薄煤层开采技术

薄煤层开采技术
摘要
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，应根据当地的煤层赋存情况，因地制宜地选择采煤机械，并采用合理的采煤方法，努力实现薄煤层的高产高效开采。

关键词薄煤层开采工艺分析回采技术发展趋势支护技术现状
我国把厚度小于1.3 m的煤层划归为薄煤层，厚度小于0.8 m的煤层属于极薄煤层。

我国薄煤层资源丰富，分布面广，而且煤质好。

据统计，全国薄煤层的储量占全部可采储量的20％，在近80个矿区中的400多个矿井中就有750多层为薄煤层。

其中，厚度在0.8 m~1.3 m的共占86.02%，小于0.8 m的占13.98%，0.8 m~1.3 m的缓倾斜煤层占73.4%，开采条件相对较好。

一些地区薄煤层储量比重很大。

贵州省占37%，山东省占52%，四川省占60%。

尽管有较好的储存条件，但由于受“劳动强度大、机械化程度低、安全系数低、工作效率低”的“一大三低”影响，每年从薄煤层中采出的煤量仅占全国总储量的10.4%，而且还有继续下降的趋势，产量与储量的比例严重失调，造成国家资源的浪费，矿井服务年限。

我国从20世纪60年代起始对薄煤层工作面综合机械化开采技术与装备展开研究，先后研制并生产了多种类型薄煤层工作面综采配套设备，但没有解决关键性技术装备问题，薄煤层开采成本高、单产低、效益差、工人劳动强度高等问题，一直未能得到有效解决。

一、薄煤层开采的特点
目前我国薄煤层多数采用普采，高档普采，效率低，经济效益差，一直制约着薄煤层资源的开采和利用。

一些矿井虽然使用了综合采煤设备，但是三机装备配套性能不佳，生产效率低，工作面生产能力很低。

薄煤层由于其开采厚度较小，与中厚及厚煤层相比，开采主要存在以下特点：煤层薄、采高低、煤质硬、劳动效益低煤层厚度多在1.3 m以下，并且煤层硬度多大于3~4，使得人员进入或在工作面内作业以及设备移动都十分困难。

采掘比例大、掘进率高，采掘接替紧张随着刨煤机、螺旋钻机等设备的投入，工作面推进加快，而回采巷道多为半煤岩巷，综掘设备难以投入。

煤层的厚度、角度变化，褶曲、断层等构造对采煤方法影响很大。

目前我国薄煤层开采技术发展的还不是很好。

1）机械化程度低。

由于薄煤层采煤工作面空间非常狭小，工作条件也比较差，这样就给设备的设计制造和井下移动带来诸多困难。

2）生产效率低下。

薄煤层由于煤层厚度变化、断层等地质构造，对煤层开采有很大影响，生产能力低，一般薄煤层单产只为中厚煤层的1/3或更少。

3）投入产出比高。

由于效率低，掘进率高，其开采成本明显高于中厚煤层，而经济效益则不如中厚煤层。

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努力。

二、薄煤层工作面设备选择与工艺分析
（一）采煤设备及工艺的选择
高效高产的采煤的决定性因素之一就是是否合理的选择回采工艺，它与设备的选择、员工的综合素质、煤层倾角有关。

尽管采煤机械化水平是煤矿高产高效的必由之路，但薄煤层地质复杂，遇构造难以通过，故应根据实际情况选择合理的采煤工艺及参数，否则会出现采煤机组不适应地质条件或不配套、劳动作业循环不容易组织等情况。

对煤厚在
1.0 m~1.3 m、赋存简单的缓倾斜或倾斜煤层，选择综合机械化开采是最佳选择，结合现国内薄煤层刨煤机开采的实践，应用刨煤机全自动化开采系统是实现薄煤层高产高效的有效途径。

