神府矿区薄煤层经济高效绿色开采技术探索与应用

张金贵

(陕西省神木市能源局，陕西 神木 719300)

神府矿区是目前世界上探明储量丰富、煤层赋存条件优越、煤层开采条件简单、自然灾害因素少、煤炭质量优良的特大型矿区之一。因资源禀赋优越，本着短期效应、吃肥丢瘦的心态，薄煤层在该矿区成了名符其实的“鸡肋”，有些矿井甚至弃之不采，对资源造成极大浪费，垮落破坏后的煤体形成自然发火隐患。探索薄煤层经济高效绿色开采工艺技术，并在神府矿区推广应用刻不容缓，且意义深远。

按国家有关规定，厚度1.3m以下煤层即为薄煤层[1]，考虑神府矿区煤矿开采的实际，本文将0.8～1.5m厚可采煤层纳入薄煤层开采范畴。按保守估计，神府矿区处于该厚度范围内煤层储量应该超过2.0Gt，如果考虑0.8m以下的煤层部分可采，则储量远超过2.0Gt。研究其经济高效绿色开采工艺技术并付诸实施，具有极高的经济、安全、环保价值，而且对毗邻矿区及类似条件矿井也具有极好的借鉴和推广意义，更能在煤炭行业补齐薄煤层开采理论及工艺技术方面的短板。

1 神府矿区薄煤层开采技术现状

1.1 长壁炮采工作面

神府矿区老张沟煤矿，煤层厚度1.1～1.3m，近水平煤层(倾角0～4°)，采用长壁对拉炮采工作面开采采煤法，单体支柱配合铰接顶梁支护，全部垮落法处理顶板。对拉工作面[2]总长度240m，工作面巷道高度2.4m，刮板转载机配合胶带运输。工作面日推进2个循环，进尺2.0m。按密度1.3t/m3，采高1.2m，采出率97%计，日产量约730t；按每月25d工作日计，月产约18.2kt。工作面用人150人左右。

从该矿工作面现场情况看，工作面维护状态较好。煤层顶板主要为粉砂岩，偶为泥岩；底板以泥岩为主，部分为粉砂岩。煤层顶板随着工作面回柱放顶能及时冒落充填采空空间。

1.2 摇臂式采煤机长壁综采工作面

在神府矿区有多个矿井装备有此类薄煤层工作面。煤层厚度1.3～1.5m，近水平煤层(倾角0～4°)；煤层顶板主要为粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩，偶为泥岩；底板以泥岩、砂质泥岩为主，部分为粉砂岩。煤层坚固性系数f一般为2～4。

从各矿开采实践来看，存在采煤机配套功率大、工作面截割顶底板岩石较厚的情况。因煤质、采高、装备、顶底板坚硬等因素制约，工作面日进刀一般在6～7刀。按工作面面长170m，煤机截深800mm，采高1.4m，日进6.5刀，密度1.3t/m3，采出率95%计，日产量约1530t；按每月25d工作日计，月产约38.2kt。工作面用人70人左右。

1.3 固定滚筒式采煤机长壁综采工作面

神府矿区邻近米脂芦则沟煤矿，煤层厚度约1.0m左右，装备此类工作面回采薄煤层。固定滚筒式采煤机靠机身上的液压缸调整滚筒截割高度，即挖底和抬底，但调整幅度很小。因此其对煤层厚度、倾角变化适应性较差，经常出现采煤机截割顶底板的情况，岩性坚硬时影响截割速度，从而影响产量和煤质。

1.4 刨煤机长壁综采工作面

神府矿区瑞丰煤矿，煤层厚度1.5m左右，近水平煤层(倾角0～4°)；采用刨煤机开采，工作面长度250m；电液控液压支架支护顶板，全部垮落法处理顶板。该矿刨煤机工作面创造了连续8个月月产60.0kt以上工作效果，工作面月推进约130m。

