1. 引言
薄及薄煤层机械化开采存在着工作条件差,煤层厚度、倾角变化大,褶皱、断层等地质构造,空间受限,设备移动困难,对薄煤层设备生产性能影响大,以及投入产出比低,薄煤层机械化开采的经济效益不如中厚煤层等特殊问题,造成薄及极薄煤层机械化开采技术发展速度相对缓慢。在劳动力成本日益增高,企业招工难的大背景下,很多矿区薄煤层资源没有开采利用,开采薄及极煤层的企业经济效益差,如何改变薄煤层矿区生产工艺,改善员工作业条件、提高企业经济效益,往机械化、信息化、智能化发展的道路势在必行,本文介绍达竹矿区薄及极薄煤层机械化开采的艰难历程和成功心得,以期为同行提出一些经过实践检验的可行方案供参考。
2. 国内外薄煤层机械化发展概况
目前国内外薄及极煤层机械化开采主要有三大类技术,刨煤机、螺旋钻机和采煤机采煤法。刨煤机分为拖钩刨、拖钩滑行刨、滑行刨等,现在国外主要采煤国如德国、法国、俄罗斯、波兰、澳大利亚等大量使用滑行刨采煤,国内也有一些矿区在使用,如铁煤集团运用得也比较成功 [1] [2] [3]。螺旋钻机为前苏联研制产品,后在乌克兰运用得比较成功,现俄罗斯、中国、美国等都有使用。刨煤机出厂适应倾角一般小于25˚,硬度不能大于25 Mp、倾角变化要小;螺旋钻机也要求小于25˚,走向倾角小于8˚,对煤层赋存条件要求苛刻,这样它的适用范围就太窄了。采煤机采煤法在中厚及厚煤层中运用十分广泛,但薄及极薄煤层是在上世纪九十年代才开始出现,为了降低机面高度,永荣煤机厂生产了MG100-TP型爬底板采煤机,后辽源煤机厂等生产出了电牵引的爬底板采煤机 [4]。近十多年来,各采煤机生产企业在增大设备功率、降低机面高度、提高防滑、防坠能力等方面进行了反复改进升级,适应范围大幅度提高,今后采煤机开采薄及极薄煤层会逐步占据主流地位 [5] [6] [7]。
3. 达竹公司薄或极薄煤层机械化开采的发展历程
3.1. 达竹矿区基本情况
达竹矿区位于川东平行岭谷区,区内沟谷纵横,地质构造复杂,煤层赋存条件差,倾角变化大,缓倾斜、大倾角、急倾斜交错分布。厚度1 m以下的薄和极薄煤层分布广,一直是各矿的主采煤层。矿区0.8 m及以下的煤层储量占60%左右,0.8~1.3 m的煤层储量占20%左右。2005年以前,煤炭开采主要以炮采为主,机械化程度低、安全系数低、工作效率低、煤炭资源浪费严重,同时还存在用人多、安全事故时有发生的问题。2005年以后,逐步探索机械化开采,在中厚煤层、薄煤层、极薄煤层全面进行机械化升级改造,到2019年已基本告别炮采工艺,实现了80%以上综采,20%左右普采的局面,产量得到大幅提升,安全状况得到根本好转。
3.2. 达竹矿区普采试验
2005年开始,先后试验过液压牵引的爬底板采煤机、刨煤机、螺旋钻式采煤机,较炮采有一定优势,但由于这些设备对煤层变化适应性差、顶板管理难度依然很大,效率也不高,爬底板采煤机用得相对好一些。
1) 刨煤机
刨煤机是一种井下采煤工作面集落煤、装煤、运煤为一体的采煤机械。它能适应0.6~2 m的采高范围的近水平或缓倾斜煤层,条件好的可以配自动化综采工作面,也可配普采工作面;2005年到2007年曾在薄煤层用于普采工作面,在使用中存在一些问题:刨采面上下要人工开进刀缺口达7 m以上,机头(尾)传动装置占位较宽,无法直接用支柱护顶的最大宽度达2.5 m,对于采高低于0.8 m的极薄煤层,上下缺口需挑顶,工作量较大,加之设备频繁移动,在没有综采支架、整体自动推溜技术配套的前提下,护顶难度大,准备工作量大,单产很难提高。在工作面有夹矸时,刨刀容易损坏,维修工作量大,效果均不理想。
2) ML-280螺旋钻采煤机
2011年达竹柏林矿在08210 (K18)工作面(煤层煤厚平均为0.4 m)进行过工业试验,试用了ML-280螺旋钻采煤机,其主要参数:钻头数量3个,防爆钻头直径425 mm,钻杆直径350 mm,钻杆转速60 r/min,钻杆推进速度:前进0~1.0 m/min,后退0~1.7 m/min,机组总功率280 KW。
