柠条塔煤矿较薄煤层刨煤机开采技术经济分析

刘俊峰

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

柠条塔矿井位于神木县孙家岔镇境内，是神府矿区南区总体规划确定的千万吨级特大型现代化矿井［1］。井田面积135.1km2。井田分两个水平开采，一水平开采1－2，2－2，3－1号煤。为了高效开采2－2厚煤层，必须首先开采上覆1－2较薄煤层。1－2较薄煤层厚度0.93～2.06m之间，平均厚度1.47m。为保证煤炭采出率，现有采煤机综采机组采高范围为1.5～2.1m，对于0.93～1.5m的煤层，采煤机开采需要大量截割矸石，严重影响开采效率和设备的正常使用［2］。为提高较薄煤层的开采效率，取得更好的技术经济效益，对厚度0.93～1.5m较薄煤层进行刨煤机开采技术经济分析。

1 1－2较薄煤层特点及其应对措施

采用刨煤机开采，对于柠条塔煤矿1－2较薄煤层主要有如下几个特点:一是煤层可刨性较差，煤层硬度系数2.5～3，煤层节理不发育;二是埋深较浅，矿山压力显现明显，液压支架需要较高的支护强度;三是煤层厚度变化较大，要求采高调节范围增加。

针对上述特点，刨煤机开采提出如下应对措施:一是增加刨煤机功率，根据可刨性测试，将刨煤机的牵引功率增加到2×1000kW，并采用变频电机，通过调节速度和刨深来保证工作面正常开采;二是增加液压支架工作阻力，将液压支架中心距调整为1.75m，以满足工作面支护强度的要求;三是合理安排刨煤机工作面的位置，尽量减小工作面采高的调节范围，同时设计刨煤机自动调高装置，提高刨煤机对开采高度的适应性［3－5］。

2 刨煤机开采方案

通过合理设计，确定刨煤机开采工作参数如表1所示。

表1 刨煤机开采工作面参数

刨煤机技术参数见表2。

浅埋深煤层由于基岩较薄和上覆沙土层载荷较大，容易出现“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构。同时，由于关键层和直接顶的自平衡作用，以及沙土层的传递时间效应，确定支护强度的适用公式为［6］:

表2 刨煤机技术参数

式中，l1为基本顶长度，18m;L为控顶距离，5m;Hk为基本顶岩层厚度，3.7m;Hz为直接顶岩层厚度，4.8m;ρ为基本顶岩层密度，kg/m3;ρ'为直接顶岩层密度，kg/m3。

计算得:F=0.8588(MPa)

要求支架支护强度大于0.8588MPa。由此选择液压支架型号为ZY10000/08/18型掩护式液压支架。

3 刨煤机开采生产能力计算

刨煤机工作面的产量主要是根据煤层厚度和煤层硬度来确定的，煤质较硬，则刨深需相应减小，以适应煤层硬度。而刨深的减小则直接影响到刨煤机产量。

3.1 刨煤机小时生产能力Qb

式中，H为工作面采高，平均1.5m;vb为刨煤机平均刨速，平均1.9m/s;h为刨煤机的刨深，平均0.04m;γ为煤的密度，取1.3t/m3;k为回收率。

3.2 刨煤机日生产能力Qd

式中，Qd为工作面日生产能力，t;H为刨煤机每天工作时间，16h;K为开机率，70%。

3.3 刨煤机年生产能力Qy

式中，D为年工作日，300d。

刨煤机能够实现年产1.8Mt的目标。

4 刨煤机开采经济分析

和采煤机相比，刨煤机开采的经济优势主要表现在3个方面:一是块煤率高，以柠条塔矿为例，采煤机开采的块煤率在30%左右，刨煤机开采的块煤率在55%左右，块煤率的增加可提高煤炭价格和利润;二是工作面人员减少，刨煤机开采工作面人员由采煤机综采队的122人减少为98人;三是刨煤机开采高度降低，割矸量减少。刨煤机与采煤机采煤收益比较见表3。具体量化指标分析如下:

