EML340型连续采煤机在露天矿边帮煤资源回采中的应用

宋明江

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

近年来，我国露天煤矿生产与建设快速发展，露天矿年产量突破5～6亿t，约占年煤炭总产量的15 %，边帮压煤总量已达到5亿t[1]。露天矿赋存的大量边帮压煤资源，如果不能有效的开采会造成大量的资源浪费；如果开沟或采坑不能及时回填或内排，就会造成严重的环境污染和破坏。露天矿边帮煤开采技术是在最小程度的破坏地表岩土覆盖及地面植被的前提下，最大程度利用煤炭资源，基本不会对环境和其它资源造成不良影响，可取得很好的经济效益。国外对边帮煤资源回收开采有着成熟的工艺及技术装备，国内对边帮煤回收开采技术研究相对滞后。多数压煤形成弃采，即或开采也仅是靠炮采、掘进机开采等方式，效率低、安全性差，形成极大的资源浪费和环境破坏。在这种形势的推动下，实现露天矿边帮煤现代化开采己成为人们关注的问题。通过对国外该领域先进技术装备的研究和消化，在此基础上开发创造符合我国生产工艺的新技术、新装备，对提高边帮煤开采的回收率，减少不可再生资源的浪费程度有着积极和重要的意义。

1 基于EML340型连续采煤机的边帮煤回采技术

2011年开始，山西天地煤机装备有限公司利用连续采煤机在内蒙古鄂尔多斯地区进行边帮压煤的回收开采技术研究和试验。截至2019年，共计有6套设备在现场使用，最终取得了丰富的科研成果及经济效益。实践证明，利用EML340型连续采煤机进行露天矿边帮煤开采具有可行性。采用连续采煤机成套技术装备进行边帮开采，结合传统边帮开采工艺的技术优点，实现边帮煤安全、高效、绿色开采，具有灵活机动、用人少、成本低的优势，且日常维护简单、生产效率高。用连续采煤机结合配套转载运输系统进行边帮煤开采，最大的技术优势就是采硐内实现无人化，基本避免了因人员进入无支护处理的空顶区域而带来的危险。所以，用连续采煤机进行边帮煤的开采，是一种高效、安全、绿色的开采工艺及技术。但是，井工用连续采煤机用作露天矿边帮煤开采，也存设备针对性、专业性不强，井工型连续采煤机不能完全适应露天矿环境下的高、低温环境、降雨等诸多因素影响[2]。通过这些年山西天地煤机装备有限公司在露天矿边帮煤开采方面的经验积累，已经掌握大量连续采煤机边帮煤开采的理论数据和经验规律。这些经验和理论知识可以很好的为露天矿边帮煤资源回采的技术研究提供有力的技术储备和支持。

2 EML340型连续采煤机边帮煤回采设备配套

由于露天矿户外极限条件下的施工环境和相对不完善的配套体系。EML340型连续采煤机应用在露天矿边帮煤回采作业时还需要进行改造设计，配套独立的内循环水冷却系统，满足整机的电气系统、液压系统的冷却要求。边帮煤回采作业，采硐内不需要锚杆支护，人员不能进入硐内操作，所以连续采煤机必须要具备远程控制功能。配套内循环水冷却系统的EML340型连续采煤机如图1。

图1 配套内循环水冷却系统的EML340型连续采煤机

EML340型连续采煤机用做边帮煤回采，设备配套有连续运输系统（由连续运输单元组成，单个运输单元长度20 m），控制中心、防护棚架等部分设备组成。作业流程为连续采煤机向硐内采掘完成1个运输单元的采深后，运输系统补充增加1个运输单元，如此循环向纵深推进；连续采煤机边帮成套系统完成1个采硐后设备往外退机，系统退出1个运输单元，拆除1个运输单元，如此循环完成退机工序；成套系统平移至下一个采硐进行开采作业。EML340型连续采煤机边帮煤回采成套技术装备如图2。

图2 EML340型连续采煤机边帮煤回采成套技术装备

3 边帮煤回采成套技术装备主要技术参数

EML340型连续采煤机边帮煤回采成套技术装备主要技术参数见表1。

表1 EML340型连续采煤机边帮煤回采成套技术装备主要技术参数

4 EML340型连续采煤机边帮煤回采关键技术

4.1 煤柱设计与计算分析

根据矿属地质地层情况，设计采用单硐宽度为3.3 m，煤柱宽度为1.5～2.0 m。计算截割宽度、支撑煤柱宽度和永久煤柱宽度。一般来说，支撑煤柱宽度是截割宽度的70 %，永久煤柱按照每隔10～20个矿硐留设1个，其宽度是支撑煤柱的2～3倍，这样可以防止山体垮塌的多米诺骨牌效应。但永久煤柱和支撑煤柱是经过严格的受力分析和数学计算后才能确定[3-4]。

