薄煤層智能成套一體化綜采裝備選型配套技術優(yōu)勢分析

鄭州煤礦機械集團股份有限公司 河南鄭州 450010

我 國煤層厚度為 1.3 m 以下的薄煤層儲量約占全國煤炭總儲量的 20%，僅國有煤礦薄煤層儲量就超過 61.5 億 t，85% 以上的礦區(qū)均賦存有薄煤層[1]。薄煤層開采作業(yè)空間受限，配套難度大，智能化程度相對較低，制約了煤炭企業(yè)的生產接續(xù)和可持續(xù)發(fā)展。

當前，我國煤炭行業(yè)正經歷著由粗放經營向精細化經營轉變，開采工藝由機械化開采向智能化開采方向轉變。我國大型煤炭企業(yè)采煤機械化率從 2012 年的 81.5% 提升至 2019 年的 98.1%。截至 2019 年，全國在產煤炭井礦約 5 000 個，平均單井單面年產量為70 萬～ 80 萬 t，而美國、澳大利亞等國外煤礦單井單面年產量達 300 萬～ 400 萬 t，與國外相比，存在著巨大的差距[2-3]。

與國外單井單面產能差距較大的原因，一方面在于我國綜采裝備行業(yè)總體智能化發(fā)展仍處于初級階段，另一方面在于國外形成了由單一集團提供成套裝備及智能化控制系統(tǒng)的能力，例如久益環(huán)球在井工綜采方面具有獨立成套供應液壓支架、采煤機、刮板輸送機及自動控制技術方面的能力，通過合理配套和協(xié)同控制，將設備的性能最大化地發(fā)揮出來。而國內綜采成套裝備仍以核心裝備供應商配套為主，還未形成成套化裝備與智能化控制為一體的核心競爭優(yōu)勢[4-7]。因此，急需進行薄煤層智能成套一體化綜采裝備的研究。

1 多廠家組合配套與成套一體化配套對比

多廠家組合配套一般由煤礦用戶牽頭，多家設備供應商參與，溝通協(xié)調及管理復雜，配套時間長，效率低。成套一體化配套由單一廠家提供客戶需求的整體解決方案，完成“交鑰匙”工程，最大化降低客戶的風險[8-9]。

與多廠家組合配套相比，成套一體化配套優(yōu)勢在于由單一廠家配套，配套時間短，用戶省心，系統(tǒng)整體平衡性更優(yōu)，生產完成后直接在廠內完成聯(lián)調驗收并整改到位，到礦直接下井，可實現(xiàn)快速出煤。其劣勢在于對配套廠家的綜合要求比較高，需具備“三機”(液壓支架、采煤機、刮板輸送機) 及自動化系統(tǒng)的研制能力。

2 薄煤層綜采工作面概況

為驗證智能成套一體化配套裝備的井下使用效果，并與多廠家組合配套進行比對，選取了國內某集團同一開采煤層、相似地質條件下的 2 個礦井進行使用效果對比。

A 礦采用多廠家組合配套，B 礦采用單一廠家智能成套一體化配套，A、B 礦的地質及賦存條件對比如表 1 所列。

表1 地質及賦存條件對比Tab.1 Comparison of geological and occurrence conditions

3 “三機”和控制系統(tǒng)選型及參數(shù)對比

3.1 液壓支架

A 礦采用多廠家組合配套，配套支架為 X 廠家生產的 ZY6800/10/20D 型液壓支架；B 礦采用成套一體化配套，配套支架為鄭煤機集團生產的 ZY5200/09/21D 型液壓支架。A、B 礦所選支架的主要技術參數(shù)對比如表 2 所列。

理論計算和實際使用表明，2 種架型均能滿足該層煤開采的支護需要。A 礦所選架型支護強度富余較大，頂梁前部厚度為 176 mm，比 B 礦所選架型厚62 mm；A 礦架型所用推桿為常規(guī)箱體結構，厚度為150 mm，B 礦架型所用推桿為扁平實體結構，厚度僅為 80 mm。以上因素造成 A 礦所選支架質量大、成本高，在相同配套下，最低采高適應性稍差。

3.2 采煤機

A 礦配套采煤機為 Y 廠家生產的 MG2×250/1200-WD 型采煤機；B 礦采煤機由鄭煤機集團生產，型號為 MG2×200/930-WD。A、B 礦所選采煤機的主要技術參數(shù)對比如表 3 所列。

表3 A、B 礦所選采煤機主要技術參數(shù)對比Tab.3 Comparison of shearer adopted in colliery A and B in main technical parameters

