复杂结构薄及极薄复合煤层智能综合机械化采煤技术研究与应用.pdf

1、中国科技期刊数据库 工业 A 78 复杂结构薄及极薄复合煤层智能综合机械化采煤技术研究与应用 张伯涛 四川省煤炭设计研究院，四川 成都 610000 摘要：摘要：我国薄煤层资源广泛分布，已发现的煤矿中，84%的矿区都存在薄煤层，占据了我国煤炭总储量的 20%。然而，薄煤层的产量仅占全国产能的 10%，这导致了煤炭资源的巨大浪费和储采比极不协调。薄煤层开采，尤其是极薄煤层和复杂结构薄煤层开采，面临着许多问题。其中，空间狭小、环境恶劣是主要挑战之一，这使得综采设备的选择变得困难，设备装机功率、设备运转以及人员作业都受到极大的限制，从而导致效率低下和安全性差。本文深入研究了复杂结构薄煤层和极薄复合煤

2、层工作面的采煤方法、采高、设备选型配套以及智能化控制系统，并提出了创新性的复杂结构薄煤层和极薄复合煤层智能综合机械化采煤技术和成套装备。这一技术已成功应用于嘉阳煤矿的复杂结构薄煤层开采，提高了极薄煤层回采效率和煤炭资源采出率，实现了薄煤层工作面的少人化智能化、安全高效。本文提出的智能综合机械化采煤技术和成套装备对于我国复杂结构薄煤层的开采具有重要的工程参考价值。关键词：关键词：复杂结构煤层；薄煤层；智能化开采 中图分类号：中图分类号：TD8 0 引言 近年来，中国煤矿资源的调查显示，84%的煤矿资源分布在薄煤层之中，大量集中在华中、华北、东北以及西南地区。薄煤层所占的可采储量约为全部可采储量的

3、 20%左右。然而，由于薄煤层开采存在着空间、环境和装备等多重限制，如：采矿技术受到限制，薄层煤的采矿对设备和技术要求更高；且薄层煤的煤质特征通常与厚层煤不同，可能含有较高的灰分、硫分或挥发分等，这些特征降低了煤的燃烧效率和能源产出；此外，采矿薄层煤的成本较高，包括复杂的采矿方案和设备投入，限制了产量的提高；环境因素也可能对薄层煤的采矿产量造成负面影响，如复杂的地质条件和水文地质条件。上述问题共同导致了薄层煤产量较低，约占全国煤炭总产量的 10%。在中、厚煤层资源日益枯竭的情况下，薄煤层开采成为确保煤炭供应的重要手段，应优先考虑并得到充分重视。为此，本文在针对嘉阳煤矿复杂结构薄及极薄复合煤层，

4、对其智能综合机械化采煤技术进行了深入研究。1 复杂结构薄及极薄煤层开采技术条件 四川嘉阳煤矿 1205 工作面位于+160m 水平 12 采区，K7煤层平均煤厚 0.98m，为四煤三矸的复杂结构煤层，由下往上由亮煤渐变为半暗至暗淡煤，矸石一般为高岭石粘土岩。K7煤层平均内在灰份约为 51%左右，硬度 f=1.95。K7煤层有 0.10.3m 厚的炭质页岩伪顶，易垮落，直接顶为灰深灰色粘土岩，夹炭质粘土岩与煤线，局部地段为泥质砂岩或粉砂岩。煤层底析岩性较稳定，一般为灰深灰色粘土岩，粉砂质粘土岩，含植物根化石，硬度系数 f 一般小于 5。煤层结构复杂、厚度薄，开采过程中空间小、环境特别恶劣，虽然部

5、分薄煤层工作面配套设备能实现煤厚 1m 左右的开采要求，但设备运转、人员活动受限，不利于工人操作机械设备和维护检修，开采设备装机能力与结构尺寸无法大型化，形成薄煤层-厚装备开采状态，导致回采大量矸石，煤炭含矸率高、设备损耗严重；大功率装备安装布置及配套智能化实现难度大，急需研发配套智能综合机械化采煤技术，开采复杂结构的薄及极薄复合煤层，提高资源回采率。2 薄煤层智能化开采技术方式 目前，我国薄煤层综合机械化开采主要采用刨煤机配液压支架和滚筒采煤机配液压支架综合机械化开采两种方式，这两种方式都利用了机械化设备和液压支架的配合，使得薄煤层的开采更加高效、安全和可控。中国科技期刊数据库 工业 A 7

