大倾角薄煤层机械化开采技术与实践

1、大倾角薄煤层机械化开采技术与实践达竹煤电集团 冯春一、引言按照煤炭工业技术政策规定：厚度在0.81.3m的煤炭称为薄煤层，0.8m以下的煤层称为极薄煤层； 按通常说法和设计惯例倾角在0°- 25°的煤层为近水平煤层，25°- 45°的煤层为大倾角煤层，45°以上的为急倾斜煤层。我国薄煤层资源丰富，分布广泛，1.3m以下煤层可采储量约占20，根据原煤炭部“九·五”末统计的数据，全国薄煤层和极薄煤层可采储量分别占全部可采储量的16.9和2.8。在一些省、区薄煤层储量比重很大，如四川省占60%，山东省54% ,黑龙江省占51%，贵州省占37

2、%。特别是在南方地区，有些省份薄煤层净占50%以上，而且薄煤层分布广，煤质好。但由于其开采煤层厚度薄，与中厚和厚煤层相比，薄煤层机械化开采存在着工作条件差，设备移动困难，煤层厚度变化、断层等地质构造，对薄煤层设备生产性能影响大，以及投入产出比高、经济效益不如厚与中厚煤层等特殊问题，造成薄煤层机械化开采技术发展速度相对缓慢。 从达竹矿区的情况看，目前1m左右的薄和极薄煤层由于其分布广，煤质好，一直是各矿的主采煤层。据统计矿区0.8m及以下的煤层储量占60左右，0.8m1.3m的煤层储量占20左右。长期以来我国煤炭企业为提高薄煤层采出率，减少资源浪费，在探索薄煤层机械化开采方面开展了大量研究和实践

3、，取得了一些成绩；特别是近年来随着煤机制造技术的快速发展、先进的煤机设计理念和关键技术的开发，适应这些煤层的机械化装备可靠性和安全性大大提高，薄煤层机械化甚至综合机械化开采技术得到迅速发展，工作面单产和工效有了大幅度提高，安全得到质的保障。下面我分几个方面介绍我们的一些做法，供大家学习和研讨，也希望各位同行多提宝贵意见，以利共同进步。二、薄煤层和极薄煤层机械化开采的主要方法 薄煤层机械化开采工艺按采煤方法大致分为综合机械化开采、高档普采和其他开采方法（如炮采机装）三类；按煤层倾角可分为近水平（0°- 25°）、大倾角（25°- 45°）和急倾斜（大于45

4、°）三类。主要采煤装备为：落煤装备（如滚筒式采煤机、刨煤机等）、支护装备（如单体液压支柱、综采支架等）、工作面运输机（如刮板输送机），通常称“三机”，也有集落煤和工作面输送为一体的螺旋钻机、刨运机等。下面我结合自己的工作经历和对本行业的了解逐一介绍。 1.主要采煤装备 1.1落煤装备落煤装备是实现机械化开采的主要装备，其种类比较多，常见的有滚筒式采煤机、刨煤机，还有较早使用过的截煤机（俗称掏槽机），也有近年来出现的螺旋钻机、刨运机等。截煤机因其任然采用放炮或人工落煤，属半机械化采煤，这里就不作介绍，下面简单介绍几种主要落煤装备： 1.1.1螺旋钻机无人工作面的开采：回采工作面上无人，

5、而是由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、无设备、安全保障系数高、系统环节少、用人少、掘进率少、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（12m2以上），资源回收率较低(约60左右)等缺点。且煤层倾角越大设备占用的空间越大，一般倾角不大于25°。虽然其工效较高，但工作面单产水平较低（以国内最早使用的新汶矿务局为例，最高月产量仅5000吨左右），不能作为矿井主采工作面，目前主要用于回收边角煤。 1.1.2刨煤机：刨煤机是一种井下采煤工作面集落煤、装煤、运煤自动化为一体

6、的采煤机械。其原理是有落煤功能的刨头以安设在刮板运输机前沿的滑架作导轨，滑架内安设有上、下两层矿用圆环链，下链与刨头两端相连，并顺滑架延伸至机头、机尾，在绕过机头、机尾传动装置的链轮后与上链相连，形成无极链传动系统。机头、机尾各安设一台同步运行的电动机，电机运转时，圆环链牵引刨头在滑架上滑动。刨头滑行时其上的刨刀截割煤壁，刨落下的煤在刨头犁形斜面的作用下装入刮板运输机部分，并由该输送机运出工作面。它能适应0.62m的采高范围的近水平煤层，可以配自动化综采工作面，也可配高档普采工作面；刨煤机综采自动化成套设备国内已经装备多套（主要为进口的德国DBT系列），主要在北方煤层敷存条件稳定的薄煤层工作面

