1.0米以下薄煤层全自动化刨煤机开采技术研究与实践

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摘 要：通过对1.0米以下薄煤层全自动化刨煤机开采技术研究与实践，破解了极薄煤层安全、高效开采的的世界性技术难题，为我国薄煤层煤炭资源的安全、高效开采奠定了坚实的基础，对提高我国煤炭资源回收率具有重要的现实意义。

关键词：薄煤层开采；全自动化；刨煤机；相关技术；安全高效

前言

铁法矿区煤炭储量22.59亿t，占辽宁省总储量的1/3以上，1.5m 厚以下的薄煤层储量6.2亿t，占矿区总储量的26%。从铁法矿区开采程序来看，各矿井首先主要开采条件较好的4号、7号煤层（中厚煤层），而4号、7号煤层储量逐年减少，下部的8号、9号煤层以及下煤组（大部分煤厚均在1.5m以下）急需开采，应用传统的开采方法回采薄煤层，必然造成单产低，经济效益下降。如放弃不采，或放到后期集中开采，就会减少矿井服务期限，造成煤矿严重亏损。为了破解薄煤层安全高效开采这一技术难题，1999年铁煤集团在全国率先从德国引进自动化刨煤机，经过小青矿井下工业性试验取得成功。至2013年底，集团公司共拥有德国DBT刨煤机4套、国产化刨煤机1套，分布在小青矿、大明矿、晓南矿、晓明矿开采1.3～1.6m厚的薄煤层，共回采薄煤层工作面34个，累计生产煤炭1392.5万t。在此基础上，铁煤集团又剑指1.0m以下薄煤层刨煤机全自动化开采技术难题，组织专业人员开展技术攻关，并于2014年成功打造了“铁法模式”升级版，取得了1.0m以下薄煤层年产100万t以上的技术成果。

1 1.0m以下薄煤层全自动化刨煤机开采适应条件

1.0m以下薄煤层全自动化刨煤机开采技术，一般适合开采煤厚不低于0.8m，煤层倾角小于15°，煤层起伏小于6°，硬度为2～3的薄煤层；当煤层硬度大于3时，可以通过调整支护参数、落煤深度和利用工作面超前压力对煤层的影响等方式来适应煤层硬度变化；当煤层顶板破碎或底板较软影响开采效率时，可以将自动移架改为人工操作移架。

2 1.0m以下薄煤层全自动化刨煤机工作面设计相关技术

2.1 采煤工作面设计

1.0m以下薄煤层自动化开采技术一般采用长壁式布置方式，推进长度根据地质条件一般布置在3000m以内。工作面长度一般布置在200m左右，按3组支架为1组的尺寸递减，如煤层赋存条件允许，为增加开采效率，工作面面长可布置到300m，工作面长度达到300m时，考虑到通风以及工作面设备检修、维护的安全和高效，可采用两入一回的W型通风的巷道布置方式。工作面两顺根据自动化开采设备的需要，运输顺槽宽度一般为5.6m，高度为3.0m；回风顺槽一般宽度为5.0m，高度为2.8m。

2.2 设备选型

为实现薄煤层机械化落煤、采空区自然垮落、自动化无人（或少人）控制，依据薄煤层开采技术选取配套的设备类型。

2.2.1 落煤设备

1.0m以下薄煤层开采技术目标是“实现0.8m采高、自动化无人（或少人）操作、月产8万t以上”，这就要求落煤设备符合0.8m采高的技术要求。GH9-38Ve/5.7N型刨煤机，刨头最低高度800mm，符合1.0m以下采高的技术要求。选取该型刨煤机。刨煤机生产能力为735t/h；电机功率为200/400kW；截深为0～195mm；采用无极链牵引方式。

2.2.2 支护设备

采用ZY4800/06/16.5型支架，该支架最大有效支撑高度1650mm，最小合理支护高度800mm，伸缩比较大，能够适应薄煤层煤厚的变化。为适应薄煤层开采技术要求，支架设备设施占用空间能进一步减少，对支架设备设施做重新设计布置，从而进一步降低工作面液压支架的支护高度。

（1）功能控制阀组布置设计方式。可伸缩式布置。为实现支架的自动化操作，支架采用PMC-R电液控制系统。控制阀组位置向架内移200mm，行人空间宽度加大200mm。控制阀组固定方式由螺栓式改为滑道销固定，滑道行程为500mm，检修时控制阀组可拉出500mm，便于检修和操作。

（2）架前空间调整方式。可调节式布置。支架推移杆滑移连接头固定销向后调整一个档位，支架相对运输机距离拉大100mm，空间宽度加大100mm，支架对应运输机电缆槽位置上方的顶梁厚度由原来170mm降到130mm，空间高度增加40mm。

（3）阀锁位置设计布置。外露式布置。将平衡千斤顶单向阀改到前面，立柱双向锁位置由掩护梁改至顶梁立柱柱窝后侧便于检修。

（4）供液管路布置方式。多通式布置。对主供液多通块设计为水平布置，使进、回液胶管平行工作面吊挂在主阀前支架底座上，防止在架内压坏，行人不受阻挡，增大了有效空间。通过技术创新后，（空间计算）工作面采高0.9m时，有效作业断面0.70m2（宽度上0.9m、下1.2m、高0.77m）。支架与运输机间距达到200mm，增强了对煤层起伏及厚度变化的适应性。

