連續采煤機在露天煤礦端幫安全開采的應用研究

高云峰

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤機裝備有限公司，山西省太原市，030006)

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連續采煤機在露天煤礦端幫安全開采的應用研究

高云峰1,2

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤機裝備有限公司，山西省太原市，030006)

介紹了端幫采煤機和端幫開采技術工藝，為了解決我國露天煤礦端幫經濟和安全開采技術難題，太原研究院研究了使用連續采煤機對露天煤礦端幫進行開采，分析了連續采煤機在國內的發展現狀和端幫開采的工程應用，最后闡述了連續采煤機端幫開采的前景展望。

露天煤礦 邊坡開采 連續采煤機 端幫采煤機

1 端幫采煤機概述

目前，大多端幫開采由端幫采煤機開采，端幫采煤機基本使用的都是美國生產的SHM端幫采煤機，SHM端幫采煤機體積龐大，高為9.3 m,寬為10.3 m,長為20.2 m，整機重量不包括截割頭部分就重達213825 kg。SHM端幫采煤機主要由基架、液壓動力站、旁側卸載機、前承重梁、后承重梁、鎧裝圓盤、推板增減機構、推進臂、電氣控制模塊、液壓系統、操控室、截割頭模塊、重型履帶行走裝置、移動變壓器等組成。

SHM端幫采煤機對電力需求較大，整套系統僅電機部分就有1臺水噴射泵電機、1臺空氣壓縮電機、2臺截割電機、2臺收集電機、1臺水循環泵電機、1臺液壓油循環泵電機、2臺平行螺旋鉆電機、1臺液壓泵電機、1臺基礎傳送電機、1臺右側角傳送電機、1臺堆垛鏈動電機以及4臺冷卻系統電機等多達18臺電機組成，總功率高達1525 kW，供電方式可以選擇通過一個移動變電站從當地電網供電，也可以選擇SHM自己設計的柴油發電機組供電。SHM端幫采煤機可采煤層厚度范圍為0.76～5.5 m，采硐深度最大可達300 m。按照美國的采礦運行制度(每天兩班)，開采0.8 m左右的薄煤層，月產量可達6～9萬t，開采1.5 m左右的中薄煤層月產量可達9～12萬t，開采3 m左右的中煤層月產量可達10～15萬t，每班僅需3～4人，開采效率極高。

使用端幫采煤機進行端幫開采雖然有很多優點，但是引進整機系統價格較高(近億元)，目前，國內露天礦還沒有采用SHM端幫采煤機進行開采，在國內應用基本是空白。但我國露天煤礦基本現狀是幾乎所有的端幫都由于剝采比太高、經濟性不滿足要求而大量壓煤，由于無法開采基本屬于廢棄資源，為了減少資源浪費，推行綠色開采，依據現有國內煤機裝備技術現狀，有必要研究使用其他相關技術進行端幫開采應用研究。

2 端幫開采技術工藝

使用端幫采煤機進行端幫開采和使用連續采煤機進行端幫開采雖然設備不同，但基本工藝是相同的。SHM端幫采煤機開采工程應用已經很成熟，基本應用條件是開采水平或者近水平煤層，基本用于開采煤層傾角8°以內，煤層頂底板條件要求比較高，巖層穩定不破碎，滲水少，瓦斯含量低。

無論端幫采煤機還是連續采煤機開采都是探入式開采，采硐之間需留設一定寬度的支撐煤柱，一般根據工程地質條件采硐間需要留設1～3 m寬度的煤柱，具體參數需要根據計算所得，同時每采3～10個采硐需要留設一個4～8 m寬度的大煤柱，具體根據邊坡穩定性要求和工程地質條件綜合確定。雖然留設不同形式的煤柱但是回采率仍然不低，采1 m厚度的薄煤層露頭煤回采率可高達80%以上。根據工程應用實例來看，采不同厚度和不同賦存深度的煤層回采率變化較大，在賦存深度百米范圍內，回采率隨賦存深度的增加基本呈線性降低，隨煤層厚度的增加而降低，基本規律見圖1。

圖1 端幫開采回采率變化規律

3 連續采煤機端幫開采應用

3.1 國內連續采煤機發展現狀

我國連續采煤機研究相對落后，從20世紀90年代末才開始連續采煤機短壁機械化開采技術及配套設備的開發工作。90年代以煤炭科學研究總院太原研究院為首的煤機生產科研單位與神東公司合作，在消化吸收國外先進短壁開采裝備的基礎上，逐漸開始研制國產短壁成套開采裝備。相繼研制出XZ系列履帶行走式液壓支架、LY系列連續運輸系統、CMM系列四臂錨桿鉆車、GP系列給料破碎機、WD13梭車等短壁開采配套設備，隨著2007年國內首臺EML340型連續采煤機的問世，我國已經具備生產連續采煤機短壁機械化開采成套裝備的能力，同時使煤炭科學研究總院太原研究院成為國內第一個開發出連續采煤機的企業。