6、9（1）刨煤机开采技术 刨煤机近年来朝着大功率、快速度、高强度方向发展，刨煤功率越来越大，自动化程度越来越高，各种保护装置日趋完善。目前，刨煤机总装机功率可以达到21000kW，它通过旋转的刨煤滚筒将煤层刮削下来，同时将煤炭输送到后续的运输设备上，刨煤机具有高效、连续、自动化的特点。该开采模式受地质条件、配套设备及操作水平等因素制约较大：开采厚度可远小于现有滚筒采煤机可采厚度，但需煤层厚度、截割阻力均匀；可刨性受煤层节理发育和脆性影响，如果遇到复杂的地质条件，如倾斜煤层、软弱地层等，可能会增加开采的困难和风险；自动化刨煤机组投入高、操作水平要求高。（2）滚筒采煤机开采技术 滚筒采煤机开采技术是

7、一种常用的薄煤层开采方法，其基本原理是利用滚筒煤切削和破碎煤层，然后通过输送装置将煤炭输送到地面。滚筒采煤机适用于薄煤层的开采，特别是煤层厚度在 1.2m 到 1.8m 之间的薄煤层。相较于刨煤机，滚筒采煤机可以适应不同倾角和地质条件下的开采需求；具有高效的切削和破碎能力，可以实现连续开采和高产量；较小的体积使得它可以根据煤层的变化和不同的开采需求进行移动和布置，使得开采作业更加灵活和机动；滚筒采煤机在切削过程中较少引起煤炭损失，因为其切削滚筒可以更加精确地控制煤层的切削和破碎，减少了煤炭的碎裂和碎片的生成11。滚筒采煤机是目前煤矿综合机械化开采的主要设备之一，滚筒采煤机的综采成本相对较低，因

8、为它可以实现连续开采和高产量，减少了人工操作和维护的需求，这可以降低劳动力成本，并提高回采效率和经济效益。薄煤层滚筒采煤机适用于煤层厚度在 0.7m 以上的薄煤层开采，它可以应对不同倾角和地质条件下的煤层开采需求。薄煤层滚筒采煤机如图 1 所示。滚筒通常由一组圆筒形齿轮组成，齿轮上安装有切削头或钻孔装置，通过滚筒的转动来切割和破碎煤层。支架系统是薄煤层滚筒采煤机的重要组成部分，用于支撑和稳定采煤机的工作。支架系统通常由液压支架、液压缸和支撑腿等组件构成，可以根据需要进行升降、前后移动和固定，以适应不同的煤层工作面。切削机构用于实现对煤层的切削和破碎。它通常由切削头或钻孔装置组成，切削头上装有切

9、削齿，通过旋转和推进来切割和破碎煤层，将煤炭取出。现代薄煤层滚筒采煤机配备了先进的自动化控制系统，用于监测和控制采煤机的各项参数。控制系统可以实现对滚筒的转速、前进速度、支架升降等进行精确控制，提高开采的安全性和效率。对于正常布置方式的采煤机，机面高度宜控制在700 mm 以上，平均采高 1.0m 以上；而对于 0.81.0m的煤层，则可选择悬机身布置方式，机面高度控制在600mm 左右，同时要求煤层条件比较稳定，顶底板条件较好。目前滚筒采煤机在中厚煤层开采中实现了单工作面年产达到 100 万吨，但在 1.5m 以下煤层的开采中，虽然实现了薄煤层的自动化开采，但产量普遍在 50 万吨以下，20

10、08 年在鄂尔多斯花图沟煤矿试验成功0.71.3m 的薄煤层综采成套装备，全部配备国产设备，年产量达到 60 万吨。陕煤建苍村煤业进行了复杂薄煤层自动化综采工作面成套综采技术与装备研究，采用MG270/325-BWD 型采煤机、ZY3400/07/16D 型液压支架、SGZ630/320 刮板输送机，工作面能够实现 0.9m 的最低采高，年产在 80 万吨左右。水矿集团汪家寨煤矿采用 MG100/240-BD 型采煤机、ZY2800/07/17 型液压支架、SGZ630/264 刮板输送机，工作面能够实现 1m 的最低采高，年产在 60 万吨左右。杨村、北宿煤矿完成了适应 1.21.5m 薄煤