7、，铁法矿务局小青矿装备在1.3m左右的工作面月单产都在10万吨以上。但它要求煤层敷存条件高度稳定，不能有起伏和地质构造，南方的矿井很难有此条件；同时用于高档普采时，刨采面上下缺口达7m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2.5m，对于采高低于0.8m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，护顶难度加大，准备工作量比较大，单产很难提高。达竹小河嘴矿、柏林矿都曾有过失败的教训。1.1.3滚筒式采煤机薄煤层滚筒式采煤机是目前应用最广泛的机械化采煤装备，可分为薄煤层双滚筒采煤机和爬底板式单滚筒采煤机两种，前者为薄煤层机型，后者为极薄煤层机型。1.1.3.1

8、爬底板式采煤机：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，更好地适应了该局煤层薄特点，在0.53m至0.8m的极薄煤层中进行机采，经过几代改型，现已定型为MG100-TP。 MG100-TP爬底板采煤机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不大于30°，煤厚0.53m0.8m的

9、极薄煤层开采。达竹集团从2006年引进该型采煤机用于极薄煤层高档普采工作面，目前共装备8个工作面，最高月产量达1.5万吨（采高0.75m），在采高0.53m的工作面也有月破万吨的纪录。 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、老式液压系统牵引，由于传动效率低，装机功率小，对大倾角煤层不具有很强的适应性，尤其是在采面出现地质构造（如小断层、冲刷带）时，还需放震动炮，影响产量和工效。同时，由于其操作按键在煤壁侧，割煤司机存在一定的安全风险；还有一个缺点是其滚筒装煤效果差，采煤机后浮煤较多，需人工辅助装煤。 针对上述问题，达

10、竹集团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、摇臂有级跳高、结构上下对称布置、装煤效果好等特点，很好地解决了永荣采煤机存在的不足，目前正在达竹小河嘴煤矿进行工业性试验。 1.1.3.2薄煤层双滚筒采煤机 薄煤层双滚筒采煤机是目前应用最广泛的机械化采煤装备，它大量用于薄煤层综采和高档普采工作面。由于近年来煤机制造技术的快速进步，它的适应性也大大增强。从目前已有的机型看，倾角45°以下、煤厚0.751.3m的薄煤层都有应用。常用的机型有天地科技上海分公司生产的MG100/238-WD型薄煤层交流变频电牵引采煤

11、机、辽源煤机制造有限公司生产的MG80/188-BWD薄煤层交流变频电牵引采煤机、鸡西煤矿机械制造有限公司生产的MG100/240-BW型薄煤层液压牵引采煤机。与这些机型相配套的薄煤层综采工作面在全国有很多，由于大多采用的是重型装备，高档普采仅适用于近水平煤层，大倾角高档普采还比较困难。 2主要机械化采煤方法 2.1综合机械化开采 综合机械化开采主要是指采煤工作面用机械设备落煤、工作面输送设备运输（大多为刮板输送机）、液压支架支护的一种采煤方法。在薄煤层中是近几年来才广泛兴起的一种较为先进的采煤方法。它具有产量高、工效高、用人少、工人劳动强度低、安全可靠度高等优点，也是目前的发展方向。它能适应

12、大倾角乃至极倾斜地质构造较为复杂的煤层，可实现高度自动化开采。薄煤层乃至极薄煤层综合机械化开采解决的技术关键点主要有几个方面，一是“三机”设备配套的可行性，二是保证三个空间既过煤空间、过机空间和行人空间，三是设备特别是综采支架的安全可靠性。后面我将结合一些事例再作详细介绍。 2.2高档普采 高档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（以前也有用金属摩擦支柱，现已禁用）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，薄煤层主要用于近水平开采（不大于3

