薄煤層工作面設備選型配套及關鍵技術研究

馬端志，劉明川，劉德健，馬梓焱，于 彬

1中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

2天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部 北京 100013

3陜西黑龍溝礦業(yè)有限責任公司 陜西神木 719300

我國煤炭法規(guī)定 0.8 m 以上煤層必須開采，0.8 m 以下的煤層鼓勵開采，然而薄煤層開采一直是制約煤炭企業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的難題。據調研，國內實際開采厚度在 1.3 m 以下，機械化開采工作面很少，且單面產量基本上為 20～50 萬 t/a，生產能力無法滿足礦井生產可持續(xù)發(fā)展需求。

1 薄煤層開采技術現狀

薄煤層儲量多、比重大、分布廣，是國內外公認的復雜難采煤層，其空間狹小，設備配套和頂板管理困難。我國富煤地區(qū)許多薄煤層丟棄不采，缺煤地區(qū)普遍采用炮采或普通機采，甚至采用手工等落后方式開采，安全狀況差、資源回收率低、產量低、效益差、工人勞動強度大。目前，可以實現薄煤層綜合機械化高效開采的僅有刨煤機和滾筒采煤機兩種設備[1-2]。

刨煤機是 20 世紀 80 年代德國針對薄煤層開采而研發(fā)的采煤設備，根據采高分為底托式刨煤機和滑行式刨煤機，如圖1 所示。其中，底托式刨煤機可實現最小 0.6 m 采高需求，滑行式刨煤機可實現最小 0.8 m采高需求。我國自主研發(fā)沒有取得實質性進展，進口刨煤機的維護和投入成本較高，且刨煤機長壁開采適應性差，對頂底板要求比較高，該技術在我國沒有得到推廣應用。

圖1 刨煤機Fig.1 Coal plow

目前國內外主流的薄煤層滾筒采煤機按整機布置方式有爬底板式采煤機、騎輸送機雙截割電動機薄煤層采煤機 (跨騎式) 和半懸機身采煤機 (半懸式) 3 種[3]，如圖2 所示。其中爬底板式采煤機機身重心位于輸送機外，煤壁側增加滑橇支撐與底板接觸，對地質條件要求苛刻，不具備高產高效能力。跨騎式采煤機具有空頂面積較小、牽引力較低以及結構簡潔、使用方便等特點，但是跨騎式采煤機機身常規(guī)布置在輸送機上方，為增大截割功率，每個搖臂采用 2 個截割電動機并列布置，截割電動機尺寸是影響機面高度和過煤空間的主要矛盾，采煤機裝機功率不宜過大，裝機功率大于 700 kW 時難以滿足 1.3 m 以下采高需求。半懸機身全懸搖臂布置方式采煤機更好地解決了裝機功率、機面高度與過煤空間的矛盾，實現了薄煤層采煤機在大功率的前提下，具有較低的機面高度和足夠大的過煤空間，可以滿足最低 1.0 m 左右的采高需求，但半懸機身式采煤機適應煤層變化性能弱于跨騎式采煤機。

圖2 薄煤層滾筒采煤機Fig.2 Drum shearer in thin coal seam

2 薄煤層工作面開采技術難點分析

(1) 設備可靠性、適應性差 薄煤層作業(yè)空間狹小，如圖3 所示，當工作面采高小于 1.3 m 時，工作面實際行人高度小于 1.0 m。選型時盡可能采用小尺寸、小功率設備，以實現工作面可采為目的。因此，采煤機裝機功率普遍小于 500 kW，割煤破矸能力弱，割煤速度低、可靠性差，無法滿足高效快速推進；開采效率低，采煤機維護量大，且難以維護。刮板輸送機以 SGZ630 型為主，刮板槽幫高度低、鏈條尺寸小，造成工作面過煤空間小和刮板輸送機設備可靠性較差。液壓支架工作阻力普遍小于 4 000 kN，雖然可以滿足大部分工況下薄煤層開采支護需求，但由于其允許支架下降量較小，支護能力小，成為工作面安全開采的隱患。提高薄煤層工作面設備可靠性是薄煤層實現安全、高效開采的必然選擇。

圖3 薄煤層作業(yè)示意Fig.3 Sketch of operation in thin coal seam

(2) 生產效率低、勞動強度大 薄煤層工作面采煤機割煤速度普遍小于 4 m/min，采煤機功率小，割煤能力弱，速度慢。當采煤機割煤速度較快時，人員在工作面內彎腰爬行跟機作業(yè)困難，跟機拉架效率低，無法實現快速跟機，導致生產效率較低。長期在薄煤層工作面內工作的操作人員勞動強度極大，存在患職業(yè)病風險。實現薄煤層工作面生產無人跟機作業(yè)，促進薄煤層工作面智能化發(fā)展是薄煤層安全高效開采的必由之路[4]。

3 薄煤層工作面高效開采配套技術研究

提高薄煤層工作面產量和經濟效益切實可行的方法是解決薄煤層工作面設備可靠性差、適應性差和生產效率低、勞動強度大的難題，加大工作面推進速度，攻克液壓支架小斷面和高可靠性、采煤機小尺寸和大功率、刮板輸送機矮槽幫和高壽命之間的突出矛盾。只有通過提高設備的可靠性，才能有效解決薄煤層工作面有限空間內設備維修與更換難題[5]；其次要解決薄煤層工作面無人開采難題。