11、层成套装备，采用 MG2100/448-WD 型采煤机、ZY2600/6.5/16 型液压支架、SGZ630/320刮板输送机，工作面能够实现 1.2m 的最低采高。薄煤层在我国分布区域分散，导致其地质条件多种多样，采煤机型号的研制需根据不同矿井及工程条件的需求定制化设计，总体向重型大功率、高可靠性、自动化及智能化控制方向发展，提高断层、夹矸及极薄复杂结构煤层通过能力，减少设备故障率，提高工作面开采效率、降低劳动强度、提升安全保障水平。目前国内市场上存在诸多薄煤层综采设备，在 1-1.3m 的薄煤层开采中，仍无法满足当前的规模化开采需求。主要原因为：国内没有适用薄煤层工作面的大功率刮板输送机和

12、顺槽运输设备；采煤机装机功率与机身高度的矛盾难以克服，缺少薄煤层大功率采煤机；薄煤层工作面液压支架普遍存在支护能力低，可靠性较差，空间小，智能化程度低，不能满足薄煤层生产要求；薄煤层工作面顺槽断面较小、设备多，制约了工作面的快速推进。以上问题导致复杂结构下的薄煤层智能综合机械化开采技术和成套装备的研发显得更加迫在眉睫。中国科技期刊数据库 工业 A 80 3 复杂结构薄及极薄复合煤层智能综合机械化采煤技术研究与应用 不合理的薄煤层开采参数、设备配套和工作面高度对智能化技术的应用造成了严重的阻碍。首先，不合理的参数选择会导致设备损耗加剧。如果开采参数与薄煤层的特性不匹配，设备在开采过程中将面临更大

13、的磨损和损坏，从而增加了维修和更换设备的频率和成本。其次，不合理的设备配套也限制了智能化技术的发展。现代煤矿开采需要配备先进的智能化设备，如自动化采煤机、无人驾驶运输车等。然而，如果设备不适应薄煤层开采的要求，无法实现高效、精确的作业，从而降低了生产效率和质量。此外，不合理的工作面高度也带来了一系列问题。薄煤层开采通常要求较低的工作面高度，以便更好地控制煤矸石的产量和矿山的安全性。然而，如果工作面高度过高或过低，将导致采掘作业的困难和不稳定，同时增加含矸率，降低开机率，从而影响整体的经济效益。这些问题的累积也使得采掘接替变得困难。由于不合理的开采参数和设备配套，薄煤层开采难以实现高效的采掘接替

14、，导致生产中断和产量下降。另外，地面排矸量的增加也给环境带来了额外的压力，增加了矿山的治理难度和成本。为此，本文针对复杂结构薄及极薄复合煤层工作面采煤方法、采高、设备选型配套及智能化控制系统方面开展了深入研究，形成了复杂结构薄及极薄复合煤层智能综合机械化采煤技术及成套装备。嘉阳煤矿 1205 工作面位于+160m 水平 12 采区，工作面长度 220m，开采 K7煤层为四煤三矸的复杂结构煤层，平均煤厚 0.98m，为实现年生产能力 0.6Mt，综合考虑产量、煤质及生产效率的要求、设备能力和矿山压力显现状态，研究确定最小采高为1m，最大采高为1.4m，平均采高 1.1m。采用“三八制”组织方式，

15、两班生产、一班检修，日割煤时间为 16h，按年开采 330 天机算，斜切进刀距离考虑为 30m，要求采煤机重载截割速度不小于 4m/min。3.1 复杂结构薄及极薄复合煤层综合机械化开采设备选型配套 工作面综采设备的选型配套是确保年产能的关键基础。其中，液压支架是工作面综采设备中的核心部件，采煤机和刮板输送机则是实现工作面高效运转的关键设备。工作面综采设备的选型配套必须兼顾稳定可靠性和产能目标。通过合理的选型和配备，能够保证工作面的正常运转，提高采煤效率，最大限度地实现年产能目标。（1）国际液压支架架型的发展趋势是高工作阻力、高可靠性的两柱掩护式支架，两柱掩护式支架可用于支撑煤矿开采中的长壁工