13、0°），由于极薄煤层综合机械化开采尚处于攻关阶段，爬底式高档普采是一个提高产量、降低工人劳动强度有效途径。下面的事例中将作详细介绍。 2.3其他机械化开采方法 其他机械化开采方法中我着重介绍近年来较为流行的炮采机装采煤工艺。它采用放炮落煤、刮板输送机铲装及运输、悬移式支架或者掩护式液压支架支护，主要用于薄煤层及中厚煤层。比以前的炮采工艺减少了攉煤环节，支护工艺也有较大改善，适应煤层倾角比较广泛，大倾角、极倾斜煤层均可采用。其关键是解决好工作面设备的防滑问题。三、达竹公司在薄煤层和极薄煤层机械化开采上的一些实践达竹煤电集团公司是四川省煤炭产业集团最东边的一个子公司，公司下辖六对生产矿井

14、，分别分布在达县和大竹县境内，其中有四对矿井属“文革”中简易投产的矿井，另有一对属停缓建矿井。公司各矿资源赋存条件差，绝大部分为薄煤层和极薄煤层，且地质构造复杂，断层多，采高和倾角变化大，顶底板稳定性差。近年来达竹公司一直把大力发展机械化作为争创全国同类型一流企业重要举措来抓，收到了明显成效，目前，全公司共有综采工作面4个，高档普采工作面9个，2009年1至7月机采率达66%；综合掘进机3台，最高月单进304m；侧卸式装岩机6台。柏林、小河嘴两矿均实现全机械化采煤，采煤工作面机采率均达100%。今年头七个月，全公司生产原煤141.57万吨，其中，机采产量95.15 万吨，综采产量49.85万吨

15、。今年上半年达竹公司与辽源煤矿机械制造有限公司联合开发了MG110/130-TPD型极薄煤层电牵引爬底板采煤机，八月在小河嘴煤矿正式投入试运行，达竹公司从此拥有了具有自主知识产权的采煤机组。2009年9月末，达竹公司一次性订购三套薄煤层综采成套设备，采用了国内最先进的电液控制或先导控制手段，为将来实现无人化开采奠定基础，将在今年11月前全部投入运行；与山东矿机集团和辽源煤机制造公司合作研发具有自主知识产权的极薄煤层（采高0.65m）爬底板综采成套设备正在进行样机制作，将在今年内实施。下面我详细介绍几个典型薄煤层和极薄煤层机械化开采案例。3.1柏林矿极薄煤层爬底式高档普采0452工作面位于

16、77;0m水平045采区北翼第一区段，为045采区K24煤层首采工作面，工作面煤厚0.480.54m，平均0.53m，倾角260280，平均270，设计走向长度620m，倾斜长度平均115m。工作面采用走向长壁后退式开采，即由北往南推进。至2006年12月，已炮采推进226m。0836工作面位于±0m水平K18煤层083采区第三区段北翼，工作面煤厚0.190.61m，平均0.56m，煤层倾角220240，平均230，设计走向长度574m，倾斜长度平均87m。工作面采用走向长壁后退式开采，即由北往南推进。3.1.1采煤机主要结构、参数与滚筒配置情况( 1 )结构与工作原理它由牵引部、电

17、动部、截装部以及导向、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，煤沿螺旋滚筒输入装煤部，装煤部转入工作面运输机。( 2 )电动机为两端偏心130出轴，分别传动牵引部。牵引部为液压传动，电动机通过齿轮联轴器将动力传动到轴，轴齿轮同时带动辅助泵及主油泵齿轮，辅助泵，主油泵开始供油，主油泵与马达形成闭合回路。将机械能转为压力能，通过三级减速，主链轮转动，沿着牵引链爬行，从而实现了采煤机的牵引。电机的另一端通过一对齿轮联轴器到轴，再经过一对弧伞齿，三对直齿迂回传动到螺旋滚筒大轴，大轴转动，带动螺旋实现割煤，大轴轴端通过一对直伞齿到装煤部链轮，从而实现转载煤。采煤机

18、机身长3848mm，宽910mm，高380mm（含底托板30mm），整机重量约7000Kg，电机功率100KW，生产能力75100t/小时，采煤机采用双向采煤，人工跟机清理浮煤。牵引速度03m/min，采煤机正常截煤时的牵引速度控制在1m/min左右。( 3 )采煤机的特点该采煤机具有三个显著特点：一是在大倾角（300以下）极薄煤层（煤厚0.4m0.8m）的恶劣地质条件下，适应性更强。二是解决了过去采煤机牵引部小牙箱和液压系统升温快、温度高，从而导致机械故障多的难题。该机最大牵引力可达12吨，牵引速度最高达3m/min，采煤推进度可加快1025。三是装煤部箱体和截煤部箱体焊接为整体，增强了设备