3.1 薄煤層成套裝備配套關鍵技術

薄煤層開采裝備小尺寸與大功率、強適應和高可靠矛盾突出。開展成套裝備配套關鍵技術研究，為薄煤層安全高效開采保駕護航。

根據薄煤層工作面地質條件和開采需求，分析研究工作面合理長度，確定工作面液壓支架、采煤機和刮板輸送機設備主要參數。其中，采煤機的選型是核心，液壓支架和刮板輸送機的選型是實現工作面能力的保證。立足于國內外先進、成熟可靠的設備，設計選型的設備必須滿足生產能力要求，實現設備合理布置及協(xié)調運行。分析薄煤層采煤機與刮板運輸機配套型式及其過煤效率，以及采煤機行走機構與刮板運輸機搭接關系，形成最優(yōu)配合方案；基于巷道留設與煤層位置關系，確定合理可行的薄煤層刮板運輸機機頭機尾配套關系，優(yōu)選機頭與轉載卸載方式及其效率，以簡化布置、提高回采推進效率為原則，形成“機頭重疊側卸、機尾反臥”的搭接配套模式。

3.2 薄煤層液壓支架關鍵技術

(1) 支架寬度 目前薄煤層工作面支架中心距普遍為 1.5 m。應盡可能采用大中心距支架，減少設備數量。薄煤層支架中心距提高到 1.75 m，支架可靠性和移架速度可提高約 16%。

(2) 小斷面大工阻支架技術 薄煤層配置中液壓支架的工作阻力基本上在 4 000 kN 以下，受空間限制，工作阻力很難提高。新型薄煤層液壓支架設計時采用 Q890 高強度板材，可保證高工阻支架結構件的安全性和可靠性，比常規(guī)使用 Q550 高強板提高60%。采用如圖4 所示的新型多耳板連接機構，可減小支架結構件尺寸，同等尺寸下鉸接銷軸和耳板安全性可提高 50%，在有限的空間內，不僅將工作阻力提高到 6 000 kN 以上，而且提高了薄煤層液壓支架結構件的可靠性。

圖4 新型多耳板連桿機構Fig.4 New connecting rod mechanism with multi-ear plate

(3) 高可靠推移裝置 液壓支架推移機構分為正裝短推桿和倒裝長推桿 2 種結構，如圖5 所示。倒裝長推桿要求高度空間較大，受空間限制，薄煤層液壓支架大部分采用了正裝短推桿結構。正裝短推桿結構的推移機構高度較低，推桿導向段短，靈活性強，但在推溜過程導向性差，推溜能力相對弱。為提高薄煤層開采過程有效推溜和移架，應盡可能采用倒裝推移形式，不僅移架力大，還能夠更加有效地推溜裝煤，提高開采效率。

圖5 液壓支架推移機構不同結構形式示意Fig.5 Sketch of hydraulic support pushing mechanism in different structural forms

3.3 大功率矮機身采煤機選型

國內薄煤層工作面普遍以可采為目的，采用裝機功率小于 500 kW 的采煤機。為提高采煤機割煤和破巖能力，國內大型采煤機生產單位先后研發(fā)了新型薄煤層大功率半懸式采煤機和跨騎式新型采煤機，主要性能參數如表1 所列。

表1 大功率薄煤層采煤機性能參數Tab.1 Performance parameters of high-power coal shearer in thin coal seam

在滿足采高的前提下，薄煤層開采應盡量選大功率采煤機，這樣可大大提高采煤機的可靠性和割煤破矸能力，提高開采效率。采煤機機面高度和其配套的刮板輸送機密切相關，限制滾筒式采煤機最小采高的不僅有機面高度，而且和滾筒直徑密切相關。當采煤機截割功率增加后，為保證裝煤效果，滾筒直徑也受到一定限制。

由表1 可以看出：

(1) 最小采高為 1 300 mm 時，MG2×250/1200-AWD 系列跨騎式雙截割電動機采煤機較合理；

(2) 最小采高為 1 200 mm 時，應選擇裝機功率1 000 kW 以上的半懸式采煤機；

(3) 最小采高為 950 mm 時，應選擇裝機功率 800 kW 系列半懸式采煤機；

(4) 最小采高為 800 mm 時，可選擇裝機功率 565 kW 的采煤機。

3.4 高可靠性刮板輸送機選型

薄煤層工作面開采應該采用高可靠性刮板輸送機。槽幫越矮、鏈條尺寸越小，其越適應薄煤層開采，但需采用高強度材料等措施保證槽幫、中底板、齒軌座、鏈條和銷排等部件的可靠性[6]。目前薄煤層開采以 SGZ630 型刮板輸送機為主，由于薄煤層過煤高度空間有限，在條件允許的情況下，盡量采用 SGZ730 型或更寬的刮板輸送機，提高運煤橫向寬度，增強運煤效果。

在煤層條件允許的條件下，優(yōu)先選擇具有高度集成化的重疊側卸機頭，該機頭在走向和傾向多維度可以調整，適用于工作面與掘底巷道的高度變化，如圖6 所示，可實現工作面兩端頭無需破矸和中部等高式開采，提高工作面開采效率。

圖6 重疊側卸機頭示意Fig.6 Profile of overlapping side-discharge head

4 結語

通過工作面三機設備一體化選型設計，解決薄煤層空間狹小與裝備高可靠性和高效開采之間的矛盾，降低采高，減少割矸量，提高設備可靠性，降低勞動強度，增大設備間空間，改善工作環(huán)境，實現 0.8～1.3 m 薄煤層高效開采，為薄煤層工作面智能開采提供適應性強、可靠性高的煤機裝備，對全國薄煤層開采都具有示范和引領作用。