连续采煤机在西湾露天煤矿应用的可行性研究

郭阳阳

（陕西神延煤炭有限责任公司 西湾露天煤矿，陕西 榆林 719000）

我国工业化开始到现在，煤炭一直居于主体能源地位。在石油、天然气资源贫乏，太阳能、风能等新能源的利用还未完全成熟的背景下，煤炭将在一段时期内仍将作为主要能源使用。煤炭的绿色开发是新时代发展的必须要求，而露天采煤相较于井下采煤拥有很多方面的突出优点：生产过程安全系数高，煤炭资源回收率高，开采规模大、效率高、成本低。因此很多发达国家的煤炭资源多采用露天开采，在其它类型的矿山开采设计时也首先考虑露采工艺设计。随着近年来我国投产的大型露天煤矿越来越多，全国煤炭产量中露采产量的占比将大幅度增高，因此露天矿开采技术的深入研究意义重大。为了提高开采质量和开采效率，降低能耗、减少环境污染，必须结合露天矿的实际开采状况采取最优的开采技术[1-2]。露天采煤机在国外露天煤矿应用效果卓著，我国起步较晚，但露天采煤机在国内外的应用已经充分展现出其优越性[3]。

1 露天采煤机概况

1.1 露天采煤机的组成及工作原理

露天煤矿通常采用了分层剥离的开采方式，基于这种开采方式露天采煤机应运而生[4]。总的来说，露天采煤机有3 种类型：前端滚筒式露天采煤机、中端滚筒式露天采煤机、前端斗轮式露天采煤机（根据截割部位的位置不同作区分）。

目前在露天煤矿中大多使用前端滚筒式露天采煤机，因其自身结构特性具备了逐层开采能力，因此在断层和夹层开采中有较好的适用性，这对于资源回采率的提升意义重大。与此同时，该结构不影响其尾部连接运输设备，尤其便于连接带式输送机，进而将露天采煤工艺连续化，提高了生产效率和经济效益[5]。常见的露天采煤工艺是单斗挖掘机和卡车相配合，这种工艺走的是“穿－爆－采－运－排”路线，而露天采煤机连续工艺省却了穿爆环节，并且降低了运输时间和成本，最终能够实现经济性和效率性的极大提高[6]。

滚筒式露天采煤机主要由3 大机构组成：截割机构、装煤机构、输送机构、转运机构、走行机构。5大机构同时配合工作实现了露天采煤的连续化：①工作机构由截割滚筒和截割臂组成，进行煤层的截割与破碎；②装煤机构由星轮式装载机构成，装运落煤；③输送机构由刮板机输送煤炭；④转运机构由带式输送机转运煤粒；⑤走行机构则承担着采煤机在工作面上的移动任务。

1.2 国内外露天采煤机现状

露天采煤机正朝着大型化、数字化、综合化的方向发展[7]。井工矿井中广泛应用了滚筒式采煤机，以此为原型，针对露天采煤的工作特点，国内外己有不少厂商研制出滚筒式露天采煤机用于露天开采[8]。

德国的Wirtgen 公司生产了一种露天采矿机[9]，其滚筒位于机体中部，广泛应用于各种类型的露天矿开采，该机型成功在一些露天煤矿的薄煤层开采和选采上使用。但滚筒中置式的露天采煤机对于边界的煤炭无法开采，同时在厚煤层开采使用中表现不佳。德国TAKRAF 公司、美国威猛公司对露天采煤机进行了探索，将截割滚筒分别置于前端和末端，其他工作原理不变，可适用于不同的开采环境。目前在巴西、南非、澳大利亚等国的露天煤矿大规模应用的是VASM 系列滚筒可调高的露天采煤机，由Voest－Alpine 公司研制而成。其根据井巷掘进机进行改制，前端布置滚筒，特别加入了可调高功能，实现了厚硬煤层的截割[10]。

我国研制露天采煤机的时间较晚。“八五”期间（1991—1995 年），原东煤公司曾进行过CLG300 型可调高滚筒式露天采煤机的研发[11]。河北天择重型机械有限公司近年来相继研制出LMG200、LMG560、LMG950、LMG1150 型露天采煤机，用于黑河宋集屯煤矿、宝日希勒露天煤矿、东明露天煤矿等矿山[13]。

