1.0米以下薄煤層全自動化刨煤機開采技術研究與實踐

楊清成　馮志偉

摘 要：通過對1.0米以下薄煤層全自動化刨煤機開采技術研究與實踐，破解了極薄煤層安全、高效開采的的世界性技術難題，為我國薄煤層煤炭資源的安全、高效開采奠定了堅實的基礎，對提高我國煤炭資源回收率具有重要的現實意義。

關鍵詞：薄煤層開采；全自動化；刨煤機；相關技術；安全高效

前言

鐵法礦區煤炭儲量22.59億t，占遼寧省總儲量的1/3以上，1.5m 厚以下的薄煤層儲量6.2億t，占礦區總儲量的26%。從鐵法礦區開采程序來看，各礦井首先主要開采條件較好的4號、7號煤層（中厚煤層），而4號、7號煤層儲量逐年減少，下部的8號、9號煤層以及下煤組（大部分煤厚均在1.5m以下）急需開采，應用傳統的開采方法回采薄煤層，必然造成單產低，經濟效益下降。如放棄不采，或放到后期集中開采，就會減少礦井服務期限，造成煤礦嚴重虧損。為了破解薄煤層安全高效開采這一技術難題，1999年鐵煤集團在全國率先從德國引進自動化刨煤機，經過小青礦井下工業性試驗取得成功。至2013年底，集團公司共擁有德國DBT刨煤機4套、國產化刨煤機1套，分布在小青礦、大明礦、曉南礦、曉明礦開采1.3～1.6m厚的薄煤層，共回采薄煤層工作面34個，累計生產煤炭1392.5萬t。在此基礎上，鐵煤集團又劍指1.0m以下薄煤層刨煤機全自動化開采技術難題，組織專業人員開展技術攻關，并于2014年成功打造了“鐵法模式”升級版，取得了1.0m以下薄煤層年產100萬t以上的技術成果。

1 1.0m以下薄煤層全自動化刨煤機開采適應條件

1.0m以下薄煤層全自動化刨煤機開采技術，一般適合開采煤厚不低于0.8m，煤層傾角小于15°，煤層起伏小于6°，硬度為2～3的薄煤層；當煤層硬度大于3時，可以通過調整支護參數、落煤深度和利用工作面超前壓力對煤層的影響等方式來適應煤層硬度變化；當煤層頂板破碎或底板較軟影響開采效率時，可以將自動移架改為人工操作移架。

2 1.0m以下薄煤層全自動化刨煤機工作面設計相關技術

2.1 采煤工作面設計

1.0m以下薄煤層自動化開采技術一般采用長壁式布置方式，推進長度根據地質條件一般布置在3000m以內。工作面長度一般布置在200m左右，按3組支架為1組的尺寸遞減，如煤層賦存條件允許，為增加開采效率，工作面面長可布置到300m，工作面長度達到300m時，考慮到通風以及工作面設備檢修、維護的安全和高效，可采用兩入一回的W型通風的巷道布置方式。工作面兩順根據自動化開采設備的需要，運輸順槽寬度一般為5.6m，高度為3.0m；回風順槽一般寬度為5.0m，高度為2.8m。

2.2 設備選型

為實現薄煤層機械化落煤、采空區自然垮落、自動化無人（或少人）控制，依據薄煤層開采技術選取配套的設備類型。

2.2.1 落煤設備

1.0m以下薄煤層開采技術目標是“實現0.8m采高、自動化無人（或少人）操作、月產8萬t以上”，這就要求落煤設備符合0.8m采高的技術要求。GH9-38Ve/5.7N型刨煤機，刨頭最低高度800mm，符合1.0m以下采高的技術要求。選取該型刨煤機。刨煤機生產能力為735t/h；電機功率為200/400kW；截深為0～195mm；采用無極鏈牽引方式。

2.2.2 支護設備

采用ZY4800/06/16.5型支架，該支架最大有效支撐高度1650mm，最小合理支護高度800mm，伸縮比較大，能夠適應薄煤層煤厚的變化。為適應薄煤層開采技術要求，支架設備設施占用空間能進一步減少，對支架設備設施做重新設計布置，從而進一步降低工作面液壓支架的支護高度。

（1）功能控制閥組布置設計方式。可伸縮式布置。為實現支架的自動化操作，支架采用PMC-R電液控制系統。控制閥組位置向架內移200mm，行人空間寬度加大200mm。控制閥組固定方式由螺栓式改為滑道銷固定，滑道行程為500mm，檢修時控制閥組可拉出500mm，便于檢修和操作。

（2）架前空間調整方式。可調節式布置。支架推移桿滑移連接頭固定銷向后調整一個檔位，支架相對運輸機距離拉大100mm，空間寬度加大100mm，支架對應運輸機電纜槽位置上方的頂梁厚度由原來170mm降到130mm，空間高度增加40mm。

（3）閥鎖位置設計布置。外露式布置。將平衡千斤頂單向閥改到前面，立柱雙向鎖位置由掩護梁改至頂梁立柱柱窩后側便于檢修。

（4）供液管路布置方式。多通式布置。對主供液多通塊設計為水平布置，使進、回液膠管平行工作面吊掛在主閥前支架底座上，防止在架內壓壞，行人不受阻擋，增大了有效空間。通過技術創新后，（空間計算）工作面采高0.9m時，有效作業斷面0.70m2（寬度上0.9m、下1.2m、高0.77m）。支架與運輸機間距達到200mm，增強了對煤層起伏及厚度變化的適應性。