虽然螺旋钻机全部完成工作面内的破煤、装煤、运煤等各个工序,工作面的设备检修也都在工作面以外的巷道中进行。该采煤方法具有工作面内无人员、无其它设备、安全保障系数高、系统环节少、用人少、设备配置少、材料消耗少等优点。但存在设备初期投资大,巷道施工断面大(12 m2以上),资源回收率较低(约60%左右),更换钻杆工作量大,效率低,瓦斯管理难度大等缺点。煤层倾角越大设备占用的空间越大,一般倾角不大于25˚,工作面倾斜长度一般不大于60米,工作面单产水平较低,效果不佳,不能作为矿井主采工作面,因此螺旋钻采煤试验也不成功。
3) MG100-TP爬底板式单滚筒采煤机
从20世纪80年代起,永荣矿务局便开始针对自身煤层的赋存条件,将采煤机在截装部、电动部、牵引部三个方面重新设计,研制出新一代爬底板滚筒式采煤机组,更好地适应煤层薄特点,在0.53 m至0.8 m的极薄煤层中进行机采,经过几代改型,定型为MG100-TP。
MG100-TP爬底板采煤机是专为极薄煤层机械化而生产的单滚筒采煤机,它主要由牵引部、电动部、截装部以及导向、外部防尘、底托板等附件组成。采用侧面固定单滚筒,锚链牵引,沿煤层倾斜爬底板穿梭割煤,其最大特点是煤沿螺旋滚筒输入装煤部,装煤部转入工作面刮板运输机。该机可以适用于倾角小于25˚,煤厚0.53~0.8 m的极薄煤层开采。从2006年开始引进,作为0.8 m以下采高工作面普采的重要机型,最高月产量达1.9万吨(采高0.75 m),在采高0.55 m左右的工作面也有月产破万吨的纪录。
MG100-TP爬底板采煤机设计时间较早,该机结构为非对称布置,左右工作面各为一种机型,不能互换;整机为单电机驱动、液压牵引,由于传动效率低,装机功率小,对煤层倾角大、变化大的条件适应性差;滚筒装煤效果差,割煤后浮煤较多,需人工辅助装煤。还有断链的安全风险也比较大。
4) MG110/130-TPD型爬底板电牵引采煤机
针对MG100-TP采煤机存在的上述问题,与辽源煤机制造有限公司合作研制了MG110/130-TPD型爬底板电牵引采煤机,该机具有近距离遥控操作、多电机横向布置、摇臂有级调高、结构上下对称布置、装煤效果好等特点,很好地解决了MG100-TP采煤机存在的不足,2009年在小河嘴煤矿试验成功后,成为达竹薄煤层开采的主要机型,中山、白腊坪、金刚、斌郎等矿普遍推广使用,目前,云南、贵州、黑龙江等省均有使用。
在使用MG110/130-TPD采煤机的过程中又发现,倾角超过25˚时,遇到夹矸等地质复杂情况,显得牵引力(150 KN)、截割能力(110 KW)不足,装煤部小溜子螺旋伞齿轮故障率高。对MG110/130-TPD型采煤机再次升级为MG200/245-TPD,并与QJ-18.5型矿用变频调速同步绞车配套,适应倾角可达40˚,截割功率200 KW,牵引力220 KN、装煤部小溜子单独电机驱动,取消了螺旋伞齿。使该机型适应能力增强,可靠性又有较大的提高。
3.3. 薄和极薄煤层综合机械化试验
在薄及极煤层普采设备不断升级的同时,达竹公司开始试用薄煤层双滚筒采煤机,并采用综合机械化的开采方式。从2008年开始与多家厂商和科研院校进行合作,按照“一面一策”的思路,开发了适应不同采高和倾角等地质条件下的薄及极薄煤层的“三机”配套装备。
1) 倾角小于30˚综采试验
达竹公司遵循由易到难的原则,先在煤层倾角小于30˚的工作面试验综采,由于有普采的相关经验,采煤机适应能力是满足需求的,主要攻关方向就是降低高度,开发适宜的综采支架、采煤机、运输机“三机配套”。与上海天地、嘉华煤机、山东矿机、辽源煤机等厂家合作研发,2012年前开发的有ZQY2600/07/18型、ZQY2600/07/16D型、ZY2400/6.5/13型掩护式液压支架;MG100/238-WD型、MG110/265-BWD型、MG100/240-BWD采煤机;SGZ630/220型和SGB520/2×55型刮板输送机,形成了第一批次薄煤层综合机械化装备,实现了倾角小于30˚、采高0.9~1.5 m的工作面综采。应用于金刚、白腊坪、铁山南、小河嘴煤矿。