由于采煤机截深大，自重不足，且有时需要挑顶割底，截齿磨损严重，因此选用浅截深、速度快、适应性强的刨煤机综采工艺是1.3 m以下煤层高产高效的首要选择。

（二）确定合理的工艺参数
工作面合理工艺参数的确定，是综采配套设备实现工作面高产的基础。

1截深的选择。

考虑采煤机功率、煤质硬度系数、煤层厚度及采高、顶板节理发育情况、支撑压力压酥煤壁深度、支架支护方式等因素来确定截深。

通过认真分析工作面地质条件和设备配套情况，确定截深。

当顶板节理发育、片帮严重时，每刀拉架时进行超前支护，以提高循环单产。

2支护与移架方式。

采用邻架操作，及时支护。

在采煤机割过后，先移支架撑住顶板，然后再移输送机。

结合煤层厚度掌握加长杆伸缩范围，以便以合理架位及高度支护顶板。

当顶板情况允许时，顺序移架与隔架移架相结合，保证移架速度满足采煤机割煤速度，以实现连续快速割煤的需要。

3采煤机进刀方式。

在薄煤层的开采中，可采用采煤机落煤，单向采煤，中部斜切进刀。

前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，自开缺口。

（三）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，大致分以下几类：滚筒采煤机；刨煤机；连续采煤机（房柱式采煤）；螺旋钻采煤。

滚筒采煤机我国薄煤层采煤机的研究始于20世纪60年代，主要用于改装、革新类机组。

这类薄煤层滚筒采煤机主要有mlq系列采煤机，如mlq-64、mlq-80、mlq3-100型等采煤机，装机功率60~100 kw。

三、回采技术现状
通过近些年的发展，国内薄煤层综合机械化开采水平已经大幅提高，并形成了三种主要的开采方式：刨煤机配液压支架综合机械化开采方法、滚筒采煤机配液压支架综合机械化开采方法、螺旋钻采煤法。

综合机械化采煤要达到高产高效，采煤机、刮板输送机和液压支架等主要设备(统称“三机”)的生产能力和有关技术参数必须匹配，有配合关系的结构尺寸必须互相适合。

“三机”配套的核心环节是采煤机。

现就各采煤方式的应用情况作一比较。

（一）刨煤机配液压支架综合机械化开采方法
核心部件是刨煤机。

刨煤机在薄煤层开采中的应用十分广泛，主要适用于煤层倾角小于25o，工作面坡度稳定，煤体硬度小于25MPa、煤体硬度小于底板硬度以及地质条件稳定的煤层，如果煤体硬度大于25 MPa，则需使用动力刨煤机。

刨煤机块煤率高、煤尘小，结构简单、运行平稳可靠、易于维护和相对较低的能量消耗，采煤过程连续进行，工作时间利用率高。

刨煤机可采没岑高度厚度仅仅相当于滚筒采煤机可采煤层厚度的60%，相对于其他薄煤层设备而言具有较
大优势，因此在发达国家如德国、乌克兰、美国等得到广泛应用。

现阶段，刨煤机的技术水平已发展到了采高0.6-3m，截深最大可达300mm，可刨硬度f=4，刨速最高可达3m/min，装机功率最大可达800kw，铺设长度达300m。

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，271天生产煤炭106万吨，最高日产6480吨，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。

刨煤机的缺点和不足：适用范围受地质条件影响较大、总装机功率偏小以及刨头的破煤能力和刨硬煤能力不强、刨煤机部分元部件的寿命较短、调高比较困难、刨头与输送机和底板的摩擦阻力大、电动机功率的利用率较低。

（二）滚筒采煤机配液压支架综合机械化开采方法
核心部件是滚筒采煤机。

滚筒采煤机适应于煤层厚度变化大的工作面，对煤层顶底板起伏变化适应性强，对含有夹矸煤层的回采效果良好，过断层能力强以及对工作面长度要求比刨煤机短。

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，较之以往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，它具有许多有点：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、抽屉式不见安装等技术的应用，使得薄煤层滚筒采煤机结构更加简单，安装更加轻便；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。