2.2.3 運輸設備

根據薄煤層開采運輸能力要求采用DBT-PF3/822型運輸機，電機功率為200/400kw；輸送能力為2500t/h；中部槽尺寸：1505×1534×569mm。為使運輸設備附屬設備設施結構更緊湊，增大工作面內部作業空間，做相應的設計。

（1）電纜槽設計。壓縮式設計。采用兩端供電、集中控制技術后，取消了工作面4根動力電纜，只鋪信號電纜，釋放了空間。為此運輸機電纜槽高度設計為70mm高電纜槽，降低了運輸機整體高度，減少了占用的空間，防止支架壓運輸機。

（2）附屬設施位置布置。內含式布置。電話及急停開關由側面改到電纜槽下方，增大了架前與運輸機之間的空間，更加便于施工人員作業及通行。

2.2.4 端頭設備

為減小前后三角點的斷面，降低端頭支架的占用空間，進行了兩項自主設計：

（1）瘦身式支架設計。工作面前端頭采用三組ZT6200/18/32D端頭支架，為了縮小巷道斷面，研發了1240mm窄小端頭支架，支架中心距1480mm，總寬度4440mm，運順寬度5.2m滿足生產需要。運輸機機頭階梯式推移梁改為一字水平梁，端1前提800mm，使端頭架切頂線一致，減小了控頂面積，改善了端頭架支護質量。

（2）運輸機與轉載機搭接設計。定位軸可旋轉聯接式。PF3/822運輸機機頭卸載方式為端卸式，機頭與底座之間鉸接方式設計為定位軸可旋轉式連接方式，運輸機頭在平面上的旋轉角度增加到8°（刨煤機前置電機與轉載機之間限位8°），能夠適應25°傾角的煤層和150m以上旋轉開采的需要，提高了刨煤機的適應性。定位軸式連接方式使運輸機頭卸貨點距離縮小了100mm，防止了運輸機拉回頭煤。定位軸式連接裝置高度為510mm，運順巷道高度2.6m可以滿足生產需要。

3 供電方式

3.1 兩端供電技術

兩端供電集中控制技術摒棄了傳統采煤工作面動力電纜的布置方式，采用在采煤工作面運回順各安設一組變電列車，刨煤機、運輸機的機頭、機尾電動機分別從運回順變電列車直接供電。由于工作面不布置動力電纜，使電纜的檢查維護變得十分輕松方便，避免了以往工作面推溜、拉架對電纜造成傷害，避免了工作面電氣故障的發生。

3.2 集中控制技術

PROMOS中的智能接線盒kcck輸出直流24伏給一臺繼電器供電。通過繼電器的兩組常開接點經工作面關聯線，控制運輸機機頭和機尾兩組開關啟動。兩臺開關低速無源常開接點和高速常開接點串接，實現一臺開關有故障另一臺開關斷開，避免了單電機運行，實現了同步啟動、同步保護的功能。刨煤機將電機控制線用工作面關聯線連接機頭和機尾KE1004開關，PROMOS直接完成頭尾電機同步啟動。

4 回采技術

4.1 自動化控制

依據薄煤層開采技術自動化控制系統由PROMOS主控系統和PMC支架電液控制系統兩部分組成。

控制的原理：

PROMOS控制系統。回采設備的運行由PROMOS執行。

PMC電液控制系統。通過PMC服務器接收PROMOS數據并進行處理，指揮PMC-R控制單元對支架進行各種動作。

通過自動化控制系統，可以實現工作面實時動態監測、無人操作，達到安全、高效生產。

4.2 回采工藝

依據薄煤層開采技術，刨煤機沿刨煤機軌道通過刨鏈往復牽引落煤。采用“單向雙切”進刀方式，雙向穿梭式的落煤方式。運輸機的推移均由主控系統采集刨煤機運行位置，實現遠程控制，達到動態監控、無人操作。

5 試驗面概況及生產情況

鐵煤集團大興礦N1E902工作面煤層厚度平均0.90m，垂直節理發育，屬于易刨煤層。煤層賦存為舒緩向斜，煤層傾角7°工作面走向342m，切眼200m，設計可采儲量9.17萬t。直接頂泥質膠結粉砂巖厚1.38m，易冒落，老頂粗砂巖厚5.0m，較穩定。煤層瓦斯絕對涌出量27.7m3/min。N1E902工作面2014年3月25日完成安裝及調試工作，開始正常回采至結束，日進尺最高10m、產量3000t，平均日進尺8m，平均單產2500t/d，平均月產7.5萬t，實際回采煤炭12.67萬t，取得了良好的效果，實現了安全高效的目標。

6 結束語

鐵煤集團1.0m以下極薄煤層全自動化刨煤機開采工業性實驗的成功，不但破解了極薄煤層安全、高效開采的世界性技術難題，填補了國內煤炭行業極薄煤層開采的技術空白，還為解放我國約60多億噸的薄煤層煤炭資源奠定了堅實的基礎，對提高我國煤炭資源回收率具有極為重要的現實意義和深遠的歷史意義。

作者簡介：楊清成（1968-），男，遼寧工程技術大學采礦學專業畢業，現職：遼寧省鐵嶺市調兵山市鐵法能源有限責任公司生產技術部采煤科科長。