连续采煤机在露天煤矿端帮安全开采的应用研究

高云峰

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤机装备有限公司，山西省太原市，030006)



连续采煤机在露天煤矿端帮安全开采的应用研究

高云峰1,2

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤机装备有限公司，山西省太原市，030006)

介绍了端帮采煤机和端帮开采技术工艺，为了解决我国露天煤矿端帮经济和安全开采技术难题，太原研究院研究了使用连续采煤机对露天煤矿端帮进行开采，分析了连续采煤机在国内的发展现状和端帮开采的工程应用，最后阐述了连续采煤机端帮开采的前景展望。

露天煤矿 边坡开采 连续采煤机 端帮采煤机

1 端帮采煤机概述

目前，大多端帮开采由端帮采煤机开采，端帮采煤机基本使用的都是美国生产的SHM端帮采煤机，SHM端帮采煤机体积庞大，高为9.3 m,宽为10.3 m,长为20.2 m，整机重量不包括截割头部分就重达213825 kg。SHM端帮采煤机主要由基架、液压动力站、旁侧卸载机、前承重梁、后承重梁、铠装圆盘、推板增减机构、推进臂、电气控制模块、液压系统、操控室、截割头模块、重型履带行走装置、移动变压器等组成。

SHM端帮采煤机对电力需求较大，整套系统仅电机部分就有1台水喷射泵电机、1台空气压缩电机、2台截割电机、2台收集电机、1台水循环泵电机、1台液压油循环泵电机、2台平行螺旋钻电机、1台液压泵电机、1台基础传送电机、1台右侧角传送电机、1台堆垛链动电机以及4台冷却系统电机等多达18台电机组成，总功率高达1525 kW，供电方式可以选择通过一个移动变电站从当地电网供电，也可以选择SHM自己设计的柴油发电机组供电。SHM端帮采煤机可采煤层厚度范围为0.76～5.5 m，采硐深度最大可达300 m。按照美国的采矿运行制度(每天两班)，开采0.8 m左右的薄煤层，月产量可达6～9万t，开采1.5 m左右的中薄煤层月产量可达9～12万t，开采3 m左右的中煤层月产量可达10～15万t，每班仅需3～4人，开采效率极高。

使用端帮采煤机进行端帮开采虽然有很多优点，但是引进整机系统价格较高(近亿元)，目前，国内露天矿还没有采用SHM端帮采煤机进行开采，在国内应用基本是空白。但我国露天煤矿基本现状是几乎所有的端帮都由于剥采比太高、经济性不满足要求而大量压煤，由于无法开采基本属于废弃资源，为了减少资源浪费，推行绿色开采，依据现有国内煤机装备技术现状，有必要研究使用其他相关技术进行端帮开采应用研究。

2 端帮开采技术工艺

使用端帮采煤机进行端帮开采和使用连续采煤机进行端帮开采虽然设备不同，但基本工艺是相同的。SHM端帮采煤机开采工程应用已经很成熟，基本应用条件是开采水平或者近水平煤层，基本用于开采煤层倾角8°以内，煤层顶底板条件要求比较高，岩层稳定不破碎，渗水少，瓦斯含量低。

无论端帮采煤机还是连续采煤机开采都是探入式开采，采硐之间需留设一定宽度的支撑煤柱，一般根据工程地质条件采硐间需要留设1～3 m宽度的煤柱，具体参数需要根据计算所得，同时每采3～10个采硐需要留设一个4～8 m宽度的大煤柱，具体根据边坡稳定性要求和工程地质条件综合确定。虽然留设不同形式的煤柱但是回采率仍然不低，采1 m厚度的薄煤层露头煤回采率可高达80%以上。根据工程应用实例来看，采不同厚度和不同赋存深度的煤层回采率变化较大，在赋存深度百米范围内，回采率随赋存深度的增加基本呈线性降低，随煤层厚度的增加而降低，基本规律见图1。

图1 端帮开采回采率变化规律

3 连续采煤机端帮开采应用

3.1 国内连续采煤机发展现状

我国连续采煤机研究相对落后，从20世纪90年代末才开始连续采煤机短壁机械化开采技术及配套设备的开发工作。90年代以煤炭科学研究总院太原研究院为首的煤机生产科研单位与神东公司合作，在消化吸收国外先进短壁开采装备的基础上，逐渐开始研制国产短壁成套开采装备。相继研制出XZ系列履带行走式液压支架、LY系列连续运输系统、CMM系列四臂锚杆钻车、GP系列给料破碎机、WD13梭车等短壁开采配套设备，随着2007年国内首台EML340型连续采煤机的问世，我国已经具备生产连续采煤机短壁机械化开采成套装备的能力，同时使煤炭科学研究总院太原研究院成为国内第一个开发出连续采煤机的企业。