（三）螺旋钻采煤法
螺旋钻采煤法是一种新型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，人员在宽敞直呼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。

螺旋钻采煤主要存在的问题：
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。

新汶矿业集团从乌克兰引进的2台薄煤层螺旋钻采煤机（适用于0.6-0.9的薄煤层），在传统开采方法无法开采的薄煤层范围内取得了突破。

四、薄煤层开采技术发展趋势
薄煤层比中厚煤层经济效益差的现实，决定了其开采技术及装备的相对滞后，尤其受条件影响，设备的安装、检修、操作等均受到很大的限制。

此外，薄煤层生产能力低，单产水平低，巷道消耗率高、接替紧张等特点使得设备难以进行有效开采，部分条件极为复杂的薄煤层只能弃而不采，资源损失严重。

实现薄煤层安全高效开采，根本出路在于机械化。

当前，开采技术和设备重要性凸显，尤其对中小矿井而言，精选适合薄煤层开采的液压支架、采煤机、运输机等“三机”配套设备，大功率、重型化、小体积和高可靠性的设备，实现工作面的自动化操作和控制是恰当的是实现矿井增产增效的有效手段。

五、高效掘进与支护技术现状
（一）煤巷高效掘进技术
20世纪80年代以来，我国对矿井设计进行了改革，取消了岩石集中巷布置方式，将开拓巷道和采准巷道布置在煤层中，增加了煤巷在井巷工程中的比例。

目前，煤矿掘进巷道中大量的是煤巷，约占总掘进巷道工程量的70％左右。

我国煤巷高效掘进方式主要有3种：第1种是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机，它适应范围广；第2种是连续采煤机与锚杆钻车配套作业线，在我国神东、万利等矿区及鄂尔多斯地区进行了推广应用，主要掘进机械为连续采煤机，它需要多巷掘进，交叉换位施工；第3种是掘锚机组掘锚一体化掘进，仅在一些矿区进行了使用，目前处于试验阶段。

1.煤巷综合机械化掘进
煤巷综合机械化掘进由悬臂式掘进机、转载机、可伸缩带式输送机（或刮板输送机）、单体锚杆钻机、通风除尘设备及供电系统等设备组成。

悬臂式掘进机是煤巷综合机械化掘进的关键设备，掘进机的性能对于提高掘进工效和掘进进尺具有重要作用。

我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20世纪60年代，以30～50kW的小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。

80年代初期，为适应煤矿机械化生产发展的需要，我国引进了AM50型、S-100型掘进机两种为代表的机型，对发展我国综掘机械化起到了推动作用。

同时，国内加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。

经过近30年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20多种型号的掘进机，初步形成系列化产品。

2.大断面煤巷连续采煤机高效掘进
连续采煤机是一种具有较大截割宽度的集落煤、装运及行走为一体的综合机械化掘采设备，在国外广泛应用于矩形断面的双巷或多巷快速掘进，以及短壁开采，已成为现代高产高效矿井的重要设备。

我国引进连续采煤机始于1979年，迄今为止大体经历了单机和成套设备引进两个阶段。

目前我国神东公司、晋城煤业、万利公司、晋神公司、鲁能集团、伊东公司及伊泰公司等矿区使用连续采煤机近60余台，用于大断面煤巷的掘进和短壁开采。

连续采煤机掘进工作面设备配置按工作面运输方式一般分为两种：一种是间断式运输方式，工作面配置为连续采煤机、运煤车或梭车、给料破碎机、锚杆钻车、铲车及胶带输送机；另一种是连续运输方式，工作面配置为连续采煤机、锚杆钻车、连续运输系统、铲车及胶带输送机。

连续采煤机在大断面煤巷掘进时，连续采煤机与锚杆钻车采用交叉换位作业方式，连续采煤机在运输巷道掘进的同时，锚杆钻车正在回风巷道进行锚杆支护作业，当连续采煤机完成一个掘进循环时，与锚杆钻车交换位置。