19、的稳固性和安全可靠性。( 4 )采煤机的主要优点MG100TP型采煤机主要具有以下优点：（1）采用液压牵引，具有过负荷液压保护功能，且液压元件性能较可靠，切实起到了保护采煤机截割部和电动部的作用。（2）三大部件采用高强度液压螺栓联接，螺栓预紧力达到采煤机设计要求，避免了采煤机在运行中三大部件联接松动造成采煤机损坏的问题。（3）机身低、窄 、短，箱体强度高，机组功率大，牵引速度平滑可调，适应最低采高530mm，更有利于极薄煤层的机械化开采。（4）截割部箱体为整体结构，运行中箱体不会变形，各齿轮、轴、轴承强度高，特别是、轴圆弧伞齿轮不易损坏。（5）对工作面运输设备、支护装备的配套要求不高，极易组成

20、极薄煤层普采和高档普采，工作面配备设备费用较低。（6）装煤部小溜子采用工字链上运煤方式，运行维护费用低，故障率低，工字链使用寿命提高两倍，提高了小溜子的运行可靠性。 （7）牵引部液压系统为闭式循环，辅泵的油先通过冷却再进入系统，冷却效果好，油箱温度在50以下，保证了液压系统元件工作性能的要求。( 5 )机组本身存在的不足：（1）由于是固定滚筒，且南北不能调向，只有一个方向采煤，左采煤机只能用于左工作面。右采煤机只能用于右工作面。（2）对采高变化和坡度变化适应性较差。特别是在巷道压力大，风巷断面较小的-2427采煤工作面，每更换一次机组或换一次滚筒，花费的时间较长。（3）采煤机运行周期较短，稍大

21、一点的故障要出井检修，所以不能单台机组运行。（4）厂家提供的锚链强度较低，易断链，链轮硬度较差。（5）工作面地质变化较大时，如过断层和褶曲，只能采取放炮处理，对机组运行有一定影响。 ( 6 )采煤机滚筒配置0452工作面配备的滚筒直径530mm，截深800mm。0836工作面配备的滚筒直径580mm，截深800mm。每台机组都在井下配备一个备用滚筒，便于及时更换。3.1.2采煤机组采煤情况( 1 )采煤工艺工作面以MG100TP型采煤机、SGB-420/30P型刮板运输机、乳化液泵站、金属摩擦支柱组成极薄煤层普采工作面配套设备。a.采煤。采煤机双向采煤，人工跟机清理浮煤。正常截煤时，采煤机牵引

22、速度一般控制在1m/min左右，小时生产能力可达45t/h。上、下超前缺口采用爆破法。b.装煤、运煤。采煤机本身带有装煤机构，由螺旋滚筒从煤壁上切割下的煤，通过装煤机构转载到工作面输送机上，浮煤由人工清理。机巷用SDW-650/30型皮带运输机配合SGB-620/40T型刮板运输机运至采区运输机上山，经SGB-620/40T型刮板运输机运至采区煤仓。c.工作面支护及采空区处理两工作面均采用HZJA-550或HZJA-650金属摩擦支柱支护顶板，使用HSY-5升柱器支柱。除密集支柱外，均采用木挑板戴帽，木挑板沿走向布置。密集支柱采用木楔点柱支护。劳动组织。工作面采用“四五”排控顶，推进度0.80

23、m，放顶步距0.80m。工作面采用单排密集支柱切顶，全部垮落法处理采空区。工作面采煤工艺流程图人工追机临时支护、收浮煤机组上行割煤整体移溜爆破法作上、下超前缺口回柱放顶掺基本支柱( 2)工作面布置采煤工作面布置平面图(图1)采煤工作面布置剖面图（图2）工作面支护参数工作面采用“四五”排控顶，见五回一，推进度0.8m，放顶步距0.8m。其支护参数见表1。表1 工作面支护参数表 名 称单位数量名称单位数量柱 距m0.7最大控顶距m3.90机 道m0.98最小控顶距m3.10人 行 道m0.80材料道m0.80密 集 柱 距m0.35溜子道m0.52采煤机进刀方式及上下缺口布置采煤机采用缺口直接推入