16、作面。该支架通过固定在煤壁上的两个立柱来提供稳定的支撑，从而保护工人和设备免受坍塌的危险。该技术在美国、德国、澳洲、南非等国均在采用。结合嘉阳煤矿煤层的实际地质条件，研究确定采用两柱掩护式支架。K7煤层工作面最小采高Hmin=1.1m，最大采高 Hmax=1.4m。工作面综采配套设备最大采高 Hmax为 1.4m，考虑支架立柱伸缩比、顶板下沉量与采煤机和输送机的配套以及整架运输等要求，支架最大高度为 1.5m，最小高度为 0.8m，支架中心距 1.5m。针对嘉阳煤矿 K7 煤层的实际地质条件，采用经验估算法、建立在支架与围岩相互作用关系基础之上的数值模拟分析方法，确定支护强度 0.53 Mpa

17、，支架的合理工作阻力 4000kN。给予上述研究成果，确定了工作面中部、沿空留巷过渡液压支架。（2）K7煤层工作面最大采高 Hmax=1.4m，最小采高Hmin=1.1m，考虑到该煤层煤质有一定的硬度，以及装煤效果和卧底量要求，确定采煤机为可调高双滚筒采煤机，装机功率为 570kW，滚筒直径 1100mm，截深 0.8m。（3）按照刮板输送机的运输能力必须满足采煤机割煤能力的要求，研究确定刮板输送机的运输能力不小于 352t/h，总功率不小于 320kW，刮板链形式为中双链。K7煤层 1205 工作面走向长度约 1490m，工作面倾向长度 220m，采煤机截深 0.8m，平均采高 1.1m；机

18、巷和风巷均为半圆拱形断面，宽度 3.2m，墙高 1.9m，高度 3.5m。同时结合研究确定的转载机、破碎机、可伸缩胶带输送机设备生产能力配套与端卸搭接方式，研发了复杂结构薄及极薄复合煤层综合机械化开采工作面整套技术及设备总成。3.2 智能化控制系统 研发了综采工作面智能化控制系统，该系统以顺槽监控中心为核心，将采煤机顺槽控制系统、三机动力部数据监测子系统、语音通讯控制系统、泵站集成供液系统、供电控制系统、喷雾降尘系统、顺槽胶带机控制系统、工作面内人员识别系统控制结合起来，具备地面中国科技期刊数据库 工业 A 81 调度中心对综采工作面设备的一键启停与监控功能、顺槽监控中心对工作面设备的集中控制

19、与一键启停功能。可实现综采工作面生产过程中的自动化、主要生产设备工况和生产过程的实时在线监视、工作面综采设备数据的集成与上传，可确保各设备和系统的协调、连续、高效、安全运行，采煤机重载最大牵引速度大于6m/min，空载最大牵引速度大于 10m/min；支架完成动作时间单架小于 10s，成组移架小于 14s。可实现井下集控，具有主动感知、自动分析、智能处理的安全、高效、节能、少人化的智能综采工作面。4 结论 复杂结构薄煤层开采面临空间过于狭小、环境恶劣、综采设备选型困难、生成效率低、安全性差等问题，为解决复杂结构薄煤层开采难题，本文深入研究了复杂结构薄及极薄复合煤层工作面采煤方法、采高、设备选型

20、配套及智能化控制系统，创新性提出了复杂结构薄及极薄复合煤层智能综合机械化采煤技术及成套装备。本文提出的智能综合机械化采煤技术及成套装备成功应用于嘉阳煤矿复杂结构薄煤层开采，提高了极薄煤层回采效率及煤炭资源采出率、实现了薄煤层少人化智能化安全高效工作面，对复杂结构的薄煤层开采具有重要的参考意义。参考文献 1袁亮,张平松.煤炭精准开采地质保障技术的发展现状及展望J.煤炭学报,2019,44(8):2277-2284.2周开平.薄煤层智能化无人工作面成套装备与技术研究设计J.煤炭科学技术,2020,48(3):59-67.3袁永,屠世浩,陈忠顺等.薄煤层智能开采技术研究现状与进展J.煤炭科学技术,2020,48(5):1-17.4屠世浩,王沉,袁永.薄煤层开采关键技术与装备M.徐州:中国矿业大学出版社,2017.5王国法,张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望J.中国矿业大学学报,2018,47(3):459-467.