2 西湾露天煤矿概况

2.1 开采条件

西湾露天煤矿位于陕西省榆林市神木市西南部及榆阳区的东北部，西湾矿区地处陕北侏罗纪煤田榆神矿区的中部，井田范围由24 个拐点坐标圈定，南北长约18 km，东西宽约4.1 km，面积76.558 km2，批准开采标高＋1 099～＋873 m，含可采煤层5 层，自上而下依次为2－2、3－1、4－3、5－3上、5－3下煤层，前期露天开采2－2煤，2－2煤层可采面积50.77 km2，煤厚9.17～12.61 m，平均厚度11.13 m。露天矿开采境界内工业资源储量为625.830 Mt，可采储量为613.310 Mt，原煤平均剥采比8.27 m3/t。西湾露天矿地形相对较为平坦，煤层倾角一般小于1°。冬、春季雨水稀少，气候干燥寒冷，西北季风较多且大。露天矿产煤类型为长焰煤及不粘煤，煤质及赋存条件好，资源可靠，储量丰富，适合建设现代化大型露天煤矿。覆层自上而下依次为45 m 厚的地层、92 m 厚的基岩层、11.14 m 厚的2－2煤层（均为平均厚度）。

综上所述，该矿的开采条件简单，煤层赋存稳定，在开采工艺的技术方面有较大的选择范围。

2.2 现阶段开采工艺

露天矿设计初期，为了使经济效益快速显现，结合其实际条件中运距较近，采用单斗－卡车间断开采工艺进行剥离岩石，采用单斗－卡车＋半移动式破碎站－带式输送机半连续开采工艺进行采煤。露天矿设计生产能力10.00 Mt/a，松散物由挖掘机直接采装，分台阶开采，台阶高度9 m；岩石、煤经钻孔爆破后再进行采装，按台阶分层开采，岩石台阶高度为13 m，煤层按煤厚1 次采全高。

由于境界内含水层比较丰富，坑内涌水严重的情况下运煤卡车无法保证稳定的生产能力，不利于持续稳定的生产和销售要求。目前露天矿面临的突出问题是环境适应性差、安全管理难度大、开采成本高、运输效率低。而该矿的地质条件非常适合使用露天采煤机进行连续采煤，可以有效克服含水地层对煤炭运输的影响，同时采用连续的运输工艺可大幅较低煤炭的运输成本，减少卡车燃油带来的环境污染。因此采用高产高效的连续开采工艺替代原设计的单斗－卡车间断工艺对于实现西湾露天煤矿的绿色高效开发具有十分重要的意义。轮斗连续开采工艺虽然挖掘效率很高，但是初期设备投资大，机动灵活性差，挖掘力不够大导致可用范围窄（只适合松软岩层），并且气候变化也是限制其出动率的一大重要因素。而假设应用连续采煤机开采，一方面可以克服以上轮斗开采劣势，另一方面又能充分利用连续开采工艺本身所具备的优势。

3 连续采煤工艺应用的可行性

3.1 露天煤矿主要开采工艺比较

露天开采工艺系统主要有：间断工艺（如单斗挖掘机－汽车工艺系统）、连续工艺系统、拉斗铲倒堆工艺系统和半连续工艺系统。间断工艺系统具有机动灵活、便于选采等优点，但其作业成本高；连续工艺系统具有作业成本低、生产规模大等优点，但其适合挖掘软岩；拉斗铲倒堆工艺系统具有工艺环节少、设备数量少，效率高、成本低的优点，但也存在设备购置费用高、仅适用于内排剥离不适宜采煤等缺点。从工艺环节看，虽然卡车运输灵活性强、适应性高，但是油耗大，轮胎消耗量大，维修费用高，单位运输成本大。而带式输送机运输具有输送能力大、爬坡能力大、单位运输成本低、可靠性高、系统维修费用低等优点。如果能够用带式输送机代替卡车运输，则可节约大量生产成本，带式输送机的吨公里运输成本仅是卡车运输成本的1/2～1/3。

以带式输送机为主要运输设备的露天矿连续开采工艺系统具有显著技术经济优点。研究适合较硬矿岩开采连续工艺系统（或半连续开采工艺系统）可以充分发挥带式输送机的优点，有望大幅度降低剥采成本，因此露天煤矿采用连续或半连续开采工艺一定是今后开采的发展大趋势。连续采煤工艺可以在一定程度上解决露天矿特殊煤层条件采煤工作面配套运输装备造价高、卡车运输通道占地面积大、燃油消耗多，集中破碎站移动难度大、耗时长等问题，从而降低燃油消耗，提高煤炭资源回收率，降低生产成本，改善工作环境，简化管理。

3.2 连续采煤工艺的适用性分析

1）西湾露天煤矿主采煤层仅1 层，平均厚度约11 m，煤层倾角1°，煤层硬度较大，因此该矿的地质条件非常适合使用综采割煤机进行连续采煤。

2）露天矿境界内含水层比较丰富，坑内涌水严重的情况下，运煤卡车无法保证稳定的生产能力（遇到较高强度的大气降水时也面临着同样的问题），不利于生产运输的持续稳定的生产，而以带式输送机运输为主的连续采煤工艺系统可以有效克服含水地层对煤炭运输的影响。