但在实际生产过程中存在刨煤机[3]漂刀、断链，刮板、支架扎底等严重影响生产的情况。

2 薄煤层开采工艺技术方案分析

2.1 长壁炮采

优点：工艺技术成熟，条件适应性好；工作空间高度能充分利用到煤层厚度；煤质有保障，基本做到不破顶底板。

缺点：爆破落煤，火工品使用量大，管理成本高，管理难度大；炮采工艺属于淘汰工艺，与当前大力推进机械化开采政策相背；机械化程度低，工人劳动强度大；产量受工艺性质制约，较低的单产无法提升；采用单体支柱支护顶板，存在顶板控制方面的安全风险；工作面用人多，增加了矿井安全管理风险；单产低，人工工效低。

2.2 摇臂式采煤机长壁综采

优点：工艺技术成熟，条件适应性较好；机械化程度高，工人劳动强度低；高度的机械化水平创造了工作面单产提升空间；采用液压支架，有利于顶板控制。

缺点：支架顶梁占用空间高度，工作空间高度低，人员行走困难；采煤机选型困难，选用功率小、机身尺寸小的采煤机，对于硬煤及较坚硬的顶底板岩石，煤机截割困难甚至无法组织正常生产，煤机故障频出，选用较大功率采煤机，则因较大的机身尺寸，而需人为加大采高，造成截割顶底板岩石；截割顶底板岩石影响煤质，加大排矸量，降低选煤厂精煤回收率；回采矸石混入，增加成本与消耗，严重制约了企业经济效果；较大的矸石外排与堆放，污染环境，占用土地，易于形成自然发火隐患和引起滑坡泥石流灾害。

2.3 固定滚筒式采煤机长壁综采

优点：工艺技术相对成熟；工人劳动强度较低，机械化程度高；采用液压支架支护顶板有利于顶板控制；因功率小机身小，减少或避免了截割顶底板岩石。

缺点：支架顶梁占用空间高度，工作空间高度低，人员行走困难；因高度调整幅度小，对煤层厚度、倾角变化适应性较差；装机功率较小，遇坚硬顶底板及煤层变薄处则需进行预裂或软化处理[4]；因适应性较差产量也受到一定制约。

2.4 刨煤机长壁综采

优点：设备适应性较好；机械化程度高，工人劳动强度低；主要设备布置在工作面两巷，便于管理、检修和维护；刨煤机的无人跟踪操作为实现准无人工作面创造了有利的先决条件；采用液压支架支护顶板，有利于顶板控制；随着刨煤机装备制造技术提高，可靠性加强，工作面单产有一定的提升空间；刨煤机及时调整刨削高度，可以做到不刨削顶底板，工作面煤质有保证；最大限度减少排矸，经济性非常明显；块煤率高，也是提高经济性指标之一；工作面粉尘产生量小，工作环境好；工作面用人较少。

缺点：装备可靠性有待进一步加强，如断链等；刨刀对坚硬煤层适应性有待实践论证；工作面刮板机不具有通用性；支架顶梁占用空间高度，工作空间高度低，人员行走困难；对工作面上下巷施工要求较严格，不允许施工时同时破顶底板，即仅允许跟顶破底施工或跟底破顶施工；打造培养成熟的操作与管理人员队伍至关重要。

3 神府矿区薄煤层赋存特征

经过资料收集整理、现场踏勘及与相关人员沟通交流，综合分析认为神府矿区薄煤层赋存具有以下特征。

(1)神府矿区薄煤层分布较广，大多数矿井都赋存有可采或接近可采厚度的薄煤层。

(2)煤层硬度较大，坚固性系数一般为2～4；煤层层理、节理、裂隙均不发育。

(3)煤层倾角小，一般0～4°；厚度变异系数小，赋存稳定；煤层埋藏浅，开采条件简单。

(4)煤层顶板稳定，岩性以中、细、粉砂岩为主，少数为泥岩、砂质泥岩；巷道支护以锚杆支护为主，部分矿井配以网片、锚索支护，顶板来压不强烈；部分矿井工作面初采时有大面积悬顶现象，需进行强制放顶或进行软化预裂处理。

