老石旦矿薄煤层综合机械化开采实践

何富连，王晓明，张广超，谢生荣，王 欢，高 升

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京 100083）

我国煤炭储量大且赋存多样化，其中薄煤层可采储量约为60多亿t，约占全国煤炭总储量的19%，但其采出量却不足总储量的10%［1－2］。薄煤层开采技术与煤炭开采技术的发展不同步致使薄煤层综合机械化开采水平较低［3］，使得薄煤层工作面单产低、经济效益差、开采速度缓慢，进而影响了其下部中厚或厚煤层的开采，使工作面不能正常接替，严重影响矿井的生产能力。神华集团海勃湾矿业有限责任公司老石旦煤矿位于内蒙古自治区桌子山煤田西翼的老石旦矿区，井田面积约13.14km2，主采煤层为：9＃煤、12＃煤、16-1＃煤、16-4＃煤，其中12＃为薄煤层，其余为中厚煤层，均为焦煤。为了解决老石旦矿各煤层间的开采衔接问题，提高矿井生产能力，实现高效开采和矿井的可持续发展，在12＃煤层开采过程中，提出采用综合机械化开采技术，本文以12＃薄煤层1208工作面为对象，对薄煤层综合机械化开采技术进行研究。

1 老石旦矿薄煤层1208综采面概况

1208工作面属于二水平北三采区，走向长度为800m，倾向长度为150m，工作面面积为0.12km2，工业储量201840t，可采储量197803t，回采率98%。1208工作面地面标高为1208～1333m，井下位于北三井口西南，标高为890～925m，工作面东南部为未采完的1206工作面，已留作北三采区风井煤柱，其西南及西北均为未开采的实体煤。工作面煤层厚度为0.6～1.4m，平均厚度为1.2m，煤层倾角为5°～15°，平均倾角为8°，该煤层具有煤尘爆炸性，有自燃倾向，为二类自燃煤层，煤层可采指数为1。工作面顶板破碎，存在0～0.1m厚的泥岩伪顶，直接顶为砂页岩，厚度为1.8m，老顶为细砂岩，厚度为10m，直接底为细砂岩，厚度为1.88m，老底为砂页岩，厚度为7.11m；工作面内水文地质条件简单，只在局部出现顶板淋水现象，不会有大的涌水，最大涌水量0.85m3/min，正常涌水量0.5m3/min。

2 1208综采面开采特点及技术要求

1）现有薄煤层开采设备比较落后，薄煤层液压支架的最小高度无法满足该煤层最小厚度［4］，因此支架选型时主要依据煤层最大厚度进行选取，并尽可能考虑选取支架支撑高度范围大的液压支架。

2）采煤机对整机的结构提出了更强更高的要求，截煤部的结构强度与截割功率要求较高，采煤机要有较高的整体结构强度和稳定性，以满足薄煤层开采的特点［5］。

3）输送机要求中部槽高度要低，输送机的宽度应与采煤机宽度配套，保证输送机的纵向重心线与采煤机重心线吻合，避免割煤引起的震动使配套设备工作不稳定［6］。

4）上下顺槽断面较大，均沿煤层底板掘进，巷道断面必须满足综采设备的运输要求，对工作面两巷道成形质量要求高，要求两巷底板平整，挖顶部分的巷帮不得严重超挖，巷道成形须平整。

5）薄煤层开采空间小，工作面环境差，设备使用维护困难，综合机械化开采技术虽然降低了作业劳动强度，但作业难度系数却增加了。

3 老石旦矿薄煤层综合机械化开采技术

3.1 薄煤层综采配套设备选型

工作面产量为30万～40万t/a，主要参数如表1所示，研究国内薄煤层综采设备配套技术及高产高效开采方法［7－10］，并对“三机”厂家设备可靠性进行现场调研，依据老石旦矿具体地质生产条件，确定液压支架额定工作阻力为2600kN，支撑高度为0.7～1.6m，对采煤机、输送机进行配套选型，最终确定适合老石旦矿的薄煤层开采的“三机”设备。

综采面中部选用ZY2600/07/16型掩护式液压支架（端头选用ZYG3200/12/25型端头支架）；采煤机选用 MG100/238-BWD型薄煤层非机载交流电牵引采煤机；输送机选用SGZ-630/320型刮板输送机。“三机”设备主要技术参数如表2～4所示。

根据工作面“三机”设备型号及实际生产条件，确定薄煤层综采其它主要配套设备如表5所示。

表1 工作面主要参数

表2 ZY2600/07/16型液压支架主要技术参数

表3 MG100/238-BWD型采煤机主要技术参数

表4 SGZ-630/320型刮板输送机主要技术参数

表5 综采面其他主要配套设备

3.2 薄煤层综采面“三机”配套

3.2.1 综采面“三机”几何关系配套

老石旦煤矿薄煤层综采面的采煤机、刮板输送机和液压支架间的配套尺寸关系如图1所示。

3.2.2 “三机”性能及生产能力配套

“三机”性能配套主要解决各设备性能间互相制约的问题，从而充分发挥设备性能，以满足生产的需要。“三机”生产能力配套工作面生产能力取决于采煤机落煤能力，而工作面输送机、液压支架和其它设备的生产能力都要大于采煤机的生产能力。根据前面的计算及设备的初步选型，各设备的生产能力如表6所示。

