劉俊峰

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

檸條塔礦井位于神木縣孫家岔鎮(zhèn)境內(nèi)，是神府礦區(qū)南區(qū)總體規(guī)劃確定的千萬噸級特大型現(xiàn)代化礦井［1］。井田面積135.1km2。井田分兩個水平開采，一水平開采1－2，2－2，3－1號煤。為了高效開采2－2厚煤層，必須首先開采上覆1－2較薄煤層。1－2較薄煤層厚度0.93～2.06m之間，平均厚度1.47m。為保證煤炭采出率，現(xiàn)有采煤機綜采機組采高范圍為1.5～2.1m，對于0.93～1.5m的煤層，采煤機開采需要大量截割矸石，嚴重影響開采效率和設(shè)備的正常使用［2］。為提高較薄煤層的開采效率，取得更好的技術(shù)經(jīng)濟效益，對厚度0.93～1.5m較薄煤層進行刨煤機開采技術(shù)經(jīng)濟分析。

1 1－2較薄煤層特點及其應(yīng)對措施

采用刨煤機開采，對于檸條塔煤礦1－2較薄煤層主要有如下幾個特點:一是煤層可刨性較差，煤層硬度系數(shù)2.5～3，煤層節(jié)理不發(fā)育;二是埋深較淺，礦山壓力顯現(xiàn)明顯，液壓支架需要較高的支護強度;三是煤層厚度變化較大，要求采高調(diào)節(jié)范圍增加。

針對上述特點，刨煤機開采提出如下應(yīng)對措施:一是增加刨煤機功率，根據(jù)可刨性測試，將刨煤機的牽引功率增加到2×1000kW，并采用變頻電機，通過調(diào)節(jié)速度和刨深來保證工作面正常開采;二是增加液壓支架工作阻力，將液壓支架中心距調(diào)整為1.75m，以滿足工作面支護強度的要求;三是合理安排刨煤機工作面的位置，盡量減小工作面采高的調(diào)節(jié)范圍，同時設(shè)計刨煤機自動調(diào)高裝置，提高刨煤機對開采高度的適應(yīng)性［3－5］。

2 刨煤機開采方案

通過合理設(shè)計，確定刨煤機開采工作參數(shù)如表1所示。

表1 刨煤機開采工作面參數(shù)

刨煤機技術(shù)參數(shù)見表2。

淺埋深煤層由于基巖較薄和上覆沙土層載荷較大，容易出現(xiàn)“短砌體梁”和“臺階巖梁”結(jié)構(gòu)。同時，由于關(guān)鍵層和直接頂?shù)淖云胶庾饔?，以及沙土層的傳遞時間效應(yīng)，確定支護強度的適用公式為［6］:

表2 刨煤機技術(shù)參數(shù)

式中，l1為基本頂長度，18m;L為控頂距離，5m;Hk為基本頂巖層厚度，3.7m;Hz為直接頂巖層厚度，4.8m;ρ為基本頂巖層密度，kg/m3;ρ'為直接頂巖層密度，kg/m3。

計算得:F=0.8588(MPa)

要求支架支護強度大于0.8588MPa。由此選擇液壓支架型號為ZY10000/08/18型掩護式液壓支架。

3 刨煤機開采生產(chǎn)能力計算

刨煤機工作面的產(chǎn)量主要是根據(jù)煤層厚度和煤層硬度來確定的，煤質(zhì)較硬，則刨深需相應(yīng)減小，以適應(yīng)煤層硬度。而刨深的減小則直接影響到刨煤機產(chǎn)量。

3.1 刨煤機小時生產(chǎn)能力Qb

式中，H為工作面采高，平均1.5m;vb為刨煤機平均刨速，平均1.9m/s;h為刨煤機的刨深，平均0.04m;γ為煤的密度，取1.3t/m3;k為回收率。

3.2 刨煤機日生產(chǎn)能力Qd

式中，Qd為工作面日生產(chǎn)能力，t;H為刨煤機每天工作時間，16h;K為開機率，70%。

3.3 刨煤機年生產(chǎn)能力Qy

式中，D為年工作日，300d。

刨煤機能夠?qū)崿F(xiàn)年產(chǎn)1.8Mt的目標。

4 刨煤機開采經(jīng)濟分析

和采煤機相比，刨煤機開采的經(jīng)濟優(yōu)勢主要表現(xiàn)在3個方面:一是塊煤率高，以檸條塔礦為例，采煤機開采的塊煤率在30%左右，刨煤機開采的塊煤率在55%左右，塊煤率的增加可提高煤炭價格和利潤;二是工作面人員減少，刨煤機開采工作面人員由采煤機綜采隊的122人減少為98人;三是刨煤機開采高度降低，割矸量減少。刨煤機與采煤機采煤收益比較見表3。具體量化指標分析如下:

(1)塊煤率提升，額外增收8150萬元/a。

依靠刨刀對煤壁形成的靜壓力將煤刨落，避免了采煤機滾筒落煤裝煤造成的二次破碎，20mm以上的塊煤占50%～60%。

表3 刨煤機與采煤機采煤收益對比

(2)因矸石減少而減少開采成本2239.58萬元/a。

刨煤機可在煤層內(nèi)開采，避免了因設(shè)備幾何尺寸原因?qū)е碌牟身?、底板帶來的矸石，含矸率平均?%左右，而采煤機含矸率平均在10%左右。

因矸石減少而減少開采成本=Qy· ((1－P1)－(1－P2))Q1=2239.58(萬元/a)。

式中，Qy為年產(chǎn)量，200×104t;P1為刨煤機開采含矸率，%;P2為采煤機開采含矸率，%;Q1為原煤開采成本，159.97元/t。

(3)因矸石減少而節(jié)約運輸成本42萬元/a。

因矸石減少而節(jié)約的運輸成本=Qy((1－P1)－(1－P2))Q2=42(萬元/a)。

式中，Q2為矸石運輸成本，3元/t。

(4)人工成本降低288萬元/a。

工作面生產(chǎn)實行“三八”制的作業(yè)形式，即兩班生產(chǎn)，一班檢修，有效工作時間為8h。勞動組織形式為:每班至少有1名跟班副隊長、班長負責組織安全生產(chǎn)，配有質(zhì)量驗收員、采煤機司機、支架工、電工、馬蒂爾司機、刮板輸送機司機、端頭維護工、膠帶工、技術(shù)員等，全隊合計122人。刨煤機同等條件下僅需98人，節(jié)省24人，每年人員人均成本為12萬元，合計降低人工成本288萬元/a。

(5)因塊煤率提高導(dǎo)致洗選煤成本升高500萬元/a。

檸條塔礦規(guī)定所有塊煤均需洗后銷售，刨煤機成塊率較綜采成塊率高25%，故因塊煤率提高導(dǎo)致洗選煤成本升高。

塊煤率提高導(dǎo)致洗選煤提高成本=Qy(Kb－Kc) (Q3－Q4)=500(萬元/a)。

式中，Kb為刨煤塊煤率，%;Kc為采煤機塊煤率，%; Q3為塊煤洗選成本，元/t;Q4為末煤洗選成本，元/t。

(6)維修換件成本增加約2000萬元/a。

根據(jù)礦方給出的綜采每年700萬元左右維修換件成本換算，維修換件成本約占初始投資的5%，刨煤機刨頭速度高，工作面推進步距小，液壓支架操作頻繁，設(shè)備磨損折舊嚴重。若刨煤機維修換件成本也按占初始投資的15%計算，則刨煤維修換件成本每年增加2000萬元。

綜上可知，較采煤機開采，刨煤機開采每年可增加收入8219.58萬元。

5 刨煤機、采煤機開采比較

從經(jīng)濟性分析可知，對于檸條塔1－2煤層，刨煤機在1.6m煤層厚度以上經(jīng)濟效益基本沒有增加，采煤機在1.5m煤層厚度以上經(jīng)濟效益繼續(xù)增加;由于刨煤機沒有年產(chǎn)達到2.0Mt的先例，而采煤機具備年產(chǎn)3.0Mt的能力，考慮刨煤機年產(chǎn)2.0Mt、采煤機年產(chǎn)3.0Mt比較實際，以1.5m煤層厚度為界，低于1.5m煤層厚度時，刨煤機經(jīng)濟效益突出，大于1.5m煤層厚度時，采煤機經(jīng)濟效益突出。如圖1所示。

圖1 不同煤層厚度刨煤機、采煤機開采利潤比較

6 結(jié)論

從技術(shù)經(jīng)濟性分析可知，檸條塔 1－2煤層1.7m厚度以下工作面進行刨煤機開采，可實現(xiàn)年產(chǎn)1.8Mt的能力，且具備較好的經(jīng)濟效益。

［1］王 建.神府礦區(qū)薄煤層自動化開采工藝探析［J］.煤礦開采，2013，18(3):30－32.

［2］吳興利，王國法，劉俊峰.大同堅硬煤層條件下自動化刨煤機系統(tǒng)研究與實踐［A］.煤炭科學(xué)研究總院北京開采所.建所50周年論文集——地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實踐新進展［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［3］王金華.煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀及前瞻 ［J］.煤炭企業(yè)管理，2004(1):31－34.

［4］郭玉輝，王 赟.淺談薄煤層開采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.煤礦開采，2012，17(1):1－3.

［5］毛德兵，藍 航，徐 剛.我國薄煤層綜合機械化開采技術(shù)及其新進展［J］.煤礦開采，2011，16(3):11－14.

［6］鹿志發(fā).淺埋深煤層頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)與支架適應(yīng)性研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2007.