坚硬薄煤层智能化开采成套关键技术及装备研究

王彪谋，侯 刚，张金虎，南海云

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西 神木 719300)

薄煤层工作面绿色、安全、高效开采一直是世界难题，我国薄煤层储量丰富，但储采比严重失衡。薄煤层开采安全作业空间狭小，作业人员爬行困难，开采装备能力小，自动化水平低，不能满足安全高效开采需要，目前在产量要求不高的中硬以下薄煤层逐步实现了机械化开采。坚硬薄煤层开采技术难度更高，刨煤机薄煤层开采要求煤层赋存条件简单，起伏小、夹矸少、硬度不大，因应用条件局限性大，目前很少采用。

陕北侏罗纪煤田属典型坚硬薄煤层，煤体坚固性系数一般大于3。陕煤集团神南公司和陕能汇森公司凉水井煤矿联合天地科技开采设计事业部对薄煤层智能化开采技术与装备进行研发。调研分析认为，基于滚筒式采煤机的薄煤层综采适应能力强、稳定性和可靠性高，因此，研发适应坚硬薄煤层的智能化开采技术与装备，提高薄煤层工作面截割能力、推进速度和生产能力，对实现薄煤层安全高效智能化开采是非常必要的。

1 陕北侏罗纪薄煤层赋存条件

陕北侏罗纪煤田凉水井煤矿4-3煤层埋深126～188m，煤层厚度0.8～1.5m；4-3煤顶板以细粒砂岩为主，局部为中粒砂岩和粉砂岩；煤层底板岩性以粉砂岩为主，局部为细粒砂岩或泥岩。陕北张家峁煤矿4-3煤，平均厚度1.28m，煤层赋存条件与凉水井煤矿相似。

2 薄煤层开采关键技术研究

2.1 薄煤层综机装备选型配套原则分析

薄煤层开采工作面受限于开采空间狭小限制大功率强截割能力装备的布置，通过剖析薄煤层综机装备配套现状及难题，确定适应薄煤层的综机装备选型配套原则，有针对性的进行关键技术及装备的创新。

目前，国内外薄煤层综采装备不能满足陕北侏罗纪煤田坚硬薄煤层的开采要求，主要原因是：

(1)薄煤层采煤机、刮板输送机及液压支架整体技术发展缓慢，能力小，自动化程度低，操作人员劳动强度大，安全性差。

(2)薄煤层采煤机装机功率小，可靠性低，不适应坚硬薄煤层开采。

(3)刮板输送机功率小，链条强度低，运输距离短。

(4)液压支架和端头支架、巷道超前支架配套衔接不完善，监控系统元器件体积大，安装位置不合理。

(5)工作面监测监控各系统智能化程度低，不能满足薄煤层智能化开采要求。

薄煤层工作面装备布置及工作环境见图1。

图1 薄煤层工作面装备布置及工作环境

根据薄煤层赋存特点及现有装备存在的问题，确定设备配套原则：

(1)增大采煤机装机功率达到1000kW以上以适应f≥3的坚硬薄煤层开采。

(2)在满足过机和过煤空间基础上，降低采煤机机面高度，优化支架顶梁结构，满足最小采高1.1m，过机空间不小于200mm，过煤空间不小于250mm，生产能力达到1.0Mt以上。

(3)降低刮板输送机槽帮高度，实现刮板输送机大功率、矮槽帮、长运距、装煤效果好。

(4)液压支架适应范围大，工作阻力高，结构件箱型厚度尺寸小，顶梁下面空间满足安全作业标准要求。

(5)对工作面综采设备、监测监控仪器的主要参数和性能进行优化配套设计，对不同设备之间的通信协议、接口、系统兼容、控制层级等进行统一协调配套，实现工作面有人巡视无人操作智能化开采。

2.2 工作面主要参数优化确定

机采高度 影响机采高度确定的主要因素是煤层赋存条件和配套设备能力的最优化发挥。根据对煤层赋存钻孔资料统计分析，煤层厚度0.8～1.5m，其中1.1～1.4m煤厚约占80%，综合考虑坚硬煤层所需采煤机大功率、矮机身、截割滚筒直径及传动星形轮的结构布置和装煤效果，确定截割高度为1.1～1.4m是最优的，局部0.8～1.0m厚度的煤层通过卧底或挑顶开采。

工作面倾斜长度 适当增加工作面长度，是提高工作面产量的重要途径，同时可以减少巷道掘进率，缓解采掘接续矛盾。但工作面太长会造成设备故障率高，管理维护困难。目前割煤高度约1.3m的薄煤层工作面长度一般为120～240m，割煤高度在1.5～2.0m左右的工作面长度达到240～300m以上，神东榆家梁和哈拉沟煤矿较薄煤层割煤高度约2m，工作面长度分别达到400m和450m。针对陕北侏罗纪坚硬薄煤层开采条件，调研分析国内外矿井不同工作面长度的开采情况，通过优化设计和核算刮板输送机高强度圆环链的强度，在割煤高度1.1～1.4m时设备可满足工作面长度300～350m。