(5)煤层底板稳定，岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，大部分矿井有遇水泥化现象。

(6)大部分矿井水文地质条件相对简单，工作面涌水量较小。

(7)煤层瓦斯含量低；煤炭内生水分一般较高；煤层自然发火期[5]较短；煤尘具有爆炸危险性。

4 神府矿区薄煤层经济高效绿色开采工艺方案探索

4.1 主要制约因素

综上所述，本文认为主要制约因素有以下几方面。

(1)因装备、工艺技术及人员作业空间因素制约，已装备回采薄煤层工作面普遍存在煤机截割顶底板岩石厚度较大的现象。此为影响煤质及企业经济效益的主要因素之一。

(2)人的因素。因煤层较薄，导致开采作业空间低，人员通行困难，从而影响工作面产量和从业人员的工作积极性。因此，采用准无人工作面是神府矿区薄煤层经济高效开采的必由之路。

(3)装备因素。摇臂式滚筒采煤机，因受自身结构和技术因素制约，机身尺寸和功率都不能太小，这也决定了其不能高效适用于薄煤层开采。刨煤机将是首选替代装备。

(4)工作面上下巷工程。对于1.5m以下的煤层，按神府矿区部分矿井生产实际、装备要求及煤矿安全规程有关规定，两巷高度一般在2.5～2.8m，这样掘进破矸石量大多在1.0m以上，对掘进装备提出了更高要求，加大了施工难度，影响了施工速度，增加了矿井矸石排放。推行沿空留巷技术[6]将能减少巷道掘进工程，降低这方面的成本投入。

(5)观念因素。因神府矿区资源丰富，大采高[7]、超大采高工作面比比皆是，多个矿井单面年产超千万吨。对于年产十几万吨、二三十万吨的薄煤层工作面，其经济性、市场效应和社会影响力显然无法与上述“双高”工作面相比。因而一些煤矿企业考虑经济等方面的因素，宁可将薄煤层丢弃也不愿开采。

(6)政策扶持。要鼓励企业开采、配采薄煤层，在税收、采掘工作面配置数量、技术开发与支持甚至行业科技资金投入等方面给予政策扶持。

4.2 工艺技术方案构想

综合以上问题阐述，结合笔者工作实际，对神府矿区薄煤层经济高效绿色开采工艺技术方案提出以下构思与设想。

(1)实行准无人工作面开采[8]。工作面落煤、推溜、移架操作采取无人操作技术，实行智能集控与远控；人员工作位置主要在两巷，每隔一定时间，或工艺间隔，或遇工作面条件变化时安排人员进行间隔巡视，对工作面出现的问题及时进行处理。

(2)优选刨煤机作为工作面落煤设备。因其具有适应煤层厚度变化大，能完全实现无人跟机操作，厚度小于0.7m的煤层仍然可采等方面的优点。

(3)推广应用沿空留巷工艺技术，减少掘进工程量，实行“一面一巷”。

(4)采用刨煤机机载视频技术，部分代替人员对工作面进行巡视。

4.3 准无人综合机械化刨煤机采面微观问题及解决方案

(1)神府矿区薄煤层具有硬度较大，煤层层理、节理、裂隙均不发育的特征。适用于该类煤层刨煤机刨刀截深如何科学确定，以及刨刀使用材料和结构特点等，有待进一步实践、研究与实验测定，并不断改进提升。

