小保当二号矿井薄煤层采煤工艺设计方案比选

张 磊

(中煤科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

我国薄煤层分布广、煤质好，保有资源储量约3500亿t，约占全国保有资源量的20%。但存在赋存不稳定、开采难度大、经济效益低、设备适用性差等问题，开采煤量比例不断下降，目前薄煤层产量仅占全国产量的7%左右。近年来由于煤炭易采资源减少、资源税改革等原因，优质薄煤层资源日益受到重视，薄煤层工作面开采拓宽了煤炭开采的空间，推动了煤炭生产“清洁低碳”。本文结合小保当二号矿井薄煤层开采技术条件，分析了滚筒采煤机、刨煤机、“黑龙”系统三种主要薄煤层采煤设备的优缺点和适用条件，最终选择采用“黑龙”系统作为小保当二号矿井薄煤层综采装备，为实现薄煤层综采工作面安全高效智能化开采提供技术参考[1，2]。

1 矿井概况

小保当二号矿井位于神木县大保当乡，属于榆神矿区三期规划区，设计生产能力13.00Mt/a。划定的井田范围东西长15.0km，南北宽8.4km，面积122.47km2。地质资源量2447.10Mt，设计可采储量1354.28Mt，服务年限74.4a。矿井煤层为倾角不足1°的单斜构造，低瓦斯，煤尘有爆炸危险性，煤层易自燃，顶底板中等稳定，为以裂隙充水含水层为主的水文地质条件复杂矿井。

矿井以一组“L”型大巷开拓全井田，由于禁采区的压覆首采盘区为煤层厚度较薄的13盘区。该盘区位于井底车场东侧，南北长约3.0km，东西宽4.8km，面积14.3km2，区内可采煤层为1-1煤、2-2煤、2-2下煤和3-1煤，可采储量65.34Mt。矿井煤层接续按由近至远、由上至下的顺序依次回采，初期开采的煤层为最上部的1-1煤和2-2煤。1-1煤为延安组第五段顶部局部可采煤层，埋深209～354m，煤层厚度0.80～1.83m，平均煤层厚度1.16m，结构简单，赋存稳定，设备配套能力1.5Mt。2-2煤层赋存于延安组第四段顶部，上距1-1煤约60m，煤层厚度1.47～4.48m，平均煤层厚度2.27m，多数含0～2层夹矸，为全区稳定可采中厚煤层。

矿井地面涉及西南部的红石峡水源地补给区、东北部的臭柏自然保护区和瑶镇水库水源地准保护区，矿井环评暂将各水源地压覆区定为禁采区。矿区规划环评批复小保当二号矿井为先期开采矿井，应及时总结先期矿井开采的“保水采煤”实践经验，在未能有效控制地下水资源环境前，暂缓矿区内其他矿井的开发建设。故矿井的建设一方面为矿区内其他矿井提供保水采煤经验，另一方面对本矿井水源地压覆资源的解放提供观测数据。首采盘区内煤层较薄，矿井不能达到设计生产能力，取得保水开采经验进入红石峡水源地补给区压覆的11盘区时才能达产。

2 采煤工艺选择

2.1 盘区巷道布置

盘区巷道采取大巷式布置方式，即大巷兼作盘区巷道，利用开拓大巷直接布置回采工作面。为了开采2-2煤，在井田中部偏东沿南北方向布置一组煤层大巷，分别为2-2煤南翼辅助运输大巷、2-2煤南翼主运大巷和两条2-2煤南翼回风大巷，大巷间距为40m。设计1-1煤与2-2煤联合布置，在1-1煤与2-2煤大巷重叠布置一组半煤岩盘区辅助巷，分别为1-1煤南翼辅助运输巷、1-1煤南翼主运巷和1-1煤南翼回风大巷，大巷间距40m。1-1煤层综采面主运巷将煤转载至1-1煤南翼主运大巷，通过盘区集中溜煤眼运至2-2煤南翼主运大巷外运。为了便于两层煤之间的联系，在盘区中部由2-2煤辅助运输大巷做一条联络巷至1-1煤辅助运输大巷。