在0.9 m采高以上实现综采以后,目标确定在0.8 m及以下,与辽源煤机合作成功开发MG110/130-TPD型爬底板电牵引采煤机后,2009年与山东科大、山东矿机联合开发极薄煤层综合机械化开采技术和装备,成功研制ZY2400/5.5/12型掩护式液压支架和SGB520/2 × 55型刮板输送机,与MG110/130-TPD型爬底板电牵引采煤机完成三机配套,装备第一个极薄煤层综采工作面,在斌郎矿N2211工作面进行工业试验,并取得成功,实现采高0.75 m的工作面真正意义上的极薄煤层综采。
2) 大倾角综采试验
达竹第一个极薄煤层综合机械化工作面取得成功后,坚定了在极薄和薄煤层发展综合机械化的信心,开始攻克大倾角工作面综采难关。大倾角工作面相较于倾角小的难度在于如何解决支架防倒、防滑、运输机防坠;采煤机动力不足;润滑不到位;工作面防飞矸等问题。2010年与辽源煤机、山东矿机继续合作,开发适应倾角小于45˚,采高0.75~1.3 m的“大倾角极薄和薄煤层综合机械化高效成套装备”。2012年完成了“三机”工业试验样机,MG150/350-PWD型悬机身爬底板无链牵引双滚筒采煤机,ZYQ3200/6.5/15D型大倾角支架,SGZ630/132型刮板输送机,三机配套机面高度为523 mm,并在小河嘴煤矿4026和4028两个大倾角工作面进行工业试验,通过工业试验效果、效率不理想,主要存在MG150/350-PWD型爬底板采煤机因开路滚筒首先截割靠底板煤层,装煤通道不畅,装煤效果差,截割电机因堵转故障高,截割底板平整度控制难,跑底严重,导向滑靴、牵引部故障频繁,ZYQ3200/6.5/15D型大倾角支架超过40度时,防滑、调架、调推、抬底装置能力不能满足要求,SGZ630/132型刮板输送机挡矸装置不完备等。这套装备使用效果虽然不理想,但在这个过程中积累了相当丰富的经验。
3) 急倾斜综采试验
2017年达竹公司提出取消炮采工作面,严格控制高档普采要求,与生产厂家对采煤机、刮板输送机、支架进一步升级改造,采煤机牵引部行走轮增大齿轮模数,与之配套的销排节距由126增加到151,以适应45度以上倾角牵引强度要求。对采煤机摇臂齿轮箱润滑由飞溅式润滑改为强制润滑。对支架防滑、调架、调推、抬底装置油缸缸径增大机械强度,增加可调节的架前挡、架间挡装置等。
改进后对三机进行重新配套,一套由SGZ730/160型刮板输送机,ZYQ3200/08/17D改型大倾角支架、MG200/456-BWD型采煤机配套,机面高865 mm,适应倾角不大于45˚,采高0.85~1.5 m综合机械化装备,成功在斌郎矿3012和3014大倾角工作面使用,煤厚0.8 m,倾角35~50˚,采高控制在1.3 m以内。
一套由SGZ630/132改型刮板输送机,ZYQ3200/07/15型大倾角支架、MG2X100/446-WD型采煤机配套,机面高666 mm,适应倾角不大于45˚,采高0.85~1.8 m综合机械化装备,投入铁山南矿-2122工作面,小河嘴-1214工作面,工作面局部超过45˚,采高控制在1.2 m以内。
一套由SGZ730/160改型刮板输送机,ZYQ3200/09/17改型大倾角支架、MG2X160/710-WD3型采煤机配套,机面高760 mm,适应最大倾角55˚,采高0.9~1.35 m综合机械化装备,投入铁山南矿-1123(21)工作面(倾角40˚~55˚),和斌郎-4016工作面(倾角38˚~56˚),采高控制在1.3 m以内。
