煤层开采 设备 的 现状和 发 展 趋 势[ J ] ．煤 炭科 学 技 术 ，2 0 0 5 ， 6 6 5 6 7 ． [2] 李勃 ，张顺朝 ，王文江．德 国刨 煤机在薄煤 层工作面开 采中的应用[ J ] ．煤矿机械 ，2 0 0 3 1 0 8 一I 1 0 ． [ 3] Me n g ，X i a n g r u i ，Y u a n S h u j i e ，Z h a o G u a n g mi n g ．O n t h e p r e s e n t s i t u a t i o n a n d t h e f u t u r e d e v e l o p me n t o f t h e t h i n c o a l s e a m wo r k i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p me n t ． Te c h n i c a l ， T e c h n o l o g i c a l a nd Ec o n o mi c As p e c t s o f Th i n - S e a ms C o a l M i n in g I n t e r n a t io n a l Mi n i n g Fo r u m 2 0 0 7，2 0 0 71 3 3 1 4 0 ． [4] C l a r k ．J ，R． K． Du n h a m．Th i n S e a m Min i n g in t h e UK An Ov e r v i e w．M i n in g Dif f ic u l t Co a l S e a ms ．Oc t o b e r， 1 9 8 4 ． [5] Vo l o d y my r I ． B o n d a r e n k o， Yu r i y B． Gr i a d u s hc h i y， Ad v a n c e d Exp e r i e n c e a n d Di r e c t i o n o f M i n i n g o f Th i n Co a l S e a m s i n U k r a i n e ．I n t e r na t i o n a l M i n i n g Fo r u m 2 0 0 7， nn7． 17