3.2 國內端幫開采工程應用

目前國內有4家露天煤礦曾經試驗或正在進行端幫開采，霍林河露天煤礦采用的是仿制的端幫采煤機，由于開采的是露頭煤，屬于風氧化煤，煤巖層過軟導致壓覆端幫采煤機而失敗；烏蘭礦業集團特拉布拉露天煤礦比較特殊，它使用的是橫軸的掘進機為基礎加后配套而成的一套體系進行端幫開采，效率更低，年產量只有15萬t；鄂爾多斯上灣地區烏蘭露天煤礦在2011年就已經開始試驗進行端幫開采，但采用的不是端幫采煤機而是以太原院連續采煤機為基礎加后配套而成一套體系，基本價格在1200萬元左右(刨除研發費用)，以目前產能來看日產量最高可達3000 t，但是由于設備后配套相對落后，效率較低，同時連續采煤機本身可靠性較差，系統整合能力也較差，冷卻系統能力低，開機率較低，月平均產量只有3萬t左右。由于該礦煤質較好，售價500元/t，每個班組3～4人，無支護，開采成本較低，整套設備投資下來僅需開采近一個月就能將成本全部回收，這一點對各大露天煤礦企業來說誘惑力極大。

3.3 五彩灣露天煤礦端幫開采

新疆五彩灣露天煤礦東端幫有壓覆煤炭資源，為了保證采端幫煤不致滑坡，在進行開采之前對東端幫重新進行了邊坡穩定性評價，在進行設計前選取典型剖面進行穩定性分析，初步了解目前端幫穩定性情況，穩定性系數在1.8以上，有余力進行端幫開采可行性分析。在留設支撐煤柱下開采煤層會大大降低穩定性系數，經過計算，在采硐間留設煤柱1.5 m，5個采硐間留設6 m大煤柱情況下，穩定性系數在1.16以上。東幫采掘平面圖如圖2所示 ，開采前邊坡穩定性情況如圖3所示，開采情況下邊坡穩定情況如圖4所示。

圖2 東端幫工程平面圖

圖3 開采前邊坡穩定性情況

圖4 開采情況下邊坡穩定情況

為了保證在進行端幫開采時不致滑坡壓覆設備，考慮到剛體極限平衡計算時沒有融入變形影響，又是二維模型計算，為了計算的準確性，利用數值模擬技術進行三維建模評價，采用的計算指標見表1。

表1 巖土體物理力學計算指標

三維模型共建立20356個單元，32541個節點。經過分析計算，沒有產生大范圍滑坡，三維計算模型如圖5所示，位移矢量圖如圖6所示，最大位移圖如圖7所示，剪切應變增量圖如圖8所示。

從圖6和圖7可以看出，大范圍滑坡不會發生，不會因滑坡而導致壓覆設備，僅有局部片幫。從圖8可以看出，主要是因為土層抗剪強度太小而發生的局部片幫，煤層抗剪強度大沒有發生片幫，片幫屬于正常現象。

圖5 三維計算模型

圖6 位移矢量圖

在五彩灣露天煤礦開采方案確定后，使用連續采煤機進行端幫開采，以1臺JOY12連續采煤機為核心，該系統主要構成是采煤系統、二次運輸系統、遠程控制系統、全景監控系統、轉運系統、供電系統、通風系統等構成。由于JOY12故障率較低，生產效率較高，2煤煤層平均厚度為3.5 m，月最高產量可達6萬t，平均月產量可達5.1萬t。

圖8 剪切應變增量圖

4 連續采煤機端幫開采前景展望

目前，國內使用連續采煤機進行端幫開采應用較少，太原院是國內第一個開發出連續采煤機的企業，目前技術已經比較成熟。鄂爾多斯上灣地區烏蘭露天煤礦早在2011年就已經使用太原院生產的EML340連續采煤機進行端幫開采，經過5 a的磨合和不斷的技術改進，烏蘭露天煤礦與太原院已經合作共同開發邊坡連續采煤機，樣機已經試制完成，取得安標即可生產銷售。該邊坡連續采煤機基于EML340，主要針對此前開機率低、缺乏冷卻系統、機尾連接件抗拉強度低、缺乏全景監控系統、運輸系統能力低等主要問題進行了改進，可靠性將大大增強，生產效率將大幅提高。