2.2.3 运输设备

根据薄煤层开采运输能力要求采用DBT-PF3/822型运输机，电机功率为200/400kw；输送能力为2500t/h；中部槽尺寸：1505×1534×569mm。为使运输设备附属设备设施结构更紧凑，增大工作面内部作业空间，做相应的设计。

（1）电缆槽设计。压缩式设计。采用两端供电、集中控制技术后，取消了工作面4根动力电缆，只铺信号电缆，释放了空间。为此运输机电缆槽高度设计为70mm高电缆槽，降低了运输机整体高度，减少了占用的空间，防止支架压运输机。

（2）附属设施位置布置。内含式布置。电话及急停开关由侧面改到电缆槽下方，增大了架前与运输机之间的空间，更加便于施工人员作业及通行。

2.2.4 端头设备

为减小前后三角点的断面，降低端头支架的占用空间，进行了两项自主设计：

（1）瘦身式支架设计。工作面前端头采用三组ZT6200/18/32D端头支架，为了缩小巷道断面，研发了1240mm窄小端头支架，支架中心距1480mm，总宽度4440mm，运顺宽度5.2m满足生产需要。运输机机头阶梯式推移梁改为一字水平梁，端1前提800mm，使端头架切顶线一致，减小了控顶面积，改善了端头架支护质量。

（2）运输机与转载机搭接设计。定位轴可旋转联接式。PF3/822运输机机头卸载方式为端卸式，机头与底座之间铰接方式设计为定位轴可旋转式连接方式，运输机头在平面上的旋转角度增加到8°（刨煤机前置电机与转载机之间限位8°），能够适应25°倾角的煤层和150m以上旋转开采的需要，提高了刨煤机的适应性。定位轴式连接方式使运输机头卸货点距离缩小了100mm，防止了运输机拉回头煤。定位轴式连接装置高度为510mm，运顺巷道高度2.6m可以满足生产需要。

3 供电方式

3.1 两端供电技术

两端供电集中控制技术摒弃了传统采煤工作面动力电缆的布置方式，采用在采煤工作面运回顺各安设一组变电列车，刨煤机、运输机的机头、机尾电动机分别从运回顺变电列车直接供电。由于工作面不布置动力电缆，使电缆的检查维护变得十分轻松方便，避免了以往工作面推溜、拉架对电缆造成伤害，避免了工作面电气故障的发生。

3.2 集中控制技术

PROMOS中的智能接线盒kcck输出直流24伏给一台继电器供电。通过继电器的两组常开接点经工作面关联线，控制运输机机头和机尾两组开关启动。两台开关低速无源常开接点和高速常开接点串接，实现一台开关有故障另一台开关断开，避免了单电机运行，实现了同步启动、同步保护的功能。刨煤机将电机控制线用工作面关联线连接机头和机尾KE1004开关，PROMOS直接完成头尾电机同步启动。

4 回采技术

4.1 自动化控制

依据薄煤层开采技术自动化控制系统由PROMOS主控系统和PMC支架电液控制系统两部分组成。

控制的原理：

PROMOS控制系统。回采设备的运行由PROMOS执行。

PMC电液控制系统。通过PMC服务器接收PROMOS数据并进行处理，指挥PMC-R控制单元对支架进行各种动作。

通过自动化控制系统，可以实现工作面实时动态监测、无人操作，达到安全、高效生产。

4.2 回采工艺

依据薄煤层开采技术，刨煤机沿刨煤机轨道通过刨链往复牵引落煤。采用“单向双切”进刀方式，双向穿梭式的落煤方式。运输机的推移均由主控系统采集刨煤机运行位置，实现远程控制，达到动态监控、无人操作。

5 试验面概况及生产情况

铁煤集团大兴矿N1E902工作面煤层厚度平均0.90m，垂直节理发育，属于易刨煤层。煤层赋存为舒缓向斜，煤层倾角7°工作面走向342m，切眼200m，设计可采储量9.17万t。直接顶泥质胶结粉砂岩厚1.38m，易冒落，老顶粗砂岩厚5.0m，较稳定。煤层瓦斯绝对涌出量27.7m3/min。N1E902工作面2014年3月25日完成安装及调试工作，开始正常回采至结束，日进尺最高10m、产量3000t，平均日进尺8m，平均单产2500t/d，平均月产7.5万t，实际回采煤炭12.67万t，取得了良好的效果，实现了安全高效的目标。

6 结束语

铁煤集团1.0m以下极薄煤层全自动化刨煤机开采工业性实验的成功，不但破解了极薄煤层安全、高效开采的世界性技术难题，填补了国内煤炭行业极薄煤层开采的技术空白，还为解放我国约60多亿吨的薄煤层煤炭资源奠定了坚实的基础，对提高我国煤炭资源回收率具有极为重要的现实意义和深远的历史意义。

作者简介：杨清成（1968-），男，辽宁工程技术大学采矿学专业毕业，现职：辽宁省铁岭市调兵山市铁法能源有限责任公司生产技术部采煤科科长。