根据Wilson条带煤柱宽度设计方程：

式中：K为安全系数，一般取0.5；L1为煤柱宽度，m；L2为采出宽度，m；h为采高，m；H为采深，m。

为了开采安全及开采工艺布置，一般在每隔10～ 20个 支撑煤柱布置永久隔离煤柱。永久煤柱虽然对回采率降造成一定影响，但大大降低了危险系数，降低了风险造成的损失。煤柱布置示意图[5]如图3。

图3 煤柱布置示意图

4.2 远程控制技术

EML340型连续采煤机边帮压煤采掘运输过程中以嵌入式控制器PC-Based为基础，对连续采煤机及其后配套工作过程中的自身工况参数、位姿及状态监测、环境监测、逻辑控制策略等数据实现远程传输、远程控制，实现信息的可视化远程传输，达到对设备的远程集中控制。连续采煤机远程控制、远程监视和可视化的关键技术在于信号采集和远距离通讯技术。在连续采煤机处布置图像、电流、电压、温度、距离、速度、角度等传感器元部件，可获取全面的连续采煤机相关的数据信息，通过植入连续采煤机主电缆内部的信号传输线可将上述信号完整、可靠的传到控制器PC-Based。连续采煤机边帮开采系统通过长期的现场使用验证，该控制系统运行稳定、数据传输可靠，能够满足成套系统的控制运行要求。

4.3 惯性导航技术

连续采煤机是边帮开采系统的“龙头”装备，其中的关键技术包含连续采煤机的自动定位和智能导向技术。在此之前，连采机或者掘进机用于露天煤矿边帮开采工艺中，设备导航都是依靠采硐口安装1个激光仪，人工识别激光仪在煤壁上投射的光斑而操作设备纵深掘进作业。此技术受巷道内粉尘污染干扰大和巷道倾角和断层起伏等影响大，仅能维持设备在较浅采硐内施工作业。关键一点，该技术不能构成数据反馈闭环控制，不能实现连采机的自主截割功能。利用惯性导航技术，连采机在进行巷道掘进作业过程中，能够检测自身的位姿并且能够随时调整行走机构，使机身的位置和行进方向与巷道设计参数精准匹配。基于陀螺仪的惯性导航技术恰能够完成此项技术功能，该技术可确定连采机的航向角、俯仰角和横滚角，进一步达到数据反馈闭环控制，实现连采机自主截割功能[6-8]。

惯性导航系统有如下主要优点：①隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；②可全天候、全球、全时间的工作于矿井巷道中；③能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；④数据更新率高、精度高和稳定性好；⑤连采机边帮系统应用惯性导航系统可实现整机自动截割、自主巡航。

4.4 巷道充填技术

充填开采技术是目前煤矿绿色开采技术的重要组成部分，其对岩层扰动小，具有控制岩层移动和地表沉陷的作用，是解决煤矿开采环境问题和“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤问题的有效途径。对露天矿边帮已采采硐进行充填处理后，即可增加边帮稳定性，又可对遗留安全煤柱进行再次回收开采。保护了矿区生态环境，提高了资源回收率。充填开采技术的发展和应用，是边帮开采一个重要的技术发展方向[9-10]。

5 应用实例

伊金霍洛旗华能井露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇。该矿资源储量较大，煤层赋存稳定、埋藏较浅、构造简单，煤层近水平、露天可采煤层2层、厚度较大、煤质较好、发热量高，工程地质与水文地质条件简单，适宜中小型露天矿的建设和开发，同时由于边帮压覆资源量大，适宜采用边帮煤回收工艺。设备配套为EML340型连续采煤机配套连续运输系统（连续运输单元）、控制中心、防护棚架等。每班作业3～4人即可完成采煤和维修工作。设备操作：人员通过触摸屏的人机界面操作系统进行设备远程遥控操作。成套设备具有遇险自救能力，遇设备故障、顶板冒落等险情后，成套设备可自行拖拽出硐，人员无需进硐维护操作救援。沿井田边界采深可达150 m以上，平均月产原煤达到5万t以上，资源回收率可达60 %～ 70 %。

华能井露天煤矿开采现状，采出宽度3.3 m，3#煤平均采高即为其平均厚度4.25 m，平均采深36.90 m；4#煤平均采高4.22 m，平均采深77.20 m。由式（1）计算得到的边帮预留煤柱宽度计算参数及计算结果见表2。

表2 边帮预留煤柱宽度计算参数及计算结果

为了开采安全及开采工艺布置，3#煤煤柱宽度取1.5 m，4#煤取2.5 m；根据国外边帮开采经验，每隔10～20个煤柱，留设1个永久煤柱。设计选取每隔20个煤柱留设1个永久煤柱，永久煤柱宽度为5.0 m。

6 结语

通过EML340型连续采煤机边帮压煤采掘的长期研究和实践经验积累证明，EML340型连续采煤机进行露天矿边帮煤资源回采是可行的，且是一种绿色、安全、高效的开采方式，对提高煤炭资源的利用率有着积极和重要的作用。但现有EML340型连续采煤机及后配套装备还存在设备功能不完善、安全性、可靠性不高，成套设备集成化、智能化方面比较欠缺等问题。必须对EML340型连续采煤机为龙头的边帮开采成套技术装备的深入研究。