3.2 国内端帮开采工程应用

目前国内有4家露天煤矿曾经试验或正在进行端帮开采，霍林河露天煤矿采用的是仿制的端帮采煤机，由于开采的是露头煤，属于风氧化煤，煤岩层过软导致压覆端帮采煤机而失败；乌兰矿业集团特拉布拉露天煤矿比较特殊，它使用的是横轴的掘进机为基础加后配套而成的一套体系进行端帮开采，效率更低，年产量只有15万t；鄂尔多斯上湾地区乌兰露天煤矿在2011年就已经开始试验进行端帮开采，但采用的不是端帮采煤机而是以太原院连续采煤机为基础加后配套而成一套体系，基本价格在1200万元左右(刨除研发费用)，以目前产能来看日产量最高可达3000 t，但是由于设备后配套相对落后，效率较低，同时连续采煤机本身可靠性较差，系统整合能力也较差，冷却系统能力低，开机率较低，月平均产量只有3万t左右。由于该矿煤质较好，售价500元/t，每个班组3～4人，无支护，开采成本较低，整套设备投资下来仅需开采近一个月就能将成本全部回收，这一点对各大露天煤矿企业来说诱惑力极大。

3.3 五彩湾露天煤矿端帮开采

新疆五彩湾露天煤矿东端帮有压覆煤炭资源，为了保证采端帮煤不致滑坡，在进行开采之前对东端帮重新进行了边坡稳定性评价，在进行设计前选取典型剖面进行稳定性分析，初步了解目前端帮稳定性情况，稳定性系数在1.8以上，有余力进行端帮开采可行性分析。在留设支撑煤柱下开采煤层会大大降低稳定性系数，经过计算，在采硐间留设煤柱1.5 m，5个采硐间留设6 m大煤柱情况下，稳定性系数在1.16以上。东帮采掘平面图如图2所示 ，开采前边坡稳定性情况如图3所示，开采情况下边坡稳定情况如图4所示。

图2 东端帮工程平面图

图3 开采前边坡稳定性情况

图4 开采情况下边坡稳定情况

为了保证在进行端帮开采时不致滑坡压覆设备，考虑到刚体极限平衡计算时没有融入变形影响，又是二维模型计算，为了计算的准确性，利用数值模拟技术进行三维建模评价，采用的计算指标见表1。

表1 岩土体物理力学计算指标

三维模型共建立20356个单元，32541个节点。经过分析计算，没有产生大范围滑坡，三维计算模型如图5所示，位移矢量图如图6所示，最大位移图如图7所示，剪切应变增量图如图8所示。

从图6和图7可以看出，大范围滑坡不会发生，不会因滑坡而导致压覆设备，仅有局部片帮。从图8可以看出，主要是因为土层抗剪强度太小而发生的局部片帮，煤层抗剪强度大没有发生片帮，片帮属于正常现象。

图5 三维计算模型

图6 位移矢量图

在五彩湾露天煤矿开采方案确定后，使用连续采煤机进行端帮开采，以1台JOY12连续采煤机为核心，该系统主要构成是采煤系统、二次运输系统、远程控制系统、全景监控系统、转运系统、供电系统、通风系统等构成。由于JOY12故障率较低，生产效率较高，2煤煤层平均厚度为3.5 m，月最高产量可达6万t，平均月产量可达5.1万t。

图8 剪切应变增量图

4 连续采煤机端帮开采前景展望

目前，国内使用连续采煤机进行端帮开采应用较少，太原院是国内第一个开发出连续采煤机的企业，目前技术已经比较成熟。鄂尔多斯上湾地区乌兰露天煤矿早在2011年就已经使用太原院生产的EML340连续采煤机进行端帮开采，经过5 a的磨合和不断的技术改进，乌兰露天煤矿与太原院已经合作共同开发边坡连续采煤机，样机已经试制完成，取得安标即可生产销售。该边坡连续采煤机基于EML340，主要针对此前开机率低、缺乏冷却系统、机尾连接件抗拉强度低、缺乏全景监控系统、运输系统能力低等主要问题进行了改进，可靠性将大大增强，生产效率将大幅提高。