矿井投产时分别在1-1煤和2-2煤布置1个工作面，两工作面无压茬关系。1-1煤薄煤层工作面两巷采用三巷布置，两进一回，“U”型通风，分别为辅助运输巷、主运巷和回风巷，下部为辅助运输巷，上部为回风巷，主运巷兼做进风巷布置在辅运巷的内侧。采煤工作面由盘区边界向大巷方向后退式回采。盘区巷道布置如图1所示。

图1 盘区巷道布置示意图

2.2 薄煤层采煤工艺比选

根据开采技术条件各煤层均采用走向长壁与倾斜长壁相结合综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板[3，4]。结合1-1煤开采技术条件，适用的国内外薄煤层综采装备简述如下[5-8]。

2.2.1 刨煤机综采

国际上利用刨煤机对薄煤层的开采已达较高水平，其工作面装备的特点是机电智能一体化，采面实现计算机远程控制。刨煤机的技术水平已发展到采高0.6～3.0m，截深300mm，可刨煤硬度f=4，刨速3m/s，刨链Φ42mm，装机功率2×800kW，铺设长度300m。辽宁铁法煤业公司小青矿自2000年全国第一家引进全自动化刨煤机工作面开采工艺及装备，先后创出了日产9188t和月产15.13万t的成绩。全自动化刨煤机系统引进了原德国DBT采矿技术公司刨煤机、运行轨道及电液控制系统的核心技术，为工作面生产配套的其他设备均为国产。

由三一重装、中国矿业大学及铁法煤业集团共同研制的国产全自动刨煤机成套设备于2010年下线并进行工业性试验，最大日进尺8.5m，最大日产量3100t。目前为止，全自动化刨煤机系统在大同煤矿集团公司、山西焦煤集团公司都得到了较好的应用。

2.2.2 滚筒式采煤机综采

20世纪80年代以来，电牵引滚筒式采煤机的发展成就显著，目前世界各国技术先进的薄煤层滚筒式采煤机有：久益环球薄煤层7LS0采煤机、艾柯夫SL300L薄煤层采煤机等。与自动化、电液控制系统的发展相适应，薄煤层滚筒采煤机在生产中取得了较好的应用效果。例如，美国煤钢联BW50#煤矿，煤厚1.38m，工作面长度330m，创下日产原煤22310t的记录，年产量159万t。为适应“一井一面”的高度集中化生产模式和煤矿生产集团化管理模式，矿井自动化技术的发展使煤矿主要生产环节已基本实现自动检测监控，实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水等设备和矿井瓦斯、煤尘等安全参数的全自动化监测和控制，如美国MSA公司DAN6400系统、德国BEBRO公司PROMOS系统等。

近年来，国内薄煤层综采设备的研制迅速发展，已生产出性能可靠的薄煤层滚筒式采煤机，与国产液压支架配套使用取得了良好的效果。其中，大同矿务局晋华宫矿在20世纪90年代中期开始在1.3～1.5m厚的薄煤层试采，试采阶段平均月产0.0733Mt，最高月产0.0955Mt，创造了国产机组同类条件下的最好成绩。目前国产先进的薄煤层滚筒采煤机有MG400/890-WD型等，基本可以满足煤层厚度0.8～1.8m，煤质中硬以下的缓倾斜薄煤层开采需求。21世纪以来，济二、万利、柠条塔、榆家梁等矿井在1.2～2.5m可实现年产100～200万t，但在煤层厚度1.5m左右未见稳产100万t以上煤矿[9，10]。

2.2.3 “黑龙”系统综采

波兰研制出一套薄煤层综采设备，简称“黑龙”系统，创造性地结合了采煤机和刨煤机开采的优点，在煤层厚度0.85～1.7m的地质条件适应性较强。其特点是利用螺旋切割滚筒开采煤壁，利用切割滚筒螺旋片和挡煤板装煤；采用刨煤机牵引结构，工作面设备独立安装，控制系统设备和操作在工作面巷道进行；螺旋切割滚筒驱动功率大，能切割煤质硬度大、带夹矸和褶曲的采面煤壁；切割头机身为刚性整体结构、过煤高度大，驱动器用过载轴保护，设备可靠性高；所有控制设备安装在工作面巷道，减少采面操作人员；此外还设计电缆框架牵引系统、液压支架和刮板运输机控制系统、无拆卸驱动部传动齿轮更换、大能力喷雾系统、预防故障系统等。波兰国内成功使用多套黑龙系统，在JAS-MOS矿布置长壁对拉工作面，单工作面长度200m，工作面错距9～12m，采高1.2～1.6m，横向倾角8°～18°，纵向倾角0°～12°，日工作时间10h左右，年生产能力达到400万t以上。该成套设备近几年引进国内，目前神东煤炭集团公司石圪台煤矿已采购一套黑龙采煤系统用于薄煤层生产。“黑龙”系统工作面采用双向割煤，截割头端部垂直进入煤壁进行回采，改变了传统采煤机斜切进刀方式，减少了三角煤回采时间，提高了工作效率。“黑龙”系统截割部设备布置如图2所示。