24、法进刀，下超前缺口斜长不小于3.0m，上缺口斜长不小于5.0m，超前距离不小于1.6m，采用打眼爆破做出。1.6m96m3.0m0.7m 回 风 巷栅栏AABB1.5m0.35m0.6m5.0m1.6m 机 巷JH-8稳固绞车图1 机采工作面平面布置图1:1003100800最小控顶距BB剖面图980520800980最大控顶距AA剖面图5208008008003900图2 工作面剖面图1：50（3）工作面机械、电器配备及供电系统 工作面机械、电器设备配备表2工作面机械、电器设备配备表 设备名称规格及型号数 量备用量电机功率用 途刮板运输机SGB-420/30P230kW工作面、机巷运煤皮带机

25、SGD-650/30130kW机巷运煤煤电钻MZ-12221.2kW超前缺口打眼稳车JH-81稳固采煤机采煤机MG100-TP11100kW工作面采煤用泵站泵XRB2B，箱XRXTA137kW向单体液压支柱供液磁力起动器QBZ-120或QJZ-3153溜子和采煤机开关用综合保护器ZZ8L-2.52煤电钻综合保护工作面供电系统（见图3）（4）生产组织管理工作面循环安排1)循环方式：自采自准，综合工种作业，多循环方式。2)循环进度：循环进度0.8m，日进2.44.0m。3)说明：工作面昼夜35个循环，每班完成上下缺口、运传料、割煤、收浮煤、移溜、支柱、码矸石带和回柱放顶等工作。劳动组织及出勤表工作

26、面采用两班采煤，边采边准作业方式，实际出勤59人。采煤工作面人员配备见表3。（5）采煤机割煤情况对0452、0836工作面自使用机组以来每月的割煤刀数和产量做了统计,为了便于对比，将0452自2006年5月开采以来炮采月进度和产量也作了统计（见表4）。-17-采区变电所来自±0中变6KV100ABGP12-6NBGP12-6N50AKS7-315/6/0.69KS7-50/6/0.69ZZBL-2.5DW80-350350ABKD9-400 350ABKP9-200 备用YRG3-100采煤机BKD9-200100ADW80-200 100A瓦斯断电仪瓦斯电闭锁MZ-1.2煤电钻XR

27、B2B乳化泵MZ-1.2煤电钻综保S698ASGB-420/30顺槽溜子SDW-650/30皮带运输机SGB-420/30工作面溜子JH-8稳车S1295A50×50035×12035×50035×100BKD9-200BKD9-200 局扇备用ZZBL-2.5BKD9-400 300ABKD9-200 140ABKD9-200 160AQBZ-120 100AQBZ-120 30AQJZ-315 400AQBZ-120 100AQBZ-120 100AQBZ-120 100A图3 机采工作面供电系统示意图表3 工作面人员配备表序号工 种人员配备（人）一

28、二辅助小计1割煤司机1122跟机工1123稳车工1124刮板司机3365皮带司机1126综合工种1212247缺口砂带3368值班1129合 计24241159表4 0452采煤情况统计表0452机采(2007年19月)0452炮采(2006年512月)备注月份进刀(次)产量(t)月份进度(m)产量(t)1342177519149121911706312315341263773223894362287831222253824719271975653344810352836789603011393445892616412129849825605(20天)合计3198922617657从2007年

29、1月，0452工作面一直过落差1m左右的断层，对机组割煤影响较大。7月份以后，断层过完，机组每天能够割4刀煤。月单产突破了6000t，是炮采最好水平的178.9%。2极薄煤层爬地板综采工作面达竹公司计划在今年底前在极薄煤层（）工作面实现综合机械化开采，现已完成技术论证和样机制作，其主要情况如下：项目的技术指标及应实现的经济效果技术指标：液压支架及配套输送机使用条件1、瓦斯矿井，煤尘有爆炸性倾向。2、倾斜长度120m，煤层倾角为25°。3、煤层厚度变化为0.520.8m，煤层硬度为f3，中等稳定。4、顶板为粉砂岩，底板为砂质泥岩，局部为细砂岩，深灰色泥岩，顶、底板及夹矸硬度为f=46，顶板类别为类。总体配套设备液压支架：ZY2400/5.5/12采煤机：MG110/130-TPD；刮板输送机：SGB420/40。液压支架主要技术参数a、架型架 型： ZY2400/5.5/12型掩护式液压支架高 度： 5501200mm中 心 距： 1500mm宽 度： 14301600mm初 撑 力： 1978kN（P=31.5MPa）工作阻力： 2400kN（P=38.2MPa）支护强度： 1.4MPa底板比压： 1.82.0MPa适应煤层倾角：