图1 薄煤层综采面“三机”配套关系图

表6 设备生产能力表/（t/h）

可以看出，按运煤方向，其生产能力基本上按“喇叭口”形式扩展，虽然胶带输送机的运输能力略小于刮板输送机的运输能力，但其大于采煤机的割煤能力，依据调研的薄煤层矿井的实际生产情况，基本上可以满足配套要求，能实现煤流的顺畅。

3.3 薄煤层综合机械化采煤工艺

1）1208综合机械化工作面采用走向长壁后退式开采方式，垮落法管理顶板，平均采高为1.2m，循环进尺长度为0.6m，工作面采用“三八”制作业组织方式，其中两班生产，一班检修。

2）采煤机采用斜切进刀方式，下行单向割煤，进刀位置为工作面中部顶板较好处，往返一次进一刀，斜切进刀段长度为20m，其牵引速度大于或等于6m/min，滞后采煤机中心12m左右开始移架支护顶板，在采煤机割煤速度较小时，支架的移架方式采用单架依次顺序移架，当移架滞后采煤机距离过大时，采用分组间隔交错式移架方式。

3）采煤工艺流程为：采煤机下行割煤到机头后，返空刀清理底煤，随采煤机上行，滞后采煤机15～20m及时将工作面溜子推向煤壁，溜子弯曲不得小于15m，溜子移直、垂直弯曲程度不得大于3°，每次移过0.6m。工作面割煤结束后，对工作面设备进行检查维修，为下循环做准备。

4 工程应用效果分析

4.1 开机率

对现场1208薄煤层综采工作面进行跟班调查，统计记录采煤机开机率影响因素及其时间，统计结果表明采煤机的平均开机率约为49%。分析统计数据知1208薄煤层综采面生产过程中可变因素是影响采煤机开机率的首选因素，其中胶带运输机及电气设备的故障影响的时间长达720min，占总事故时间29.5%，断层的故障影响时间达529min，占总事故时间21.6%，其他的故障影响时间达652min，占总事故时间26.7%。薄煤层综采面提高采煤机开机率，保证单产水平稳定提高的关键是要降低断层、胶带输送机、电器设备及其他故障等事故的影响时间；而工作面“三机”设备的低故障率则表明薄煤层综采面设备选型合理，“三机”配套良好，依据前面的采煤机选型设计，采煤机班平均开机率达49%，每天只需两班生产，即可满足30万t/a的设计生产能力，符合选型设计要求。

4.2 支架工作阻力

在工作面5＃支架、25＃支架、50＃支架、75＃支架、95＃支架布置测站进行矿压观测。矿压观测数据表明，工作面上、中、下三部分液压信息变化不大，1208工作面支架液压信息及冒顶片帮变化特征如图2所示。通过分析工作面支架立柱液压数据知，工作面支架平均初撑力1051kN，仅达到额定初撑力的48.1%，以后的开采过程中应切实提高支架实际初撑力。老顶初次来压步距36.8m，来压期间端面冒顶、片帮较严重中，支架平均载荷2230kN，动载系数1.52。周期来压步距为15.3m，来压期间支架平均载荷2050kN，动载系数1.39。矿压观测结果说明支架在工作过程中的液压信息经常在自身额定工作阻力以下，从支架测站平衡千斤顶的液压数据来看，千斤顶的液压数值在合理的范围之内，支架能够满足薄煤层工作面的支护需求。

图2 1208工作面支架液压信息及冒顶片帮变化特征

4.3 效益分析

老石旦矿1208薄煤层综合机械化采煤技术与普通机械化采煤工艺相比，提高了单产和人工效率，减少了人力资源使用。在产量方面由原来的15万～20万t提升至30万～40万t，比采用普采多出15万～20万t煤；在年产量相等的情况下人工使用量相应每年减少59823个，可减少人工费用300万元。综采与普采相比不用使用塑料网护顶、不使用竹笆护顶和挡岩，坑木的投入量也大幅度减小，减少了材料的投入，降低吨煤生产成本，据测算共节省材料费用为83万元。采用薄煤层综采后，工作面单产按照每吨煤平均利润160元计算，可多获得经济效益2400万～3200万元。

5 结论

老石旦矿薄煤层综采面配套设备选型满足工作面地质生产条件要求，为薄煤层综合机械化开采技术的成功应用奠定了基础，该项技术成功解决了老石旦煤矿12＃煤层与其下位中厚煤层开采间的衔接问题，有利于煤炭资源保护和利用，对延长老石旦煤矿开采寿命和实现高效开采具有重要意义。

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