3）西湾露天煤矿开采深度大、剥采比大、工作线长度大，应用卡车运输存在柴油、轮胎消耗大，扬尘污染环境，生产成本高等缺点。在煤炭行业环保要求越来越高的大背景下，露天矿引入连续采煤工艺可以在露天矿主要能源消耗上实现“以电代油”，达到降低能耗、减少道路扬尘和有害气体排放等效果，从而大幅度降低露天矿生产成本和提高资源开发效益。考虑到国内柴油价格会随着国际原油价格和国家能源政策的变化可能大幅度波动，而动力电价格相对稳定，因此应用连续采煤工艺有利于露天矿成本控制。

4）与传统的单斗－卡车工艺相比，应用连续采煤工艺可以彻底的取消露天矿卡车运输环节，从而大幅度降低矿山的化石能源消耗，促进节能减排。同时，应用连续工艺后可以简化露天矿运输系统布置，增大采场帮坡角，有利于减少土地占用、实现区域环境协调发展和绿色开采。

基于综合考虑，在西湾露天煤矿应用连续采煤工艺是可行的。采用露天矿连续开采成套工艺、多设备协同平行作业开采工艺，应用大型露天矿用连续采煤机、自移式转载机、长距离带式输送机等装备，辅以配套的远程集中控制系统，最终实现露天煤矿开采的连续化、自动化、智能化以及安全、高效、绿色、环保等目标。

4 采煤机连续工艺开采过程

4.1 开采工艺流程

大型露天矿用连续开采系统中的设备配套主要由露天矿用连续采煤机、自移式转载机、卸料车、带式输送机、远程集中控制系统组成。西湾露天矿工作面煤层平均厚度11.13 m，分上、下2 层开采。连续采煤机布置于在上层工作面，上层工作面煤层平均厚度6.5 m。连续采煤机开采工艺示意图如图1。

图1 连续采煤机开采工艺示意图

1）切眼开槽。开采工作首先进行切眼开槽作业。切眼开槽时连续采煤机沿垂直于工作面的倾向行走作业，自移式转载机进行平行于连续采煤机的跟随移动，开采出50 m×40 m 的切眼槽后，连续采煤机转弯－自移式转载机跟随移动，直至设备转至平行于工作面，开始进行正常开采作业。

2）正常开采。连续采煤机摆正机位，按设定方向开始平行于工作面移动，自移式转载机、卸料车跟随连续采煤机运动。

3）调机推进。当开采至工作面另一端端头40 m距离左右，再次进行开切眼工作。此后往复循环作业，带式输送机随着工作面的推进进行移置。作业过程中连续采煤机与自移式转载机搭接，自移式转载机通过卸料车与带式输送机相接。连续采煤机落煤后，经自身刮板部，自移式转载机、卸料车转运至带式输送机上，再由带式输送机传送至指定地点。

4.2 应用过程中的关键问题

连续采煤机首先移动至拟作业煤层，利用截割滚筒进行切割，做出适应其作业的初始截割面，此时即可进行截割煤层作业。露天采煤机的具体采煤过程为：首先，将截割滚筒上升到最大的采高处，然后向前进行推进（推进距离为1 次截深），此时即可控制截割滚筒向下切割煤层，如此往复不断循环，便完成了采煤机的连续截割。为了使工作面平整，就需要在以上过程中，通过控制截割滚筒使截割轨迹尽可能地处在同一垂直平面。在应用连续采煤机采煤时，有3 项关键性问题需要把握。

1）确定1 次截深。采煤机每次向前的推进距离就是1 次截深，需要依据煤粒要求、作业环境以及采煤机自身情况来拟定。1 次截深与采煤机滚筒的直径、功率大小、截割齿排布有关，要综合考虑截割电机的功率和产煤效率进行确定。确定1 次截深是连续采煤机正式工作前的首要步骤。

2）确保合适的卧底量。由于采煤机工作过程中的落煤会造成地面的不平整，而一个较为平整的地面对于保证连续采煤机的采煤工艺至关重要，合适的卧底量就能够使采煤机每次截割过程中滚筒都能到达最低处，进而才能使得地面避免受到大量落煤的影响后导致凹凸不平。

3）采用合适的行进速度和截割速度。通过连续采煤机的5 大机构密切配合，才能发挥最高的生产效率。确定了最佳1 次截深后，过快的行进速度和截割速度会使得采煤量超过截割电机或装载电机的额定载荷，造成安全隐患，过慢的行进速度和截割速度又会导致生产效率降低，无法体现连续采煤机的工作效率。

5 结语

通过分析连续采煤机的工作特点、西湾露天煤矿的剥采环境，基本确定了滚筒式露天连续采煤机在西湾露天煤矿应用的可行性，并拟定出了应用连续采煤机的工艺路线。西湾露天煤矿应用连续采煤工艺的预期效益显著，但在系统应用的设备选型、经济边界条件、系统布置方式、系统可靠性、系统开采作业程序、开采参数等方面还需要进行详细的进一步分析论证。