我國的露天煤礦端幫壓煤非常普遍，壓覆煤炭資源較大。神華集團寶日希勒露天礦地處呼倫貝爾草原中部，1998年9月12日正式開工建設，地質儲量為7600萬t，近年年產量超過千萬噸，資源開采強度較大，端幫壓煤量大，在資源尤為寶貴的今天，端幫壓煤開采極為必要；國電平莊煤業蒙東能源集團公司地處錫林郭勒盟錫林浩特市，因其旗下下轄多個露天煤礦，尤其是內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特地區勝利煤田所屬勝利西二號露天煤礦東西端幫壓煤，且西端幫曾經滑坡大量壓煤；勝利煤田所屬烏蘭圖嘎煤礦鍺坑西端幫大量壓煤，煤層中含有鍺，鍺的價格高于1萬元/kg，價值非常高，但由于技術和經濟原因無法使用端幫采煤機開采，由于考慮當前一套完整的端幫采煤機需要投資近億元，以目前蒙東能源公司經濟狀況無法使用端幫采煤機開采，如果使用中國煤炭科工太原煤科院生產的邊坡連續采煤機開采整套設備下來估計僅在1500萬元左右，應用前景較好；同屬勝利煤田東二號露天煤礦(大唐錫林浩特礦業有限公司所屬后被神華收購)存在部分端幫壓煤，目前由于該礦主要問題是煤層最厚處超過200 m，存在高大煤質邊坡對生產帶來很多不利影響；同屬勝利煤田神華北電勝利公司由于開發較早且存在自己的電廠，經濟條件較好，端幫也存在壓煤情況，使用邊坡連續采煤機進行開采技術可行經濟可行；平莊煤業集團公司所屬元寶山露天煤礦也存在端幫壓煤情況，元寶山露天煤礦使用半連續開采工藝，技術水平相對較高，使用邊坡連續采煤機進行開采具備一定的經濟基礎；平莊煤業集團所屬的白音華一號露天煤礦，地處內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西烏珠穆沁旗白音華鎮，2012年時年產量就已經突破1000萬t，目前煤價上漲煤炭銷售剛由虧損轉入盈利階段，經濟條件轉好，也存在端幫壓煤情況，該礦具備使用邊坡連續采煤機進行端幫開采的技術和經濟條件；與其相鄰的白音華二號露天煤礦和白音華三號露天煤礦隸屬于中電投，也存在端幫壓煤情況，尤其是白音華二號露天煤礦2012年1月8日端幫發生大規模滑坡導致大量壓煤；相鄰的阜新礦業集團公司所屬白音華四號露天煤礦也存在端幫壓煤情況；同屬西烏珠穆沁旗，在吉林郭勒鎮有吉林郭勒二號露天煤礦(錫林郭勒盟政府、遼寧春成工貿有限公司、遼寧鐵法煤業集團公司三家共營單位，鐵法控股)，目前也存在端幫壓煤；神華準能黑龍江寶清露天煤礦、鄂爾多斯黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦也存在端幫壓煤情況；大唐尹敏露天煤礦和伊蘭露天煤礦也同樣存在端幫壓煤。

在太原煤科院所屬山西境內僅河曲梁家磧露天煤礦端幫壓覆煤炭資源就將近1000萬t。為了盡可能地減少端幫煤炭資源浪費，各露天煤礦普遍做法就是盡可能提高端幫邊坡角，通過犧牲邊坡穩定性降低剝采比來采端幫煤，邊坡角可達30°以上，但從根本上無法改善端幫大量壓煤狀況，使用邊坡連續采煤機可大大改善這種狀態。

5 結語

連續采煤機進行端幫開采技術可行，經濟可行，符合我國國情，能夠大大減少資源浪費，減少占用土地，減輕排土場排棄壓力。

連續采煤機運用于我國露天端幫開采通常需要對邊坡進行放緩設計，運用合理的剛體極限平衡分析法結合數值模擬技術能夠確定最優煤柱留設寬度。連續采煤機端幫開采使用前景非常廣闊，但是目前應用不多，主要原因是邊坡連續采煤機使用仍有一定的局限性，對頂底板要求較高，國產設備可靠性較差，開機率較低，有待進一步改進。

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(責任編輯 路 強)

Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining

Gao Yunfeng

(1. Taiyuan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan, Shanxi 030006, China; 2.Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Equipment Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030006, China )

The author introduced end slope miner and end slope mining technology, and in order to solve the technological problem of end slope's economical and safe mining in China open-pit mine, Taiyuan Research Institute researched continuous miner open-pit end slope mining, analyzed development state and engineering application of continuous miner in domestic end slope mining, and elaborated prospect forecast of continuous miner in end slope mining.

open-pit mine, side slope mining, continuous miner, end slope miner

國家自然科學基金(U1361130)，中央高校基本科研業務費(3142015021，3142015124，3142015119)

高云峰.連續采煤機在露天煤礦端幫安全開采的應用研究[J].中國煤炭，2017，43(3)：74-77，119. Gao YunFeng. Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining[J].China Coal，2017，43(3)：74-77，119.

TD4.65

A

高云峰(1981-),男，山東煙臺人，助理研究員，現就職于中國煤炭科工集團太原研究院，主要從事短壁開采工藝及巷道支護等技術研究及管理工作。