以上几套装备运用得比较成功,月推进80~100 m,产量稳定在3万吨以上。自此,达竹公司成功摸索出了一条薄及极薄煤层高效开采的道路,见表1,图1所示。
Table 1. Several typical supporting schemes of Dazhu Company
表1. 达竹公司成功的几套典型配套方案
Figure 1. Site map of fully mechanized mining face
图1. 综采工作面现场图
4. 达竹公司采煤工艺的初步定型
达竹公司经历了试用刨煤机、螺旋钻采煤机、爬底板单滚筒采煤机、爬底板电牵引采煤机、双滚筒采煤机到小倾角综采、追求极致的下限高度再到适度放宽采高,不断向更大倾角迈进,经历了薄及极薄煤层机械化探索的全部过程,见证了煤机行业为薄煤层机械化生产所做的不断改进。到目前为止,开采理念也得到了深刻转变,基本形成了独具特色的薄及极薄煤层开采理念,拥有了较为成熟的配套方案。总之就是薄及极薄煤层实行综合机械化开采是可行的,开采高度不能局限得太低,采煤机功率要大。
4.1. 综合机械化开采
经过多年的探索和实践,采煤机机面高度降低、功率增大,割矸石、爬坡能力的增强,支架防倒、溜子防坠方面的技术不断地改进后,薄煤层缓倾斜、大倾角乃至急倾斜工作面综采都变得现实了,目前达竹公司在煤厚大于0.6 m的薄煤层工作面都采用综采方式,经比较,采高1.5 m以下,倾角45˚以下的采用MG200/460-BWD、MG200/446-BWD采煤机(或同类机型),倾角45˚以上的选用MG2X160/710-WD3型(或同类机型)采煤机较为适宜。这些机型都充分考虑了薄煤层的需求,机面高度低,过煤高度足够,截割矸石能力较强。嘉华煤机、山东矿机等在急倾斜工作面三机配套方面具有丰富的经验。
4.2. 普采
普采主要是指采煤工作面用机械设备落煤、工作面刮板输送机运输、单体液压支柱支护的一种采煤方法。它相对于炮采工艺产量和工效都有较大提高,工艺简化、工人劳动强度较低。但支护工艺相对落后,对复杂顶板和软底工作面适应性较差,劳动强度偏大。目前,主要用于极薄煤层近水平或缓斜工作面的开采,由于极薄煤层综合机械化开采尚处于攻关阶段,爬底式普采是一个提高产量、降低工人劳动强度的有效途径。达竹公司煤层低于0.6 m,顶底板中等稳定的工作面都采用普采,缓斜工作面一般采用MG110/130-TPD型极薄煤层电牵引爬底板采煤机(或同类机型),倾角大的可选择MG200/245-TPD型(或同类机型)配同步绞车。
5. 薄及极薄煤层机械化的展望
尽管达竹公司解决了55˚以下薄及极薄煤层综合机械化开采的难题,今后我们还会遇到倾角更大,构造更加复杂的开采条件,目前已经在和相关厂家和科研单位展开合作,在支架电液控技术、采煤机记忆截割、作业环境监控、自动推溜、移架等方面进行攻关,有望逐步走向自动化、智能化开采的道路。目前国内已有一些智能化工作面在运行,80˚以上急倾斜工作面综采也在进行工业化试验,这些新技术的运用让煤炭行业看到了新的曙光,也许在不久的将来就不再有“难采的煤层”。
6. 结语
薄及极薄煤层机械化开采技术还存在一些问题,采煤机机械强度富余系数不大,截割岩石能力差,故障率高,检修困难,支架机械强度和工作阻力增加有限,检修空间狭小,导致管阀损坏后更换困难等。为了满足综采最低采高,极薄煤层只有截割顶底板,爬底板采煤机还没有解决好“三角煤”割不透、装煤效果不理想、适应地质变化能力差等问题。根据达竹公司多年的探索和实践,在薄及极薄煤层开采方面的经验就是:能普采绝不炮采,能综采绝不普采。顶底板不是十分坚硬的可适当增大采高进行综采;顶底板坚硬无法增大采高的,尽可能选择普采;急倾斜极薄煤层可考虑循环绳刨煤机之类的也不失为一种选择。工作面自动化、无人化才是急倾斜极薄煤层开采工艺的发展方向。
基金项目
重庆市教委科学技术研究项目(KJ1732432)。