为满足机器调动和运输的要求，两条巷道之间每隔50m掘一条联络巷。

3.掘锚机组掘锚一体化掘进
为了实现煤巷快速高效掘进，适应锚杆支护技术的快速发展，世界主要采煤国的快速掘进装备在不断的发展，掘锚机组是适用于高产高效矿井煤巷高效掘进的掘锚一体化设备，是在连续采煤机或悬臂式掘进机的基础上发展的一种新型掘进机型。

掘锚机组是将掘进与支护有机地组合起来，减少掘进与支护设备的换位作业时间，在同一台设备上完成掘进和支护工艺。

目前，掘锚机组主要两种：一
种是以连续采煤机为基础的掘锚机组；另一种是悬臂式掘进机机载锚杆机的掘锚机。

（二）半煤岩巷高效掘进技术
我国煤矿除煤巷外还有大量的半煤岩巷道需要掘进，主要为薄煤层以及2.0m以下中厚煤层巷道，约占总掘进工程量的20％左右。

半煤岩巷道是指在掘进断面中，岩石面积占断面面积的20％～80％的巷道。

我国重点煤矿半煤岩巷的掘进基本上采用半煤岩悬臂式掘进机机械化作业线，半煤岩掘进机以中型和重型机为主，截割功率在120kW以上，机重在35t 以上。

煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进机以EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及S150J型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的80％以上。

掘进机在半煤岩巷道掘进机过程中由于岩石所占比例大，在机器选择时主要考虑以下几个方面：
1机重大、重心低、工作稳定性好；
2破岩能力强，截齿单刀力大；
3元部件可靠性高；
4系统简单可靠，便于维护。

煤科总院太原研究院研制的EBJ(EBZ)系列半煤岩巷掘进机，采用大、小截割头2种配置方式，大截割头适应煤巷高效掘进，小截割头适应半煤岩巷掘进。

EBJ-120TP 型小截割头平均截齿单刀力在4 500N以上，EBZ160TY小截割头平均截齿单刀力甚至达到了8 000N，截齿单刀力大，保证了破岩能力，真正满足岩石硬度为f＝6～8半煤岩巷的掘进。

对重型大功率掘进机来说，当截割煤层时，因截割阻力较小，这时需要提高截割速度来提高生产率；当截割岩石时，截割阻力较大，为避免截割电机过载，同时也为减少截齿损耗，这时应降低截割速度，同时增大截割单刀力。

EBZ160TY 型掘进机采用恒功率双速截割电机，这种方式调速方便，且高、低速时电机功率恒定不变，低速时单刀力增大一倍，是同类机型的1.5～2倍，整机截割能力明显加强。

（三）岩巷高效掘进技术
目前，国内岩巷施工仍以钻爆法为主，岩巷悬臂式掘进机在我国正在进行试验。

以钻爆法为主的岩巷机械化作业线，主要有二种，一种是气腿式凿岩机配耙斗式或铲斗式装岩机作业线；另一种是全液压钻车配侧卸装岩机作业线。

第一种在我国应用较多，掘进速度一般为60～70m/月。

第二种在我国应用较少，据统计，2005年全国重点煤矿全液压钻车在用台数为27台，掘进进尺为6 200m。

六、结束语
我国经过了几十年的发展的煤炭工业已日臻成熟，特别是巷道系统布置和中厚煤层开采技术，但是薄煤层的开采比起厚煤层、特厚煤层的开采技术是非常薄弱的，而且我国的煤层储量很大的是薄煤层，并且煤质也特别好，跟重要的薄煤层资源在我国分布很广泛。

现在，开采成本日益增高的，日益紧缺的煤炭资源，就需要研究出高效高产的开采薄煤层的技术。

这要就可以利用延长矿井的开采寿命和保护煤炭资源，这样就可以让我国在能源工业的发展上迈进了一大步，并具有很大的意义。