图2 “黑龙”系统截割部设备布置示意图

2.2.4 采煤工艺选择

纵观国内外薄煤层采煤装备发展情况，其主要发展趋势是：采煤机装机功率和截割功率越来越大，适应范围增加，强行通过不利地质条件(断层、夹矸、局部变窄、褶曲)的能力提高，有效地解决了空间有限的薄煤层安全高效开采问题；交流电牵引技术日益普及，电牵引传动效率高、工作面可靠性高、使用可靠、维护方便，克服了液压牵引系统抗污染性低、工作面可靠性差的缺点；多电机横向布置解决了功率加大带来的外形尺寸增加的问题，降低了机面高度和机身长度，传动系统简单，装拆、维护方便，增强了采煤机对起伏的适应性；强大的牵引力提高了输送机对弯曲的适应能力，使采煤机可适应较大的倾角，采煤面更安全、可靠；采煤机向三维智能定位、煤岩界面自动识别等自动化、无人化技术发展；监测监控系统更加完善，设备故障自诊断、自排除能力更加智能，机器运行可靠。根据设备发展趋势综合分析以上3种综采设备，其优缺点比较见表1。

表1 薄煤层综采设备优缺点比较表

小保当二号矿井1-1煤煤层倾角小、赋存稳定、结构简单，要求生产能力大、快速解决压茬关系，综合比较更适于采用“黑龙”系统综采装备以简化生产、提高自动化程度和劳动效率。但由于生产经验少，设备采购前应进行广泛深入的调研，参考学习国外该系统生产经验，制定详细的采面配套方案以确保系统的安全高效运行。

2.3 综采面主要设备

1)采煤机选用引进的“黑龙”系统，适应工作面长度260m，装机总功率640kW，切割装煤头拉力为2×320kN，截深0.8m，横扭矩条件下割煤速度11.3/27m/min，适应煤层厚度0.85～1.7m，电压3300V。

2)液压支架中间架选用ZY9000/10/17D型两柱掩护式，支撑高度1.0～1.7m，支护强度0.8～0.93MPa，中心距1.75m，工作阻力9000kN，初撑力7631kN，推移步距800mm，PM4电液控制系统。

3)根据环节能力配套，工作面刮板输送机、转载机、破碎机各自的生产能力不小于采煤机最大生产能力。考虑采煤机与刮板输送机同向运动时的修正量，选用SGZ800/2×400型交叉侧卸式刮板输送机，运输能力1000t/h，装机功率2×400kW，刮板链速1.3m/s。转载机选用SZZ800/250型，链速2.15m/s，运输能力1500t/h，额定电压3300V，功率250kW。破碎机选用PCM160型，出口粒度小于300mm，破碎能力2000t/h，功率160kW。

4)除上述主要设备外，综采面还配备BRW500/37.5 型乳化液泵站、BPW500/16 型喷雾泵站、巷道超前支架、巷道带式输送机自移装置、排污排沙潜水电泵等设备。

2.4 工作面生产能力

薄煤层综采工作面设计长度260m，开采高度1.25m，采煤机截深0.8m，机组日平均开机率85%，正常割煤速度按6m/min计算，综采工作面日循环数21个，年推进度达5300m，生产能力2.2Mt/a，达到国内先进水平。

3 结 语

我国薄煤层智能化开采取得了积极的进展和成功的经验，但在设备性能及适用性、高端设备制造、两化深度融合水平上与国际先进水平尚有差距。“黑龙”系统作为一种集成创新产品为薄煤层综采设备提供了积极的有益探索。投产成功后不仅有利于本矿薄煤层资源的开采，亦可为其他矿井提供有益的借鉴。