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我国煤层赋存条件比较复杂,煤炭资源分布地域辽阔,地质条件复杂多样。其中薄煤层可采储量约占全国煤炭总储量的18%,而产量只占总产量的73%,远远低于储量所占的比例,并且这个比例还有进一步下降的趋势。薄煤层在我国分布较广,有些地区的煤质也比较好。而像大同煤矿集团经过多年开采,不少矿井中厚煤层已近枯竭,薄煤层的开采正规模化地进行,而且也得到了充分重视。就当前的资源情况看,发展薄煤层机械化开采对于开发利用煤炭资源,延长矿井开采年限和实现高效开采都具有十分重要的意义。
1．薄煤层开采中存在的问题
我国薄煤层开采主要采用长壁采煤法,但由于开采煤层厚度小(小于1.3m),与中厚及厚煤层相比,薄煤层机械化长壁工作面主要有以下问题:
1)采高低,工作条件差,设备移动困难。特别是薄煤层综采工作面,当最小采高降到1.0m以下时,人员出入工作面或在工作面内作业都非常困难。而且薄煤层采煤机械和液压支架受空间尺寸限制,设计难度大。液压支架立柱通常要双伸缩甚至三伸缩,增加了制造成本。
2)采掘比大、掘进率高,采煤工作面接替困难。随着长壁机械化采煤技术的发展,工作面推进速度大大加快,但由于薄煤层工作面回采巷道为半煤岩巷,巷道掘进手段没有多大的变化,仍以打眼放炮、人工装煤为主,掘进速度很慢,造成薄煤层综采工作面接替紧张。
3)煤层厚度变化、断层等地质构造对薄煤层长壁工作面生产影响比开采中厚及厚煤层工作面大,造成薄煤层长壁综采或机采工作面布置困难。
4)薄煤层长壁机械化采煤工作面的投入产出比高,经济效益不如开采厚及中厚煤层工作面。一个薄煤层综采工作面的设备投资不比设备装机功率、支架工作阻力相当的中厚煤层综采工作面少,但薄煤层综采工作面的单产和效率一般只有中厚煤层综采工作面一半,甚至更低。
可见,发展机械化、实现综合机械化采煤,是实现薄煤层开采高产高效的唯一出路,我国在这方面一直在不断瓦斯赋存特征进行了分析研究,指出地质构造复杂、煤层埋藏深度大、围岩条件变化和水文地质条件复杂是影响寺河矿煤层瓦斯赋存规律的主要因素。
2．薄煤层开采综合机械化技术现状
目前,我国薄煤层开采综合机械化有许多种,大致分为:①滚筒采煤机;②刨煤机;③螺旋钻采煤机。
2·1滚筒采煤机
现在使用的滚筒式采煤机是传统的采煤设备,其应用十分广泛,发展速度也比较快。随着缓倾斜中厚煤层至厚煤层综合机械化成套技术的逐渐成熟,“三软”和大倾角煤层等困难条件下综采配套技术也得到了应用。以电牵引、故障自动诊断、支架电液控制等为核心的技术也应用到了滚筒式薄煤层综合机械化设备上,这种采煤技术也正趋于成熟。薄煤层综合机械化采煤经过多年的试验,已经取得了显著的开采效果。
滚筒采煤机由于适应性强、效率高、便于实现综合机械化作业,因而发展迅速。它的整体结构、性能参数、适应能力、可靠性等诸方面,都有了较大创新和提高。薄煤层滚筒采煤机是在中厚煤层滚筒采煤机的基础上发展起来的,它也具有许多优点:
①积木式无底托架结构、液压螺母紧固、多台截割电动机横向布置、抽屉式部件安装等技术的应用,使得薄煤层滚筒采煤机结构更加简单,安装更为轻便;
②整体结构和传动方式的改进,使得滚筒采煤机的机身变得更窄、更低;
③采煤机功率的不断加大,以及电气调速行走和远程无线控制技术的应用,使得薄煤层滚筒式采煤机更能适应较复杂的开采地质条件;
④薄煤层采煤机比较适合小型煤矿的综合机械化开采。
2·2刨煤机
刨煤机采煤自20世纪40年代在德国问世以来,很快就得到推广和发展,成为薄煤层采煤机械化的强大支柱。原欧洲的主要产煤国德国、俄罗斯、法国等,使用刨煤机开采的煤炭产量占总产量的50%以上,刨煤机的日产量可达到5000t以上。
刨煤机的主要优点:
①能实现极薄煤层的综合机械化开采,便于实现开采过程中的自动化;
②采煤过程连续进行,工作时间利用率高;
③采出的块煤率高,工作面煤尘量少;
④结构简单,维护方便。
2000年铁法小青矿采取国内配套的方式引进一套德国DBT公司全自动化刨煤机系统,于2001年1月开始试生产,到2002年4月,除去倒面检修时间,共生产271d,生产煤炭106万t,最高日产量6480t,小青矿全自动化刨煤机开采技术的成功极大地提高了国内煤炭行业使用刨煤机的积极性。
2·3螺旋钻采煤机
螺旋钻采煤是前苏联顿巴斯矿区顿涅茨克矿业研究院开发的一种开采薄煤层的采煤方法。于1979年在顿巴斯矿区马斯宾斯克矿试验成功,并推广应用。该采煤法是一种新型的无人工作面采煤方法,也是一种开采缓倾斜薄煤层的新型采煤方法,可将煤层可采厚度由0.6~0.8m下延到0.4m,对开采松软煤层有极高的推广应用价值。螺旋钻采煤法的主要优点:
①投资较低;
②人员和机组设备全部在工作巷内,人员在宽敞支护良好的巷道内就可将煤采出,安全状况良好;
③煤的可采范围达总面积的95%以上,可以多出煤,并充分释放瓦斯。
螺旋钻采煤法主要存在的问题:
①留设钻孔间煤柱和钻孔组间煤柱,降低了采出率;
②接长和缩短钻杆所用的时间占工作总时间的比重较大。
我国近几年引进了一些螺旋钻采煤机,取得了较好的经济效益。其中新汶矿业集团2003年从乌克兰引进的2台薄煤层螺旋钻采煤机(适用于0.6~0.9m的薄煤层),分别在潘西矿和南冶矿进行了前进式和后退式采煤工艺试验获得成功,单面单台钻机月产达到5800t。2004年6月20日,国家发改委调研组在新汶矿区调研时得出如下结论:“潘西煤矿螺旋钻采煤工艺的应用,效率高、安全系数高、资源开采率高,适应于目前我国传统的开采方法无法开采的薄煤层,该技术值得在全国推广应用”。大同煤矿集团也在尝试用在采煤中，效果十分好。
3．薄煤层开采发展趋势
薄煤层开采高度小、顶板压力小的特点,决定了薄煤层高产高效采煤方法的发展方向主要是提高长壁工作面自动化程度。由于薄煤层工作面内作业困难,所以应提高薄煤层工作面采、支、运工序的自动化程度,减少工作面内的操作人员。薄煤层工作面刨煤机落煤、螺旋钻采煤比采煤机落煤易于实现自动化,由计算机控制的定量割煤刨煤机与螺旋钻采煤,是实现薄煤层工作面自动化开采重要的发展方向之一。根据国内外实践,工作面年产量可达1.0~1.8Mt。
4．结语
对于我国资源储量比较大的薄煤层来说,随着国内外采矿设备制造水平的提高,在采用大功率、高可靠性工作面设备的基础上,根据当地的煤层赋存情况,因地制宜地选择采煤机械,采用上述采煤方法均可以实现薄煤层高产高效开采。
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