(1)块煤率提升，额外增收8150万元/a。

依靠刨刀对煤壁形成的静压力将煤刨落，避免了采煤机滚筒落煤装煤造成的二次破碎，20mm以上的块煤占50%～60%。

表3 刨煤机与采煤机采煤收益对比

(2)因矸石减少而减少开采成本2239.58万元/a。

刨煤机可在煤层内开采，避免了因设备几何尺寸原因导致的采顶、底板带来的矸石，含矸率平均在3%左右，而采煤机含矸率平均在10%左右。

因矸石减少而减少开采成本=Qy· ((1－P1)－(1－P2))Q1=2239.58(万元/a)。

式中，Qy为年产量，200×104t;P1为刨煤机开采含矸率，%;P2为采煤机开采含矸率，%;Q1为原煤开采成本，159.97元/t。

(3)因矸石减少而节约运输成本42万元/a。

因矸石减少而节约的运输成本=Qy((1－P1)－(1－P2))Q2=42(万元/a)。

式中，Q2为矸石运输成本，3元/t。

(4)人工成本降低288万元/a。

工作面生产实行“三八”制的作业形式，即两班生产，一班检修，有效工作时间为8h。劳动组织形式为:每班至少有1名跟班副队长、班长负责组织安全生产，配有质量验收员、采煤机司机、支架工、电工、马蒂尔司机、刮板输送机司机、端头维护工、胶带工、技术员等，全队合计122人。刨煤机同等条件下仅需98人，节省24人，每年人员人均成本为12万元，合计降低人工成本288万元/a。

(5)因块煤率提高导致洗选煤成本升高500万元/a。

柠条塔矿规定所有块煤均需洗后销售，刨煤机成块率较综采成块率高25%，故因块煤率提高导致洗选煤成本升高。

块煤率提高导致洗选煤提高成本=Qy(Kb－Kc) (Q3－Q4)=500(万元/a)。

式中，Kb为刨煤块煤率，%;Kc为采煤机块煤率，%; Q3为块煤洗选成本，元/t;Q4为末煤洗选成本，元/t。

(6)维修换件成本增加约2000万元/a。

根据矿方给出的综采每年700万元左右维修换件成本换算，维修换件成本约占初始投资的5%，刨煤机刨头速度高，工作面推进步距小，液压支架操作频繁，设备磨损折旧严重。若刨煤机维修换件成本也按占初始投资的15%计算，则刨煤维修换件成本每年增加2000万元。

综上可知，较采煤机开采，刨煤机开采每年可增加收入8219.58万元。

5 刨煤机、采煤机开采比较

从经济性分析可知，对于柠条塔1－2煤层，刨煤机在1.6m煤层厚度以上经济效益基本没有增加，采煤机在1.5m煤层厚度以上经济效益继续增加;由于刨煤机没有年产达到2.0Mt的先例，而采煤机具备年产3.0Mt的能力，考虑刨煤机年产2.0Mt、采煤机年产3.0Mt比较实际，以1.5m煤层厚度为界，低于1.5m煤层厚度时，刨煤机经济效益突出，大于1.5m煤层厚度时，采煤机经济效益突出。如图1所示。

图1 不同煤层厚度刨煤机、采煤机开采利润比较

6 结论

从技术经济性分析可知，柠条塔 1－2煤层1.7m厚度以下工作面进行刨煤机开采，可实现年产1.8Mt的能力，且具备较好的经济效益。

［1］王 建.神府矿区薄煤层自动化开采工艺探析［J］.煤矿开采，2013，18(3):30－32.

［2］吴兴利，王国法，刘俊峰.大同坚硬煤层条件下自动化刨煤机系统研究与实践［A］.煤炭科学研究总院北京开采所.建所50周年论文集——地下开采现代技术理论与实践新进展［C］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［3］王金华.煤炭科技发展现状及前瞻 ［J］.煤炭企业管理，2004(1):31－34.

［4］郭玉辉，王 赟.浅谈薄煤层开采技术现状与发展趋势［J］.煤矿开采，2012，17(1):1－3.

［5］毛德兵，蓝 航，徐 刚.我国薄煤层综合机械化开采技术及其新进展［J］.煤矿开采，2011，16(3):11－14.

［6］鹿志发.浅埋深煤层顶板力学结构与支架适应性研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2007.