(2)刨煤机开采工作面推进过程中容易漂刀。这是需要运用综合技术手段解决的问题。一是要保持支架工作高度的相对不变(人为调整除外)，这需要在刨煤机上设置机载支架高度传感器，可由刨煤机合适位置伸出一高度传感器固定架并设置障碍停机或自我保护功能(或安装在刨煤机斜支撑上)；或每隔一定数目支架，在支架上设置也可实现此功能，一旦工作面高度出现异常变化则报警提示。二是要保持刨煤机与煤层顶板位置相对不变(人为调整除外)，需要在刨煤机上设置机载位置传感器，一、二项功能可由一个传感器同步实现。三是保证刨煤机平行进刀(人为调整除外)机身位置传感器，保持刨煤机机身处于正确位置，该传感器可根据巷道起伏情况设定一定角度，角度位置异常偏离能及时报警提示。

以上传感器可与视频系统集成安装。

(3)工作面支架、刮板扎底问题[9]。第一是与工作面漂刀问题综合解决，利用机载传感器对支架底座、刮板位置及运动状态进行监控，发现异常能及时报警提示。加强工作面水患治理，防止因底板积水泥化导致工作面支架、刮板扎底，此项管理措施非常重要。

(4)刨煤机牵引链断链[10]及减速器机组故障等问题。设计合理的工作面长度；调研选购质量、性能可靠的设备、材料；加强设备设施的日常维护管理；提高操控人员的技术水平和责任心等，是解决此类问题的有效途径。

(5)无人自动化工作面支架拉移不到位、不整齐。拟对工作面支架进行分组整体移架自控操作，组与组之间设置位移传感器以保证其精准对齐，两端头附近支架采用“人工+自控”模式进行移架操作，并将其作为排头标准架。

5 神府矿区薄煤层经济高效绿色开采工艺技术展望

神府矿区，在大采高、超大采高、单产千万吨级综采工作面综合技术等方面走在行业前端，引领行业发展，这在“高与大”(大采高、大产量)方面做得好。笔者认为，随着自动控制技术的长足发展和可靠性的提升，环境保护与绿色开采客观需求与政府政策导向，神府矿区薄煤层开采将做好“薄与精”(薄煤层、精益化)的大文章。

(1)各类传感器及控制技术的研发、制造技术日臻成熟，对其进行逻辑与控制系统集成已非难事，使准无人工作面开采成为现实。

(2)移架、推溜工序无人自动化操作技术已有矿井进行了先行先试，而且取得了很大成功，具有一定的现场实践经验积累。

(3)刨煤机制造技术也日益成熟，有些矿井也取得了较好的使用效果，其推广使用具有一定的实践基础。

(4)煤体预裂软化技术研究、推广与应用，为刨煤机截割硬煤效率不高的问题提供了新的解决途径。

(5)新材料的研制、发明与应用，也会不断提高刨煤机的截割效率。

(6)研究开发经济高效适用的薄煤层沿空留巷综合集成技术。包括轻质、价廉巷旁充填体材料的研制，充填支护装备成套技术，充填工艺等。

(7)研究开发绿色高效的半煤岩巷道施工综合技术。包括快速掘进、综合防尘、煤矸分装分运、矸石回填装备及工艺成套技术等。

(8)建立适用于刨煤机落煤的理论支撑体系。包括测试、应用、推广煤岩截割阻抗系数[11]，使用该煤岩物理性能指标代替坚固性系数对煤岩可截割性进行评价；研究、试验、提升刨煤机成套装备研制、设计、加工制造技术。

6 结束语

神府矿区煤炭全面开发始于本世纪初叶十年，发展提升于第二个十年，第三个十年将是研究、推广、实施绿色开采、精益开采、高效准无人化开采的十年。薄煤层经济高效绿色准无人综合机械化开采将是其战略子课题之一。

综合机械化准无人刨煤机采煤工艺对薄煤层工作面进行高效绿色开采，是薄煤层开采走出当前困境的必由之路，但对该工艺开采理论、技术、装备等方面进行全面探索、研究、试验、改进、提升，仍然需要从业者坚持不懈地做很多工作，还有很长的路要走。