由表 3 可知，A 礦配套的采煤機在裝機功率、牽引力、牽引速度等方面均具有明顯優(yōu)勢，但所選滾筒直徑較大，且機面高度比 B 礦所選采煤機高 117 mm，由于煤層平均厚度只有 1.37 m，意味著存在較多的割矸情況。

3.3 刮板輸送機

A 礦配套刮板輸送機為 Z 廠家生產的 SGZ900/2×400 型刮板輸送機；B 礦刮板輸送機由鄭煤機集團生產，型號為 SGZ800/2×400。A、B 礦所選刮板輸送機的主要技術參數(shù)對比如表 4 所列。

表4 A、B 礦所選刮板輸送機主要技術參數(shù)對比Tab.4 Comparison of scraper conveyor adopted in colliery A and B in main technical parameters

由表 4 可知，A 礦配套的刮板輸送機在輸送量方面略有優(yōu)勢，但槽幫高度比 B 礦所選的刮板輸送機高53 mm，且采用常規(guī)鏈條使得整體高度更高，不利于薄煤層工作面采高的控制。

3.4 智能化控制系統(tǒng)

A 礦配套控制系統(tǒng)為國外公司研發(fā)的 PM32 智能化系統(tǒng)，B 礦控制系統(tǒng)是由鄭煤機自主研發(fā)的ZE0704 型智能化控制系統(tǒng)。2 種系統(tǒng)均配備有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、井下集控中心、地面分控中心、移動端 APP等模塊，具備集控中心和地面調度室一鍵啟停、視頻監(jiān)控、采煤機記憶截割、支架跟機自動化、“三機”參數(shù)監(jiān)測等功能。A、B 礦均成功通過了河南省工信廳組織的煤礦智能化建設驗收。

4 工作面整體配套性對比

A、B 礦工作面整體配套設備及參數(shù)對比如表 5所列。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，A 礦采用多廠家組合配套，突出大工作阻力、大裝機功率、大槽寬等特點，雖然各單項設備在性能上均具有一定優(yōu)勢，但系統(tǒng)整體配套與薄煤層的適應性不足，較高的機身高度、較厚的頂梁和大直徑滾筒的配合使得采高難以控制，實際開采時不得不割下一定的矸石。

B 礦采用成套一體化配套，突出設備配套與礦井相適應的理念，通過超低機身、超薄頂梁、實體推桿、扁平鏈的組合，做到了兼顧過機空間、過煤高度、割煤速度、運煤能力的最優(yōu)組合，同時有效控制了采高，實現(xiàn)了煤有多厚就采多高的開采目標[10]。

5 應用效果對比

與 A 礦采用多廠家組合配套相比，B 礦所有設備均為鄭煤機提供，形成國內首套由單一廠家提供成套裝備及自動化系統(tǒng)的薄煤層智能化工作面。A、B礦薄煤層工作面綜采裝備井下使用效果對比如表 6 所列。

對比分析可知，A 礦采用多廠家組合配套，在平均煤厚 1.37 m 的情況下采高達到 1.7 m，造成割矸較多，各設備性能難以完全發(fā)揮，因而產量較低，煤質也較差，經濟效益一般。

B 礦采用成套一體化配套，通過薄煤層智能化設備的合理選型配套，采高控制在約 1.3 m，只割煤少割矸，日均產量較高，減少破矸厚度 300 mm 以上，減少排矸石 10.6 萬 t，降低矸石外運成本 604.2 萬元，同時有效保證了煤質，取得了顯著的經濟和社會效益。

綜上分析，B 礦采用成套一體化配套，充分結合礦井地質條件和煤層賦存條件，進行個性化配套設計，在各單機性能處于劣勢的情況下，通過良好的配套適應性，實現(xiàn)了薄煤層智能工作面的高產高效，為客戶創(chuàng)造了良好的效益[11]。

6 結語

在深入研究薄煤層智能工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機及智能控制系統(tǒng)的選型要求和原則的基礎上，結合井下地質條件和煤層賦存狀態(tài)，研制了國內首套由單一廠家進行綜采裝備和智能控制系統(tǒng)整體配套的薄煤層智能成套一體化綜采裝備，并進行了井下工業(yè)性試驗。

將單一廠家配套的成套一體化裝備與相似地質條件下的多廠家組合配套裝備進行配套性和應用效果綜合分析對比，結果表明，成套一體化裝備個性化的研發(fā)和合理的配套，做到了兼顧過機空間、過煤高度、割煤速度、運煤能力的整體平衡，具有良好的配套適應性，成功實現(xiàn)了薄煤層智能工作面的高產高效，創(chuàng)造了顯著的經濟和社會效益。成套一體化選型配套技術的探索研究，對推動我國薄煤層智能工作面的建設、保障煤礦安全、促進煤炭資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。