我国的露天煤矿端帮压煤非常普遍，压覆煤炭资源较大。神华集团宝日希勒露天矿地处呼伦贝尔草原中部，1998年9月12日正式开工建设，地质储量为7600万t，近年年产量超过千万吨，资源开采强度较大，端帮压煤量大，在资源尤为宝贵的今天，端帮压煤开采极为必要；国电平庄煤业蒙东能源集团公司地处锡林郭勒盟锡林浩特市，因其旗下下辖多个露天煤矿，尤其是内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特地区胜利煤田所属胜利西二号露天煤矿东西端帮压煤，且西端帮曾经滑坡大量压煤；胜利煤田所属乌兰图嘎煤矿锗坑西端帮大量压煤，煤层中含有锗，锗的价格高于1万元/kg，价值非常高，但由于技术和经济原因无法使用端帮采煤机开采，由于考虑当前一套完整的端帮采煤机需要投资近亿元，以目前蒙东能源公司经济状况无法使用端帮采煤机开采，如果使用中国煤炭科工太原煤科院生产的边坡连续采煤机开采整套设备下来估计仅在1500万元左右，应用前景较好；同属胜利煤田东二号露天煤矿(大唐锡林浩特矿业有限公司所属后被神华收购)存在部分端帮压煤，目前由于该矿主要问题是煤层最厚处超过200 m，存在高大煤质边坡对生产带来很多不利影响；同属胜利煤田神华北电胜利公司由于开发较早且存在自己的电厂，经济条件较好，端帮也存在压煤情况，使用边坡连续采煤机进行开采技术可行经济可行；平庄煤业集团公司所属元宝山露天煤矿也存在端帮压煤情况，元宝山露天煤矿使用半连续开采工艺，技术水平相对较高，使用边坡连续采煤机进行开采具备一定的经济基础；平庄煤业集团所属的白音华一号露天煤矿，地处内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市西乌珠穆沁旗白音华镇，2012年时年产量就已经突破1000万t，目前煤价上涨煤炭销售刚由亏损转入盈利阶段，经济条件转好，也存在端帮压煤情况，该矿具备使用边坡连续采煤机进行端帮开采的技术和经济条件；与其相邻的白音华二号露天煤矿和白音华三号露天煤矿隶属于中电投，也存在端帮压煤情况，尤其是白音华二号露天煤矿2012年1月8日端帮发生大规模滑坡导致大量压煤；相邻的阜新矿业集团公司所属白音华四号露天煤矿也存在端帮压煤情况；同属西乌珠穆沁旗，在吉林郭勒镇有吉林郭勒二号露天煤矿(锡林郭勒盟政府、辽宁春成工贸有限公司、辽宁铁法煤业集团公司三家共营单位，铁法控股)，目前也存在端帮压煤；神华准能黑龙江宝清露天煤矿、鄂尔多斯黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿也存在端帮压煤情况；大唐尹敏露天煤矿和伊兰露天煤矿也同样存在端帮压煤。

在太原煤科院所属山西境内仅河曲梁家碛露天煤矿端帮压覆煤炭资源就将近1000万t。为了尽可能地减少端帮煤炭资源浪费，各露天煤矿普遍做法就是尽可能提高端帮边坡角，通过牺牲边坡稳定性降低剥采比来采端帮煤，边坡角可达30°以上，但从根本上无法改善端帮大量压煤状况，使用边坡连续采煤机可大大改善这种状态。

5 结语

连续采煤机进行端帮开采技术可行，经济可行，符合我国国情，能够大大减少资源浪费，减少占用土地，减轻排土场排弃压力。

连续采煤机运用于我国露天端帮开采通常需要对边坡进行放缓设计，运用合理的刚体极限平衡分析法结合数值模拟技术能够确定最优煤柱留设宽度。连续采煤机端帮开采使用前景非常广阔，但是目前应用不多，主要原因是边坡连续采煤机使用仍有一定的局限性，对顶底板要求较高，国产设备可靠性较差，开机率较低，有待进一步改进。

[1] 金毅.连续采煤机工艺系统设备配套分析[J].中国煤炭，2007(8)

[2] 南世卿,任凤玉,宋爱东.露天转地下开采过渡前期高效开采方案研究[J].中国矿业, 2012(S1)

[3] 马明,侯星野,周杰.露天煤矿排土场边坡参数优化[J].煤炭技术，2014(10)

[4] 李洪,耿献文,朱学军.区段煤柱宽度的实测确定[J].矿山压力与顶板管理，2005(1)

[5] 赵国旭,谢和平,马伟民.宽厚煤柱的稳定性研究[J].辽宁工程技术大学学报，2004 (1)

[6] 曹芳智,黄晨.基于地层结构分析的露天煤矿边坡角优化[J].煤炭技术,2014(11)

[7] 冯夏庭,林韵梅.岩石力学与工程专家系统研究新进展[J].岩石力学与工程学报，1995(1)

[8] 周科平,刘东宇.加拿大露天采矿合作研究方向[J].世界采矿快报,1996(8)

(责任编辑 路 强)

Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining

Gao Yunfeng

(1. Taiyuan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan, Shanxi 030006, China; 2.Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Equipment Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030006, China )

The author introduced end slope miner and end slope mining technology, and in order to solve the technological problem of end slope's economical and safe mining in China open-pit mine, Taiyuan Research Institute researched continuous miner open-pit end slope mining, analyzed development state and engineering application of continuous miner in domestic end slope mining, and elaborated prospect forecast of continuous miner in end slope mining.

open-pit mine, side slope mining, continuous miner, end slope miner

国家自然科学基金(U1361130)，中央高校基本科研业务费(3142015021，3142015124，3142015119)

高云峰.连续采煤机在露天煤矿端帮安全开采的应用研究[J].中国煤炭，2017，43(3)：74-77，119. Gao YunFeng. Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining[J].China Coal，2017，43(3)：74-77，119.

TD4.65

A

高云峰(1981-),男，山东烟台人，助理研究员，现就职于中国煤炭科工集团太原研究院，主要从事短壁开采工艺及巷道支护等技术研究及管理工作。