3 薄煤层设备选型配套关键技术

3.1 薄煤层采煤机关键技术

采煤机结构有正常布置和爬底板全悬布置两种整机布置方式，通过调研分析其结构优缺点，本项目所研制的MG450/1050-WD型大功率薄煤层电牵引采煤机整机采用半悬式机身+悬截割电机式摇臂的新型整机布置结构，可有效解决机面高度、过煤空间和装机功率三者之间的矛盾，同时保证整机重心不过于偏向煤壁侧，提高采煤机的运行稳定性。

MG450/1050-WD采煤机主要参数和特点为：

(1)滚筒截割功率为2×450kW，装机总功率1050kW，与刮板机配套后机身高度不大于730mm，过煤高度约270mm。

(2)对采煤机滚筒安装结构型式、挡煤板结构及机身结构进行优化设计，装煤效果好。

(3)首次应用惯性导航技术，实现工作面设备自动找直。

(4)以采煤机记忆截割等先进技术为基础，在自动截割过程中自动调高、卧底、加速、减速，满足智能化开采要求。

3.2 大功率、矮槽帮、智能化刮板机运输系统

研制适用于薄煤层智能化开采的新型刮板运输机，功率3×400kW，设计运距350m，中部槽帮高225mm，配置φ34mm高强度扁平链条，实现了大功率、长运距、低矮型，满足薄煤层配套要求；设计链条张紧自动伸缩机尾；研制新型可自动调高转载机，配套满足如图2所示的薄煤层工作面沿顶破底大深度巷道的输送机机头与转载机技术；采用软启动驱动系统和智能监测、智能协调控制技术，实现测量刮板输送机各阶段、各部位的煤流量，进而根据煤机上行、下行采用不同的割煤速度保证煤机和刮板机的协调运行；基于产量需求、输送机设备负荷、工作面环境等信息，开发运输机智能决策调速、采煤机采高自动控制等功能，实现工作面煤流与负荷之间协调控制。保证最大限度发挥煤机效率，实现工作面最大生产效率。

图2 工作面端头设备搭接

3.3 液压支架架型和主要技术参数确定

支架中心距 薄煤层支架中心距一般有1.5m和1.75m 2种。在满足支架下井宽度、重量、最低高度的前提下，选用1.75m中心距，可提高支架稳定性，并提高支架的移架跟机速度，减少液压元件数量，提高设备可靠性。

支架高度 根据煤层赋存条件、采高和大缸径立柱伸缩比、支架顶梁、底座及柱窝结构等综合考虑，设计支架最小高度0.9m，最大高度1.6m。

支护强度 液压支架工作阻力的确定采用经验公式估算法、数值模拟法和经验类比法综合确定。图3为支架支护强度与顶板下沉量关系曲线，可以看出支护强度达到0.8MPa时，顶板下沉量出现拐点。由此可以确定支架支护强度应不小于0.8MPa。

图3 不同支护强度顶板下沉量数值分析

支架额定工作阻力F可按下式进行计算：

式中，P为支护强度；L为控顶距；B为支架中心距；η为支护效率。

将上述各参数代入计算，得：

通过综合计算分析比较，建议支架的额定工作阻力为9000kN。

综上计算分析，液压支架型号为ZY9000/09/16D型两柱掩护式液压支架。

3.4 智能联动集控与网络通信系统关键技术

煤矿工作面智能化开采，可减轻操作工人的劳动强度，改善和提高工作面总体质量管理。以支架测高装置、LASC信号接收装置、无线通信装置、人员感知装置、电液及智能化系统等设备装置精小化研发为前提，以基于自动找直、记忆截割、高可靠性远程控制采煤机系统；基于智能负荷控制的刮板运输系统；基于高可靠性的电液控制系统；基于千兆无线通信网络系统；基于高可靠性智能集中控制系统；基于多数据融合联动技术的故障诊断及系统维护功能为基础；以工作面人员识别系统、顶板压力检测系统、设备故障诊断系统，安全监测监控系统，光纤测温系统和工作面视频系统为保障；以工业总线网络为通道，应用各系统数据，对工作面各系统生产逻辑关系进行技术协调，实现智能工作面与工作面动力中心、矿井人员定位系统 、安全监测监控系统、矿井煤流运输系统、通信调度电话系统、巷道和全矿井矿压观测系统、光纤测温系统、巷道和全矿井降尘系统、设备故障诊断系统的联动运行与智能控制。以高端集控设备为平台，井下集控和地面远程控制中心,建设主动感知、自动分析、智能处理的安全、高效、绿色开采的智能综采工作面。

4 结束语

近年来，煤炭价格合理稳定，经过技术经济分析认为，研制1.1～1.4m坚硬薄煤层开采技术与装备，少采矸石保证煤质，开采陕北侏罗纪薄煤层可取得良好的经济效益。薄煤层开采装备首先要保证配套设备参数合理，通过合理提高装备能力提高设备适应性和可靠性，要采用先进的信息化、智能化监测监控技术和故障诊断预报技术，从而实现工作面有人巡视无人操作常态化运行，是薄煤层开采的发展方向，也是实现现代化矿井的必由之路。