高云峰

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西省太原市，030006)

?

連續(xù)采煤機(jī)在露天煤礦端幫安全開采的應(yīng)用研究

高云峰1,2

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市，030006； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西省太原市，030006)

介紹了端幫采煤機(jī)和端幫開采技術(shù)工藝，為了解決我國露天煤礦端幫經(jīng)濟(jì)和安全開采技術(shù)難題，太原研究院研究了使用連續(xù)采煤機(jī)對露天煤礦端幫進(jìn)行開采，分析了連續(xù)采煤機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和端幫開采的工程應(yīng)用，最后闡述了連續(xù)采煤機(jī)端幫開采的前景展望。

露天煤礦 邊坡開采 連續(xù)采煤機(jī) 端幫采煤機(jī)

1 端幫采煤機(jī)概述

目前，大多端幫開采由端幫采煤機(jī)開采，端幫采煤機(jī)基本使用的都是美國生產(chǎn)的SHM端幫采煤機(jī)，SHM端幫采煤機(jī)體積龐大，高為9.3 m,寬為10.3 m,長為20.2 m，整機(jī)重量不包括截割頭部分就重達(dá)213825 kg。SHM端幫采煤機(jī)主要由基架、液壓動力站、旁側(cè)卸載機(jī)、前承重梁、后承重梁、鎧裝圓盤、推板增減機(jī)構(gòu)、推進(jìn)臂、電氣控制模塊、液壓系統(tǒng)、操控室、截割頭模塊、重型履帶行走裝置、移動變壓器等組成。

SHM端幫采煤機(jī)對電力需求較大，整套系統(tǒng)僅電機(jī)部分就有1臺水噴射泵電機(jī)、1臺空氣壓縮電機(jī)、2臺截割電機(jī)、2臺收集電機(jī)、1臺水循環(huán)泵電機(jī)、1臺液壓油循環(huán)泵電機(jī)、2臺平行螺旋鉆電機(jī)、1臺液壓泵電機(jī)、1臺基礎(chǔ)傳送電機(jī)、1臺右側(cè)角傳送電機(jī)、1臺堆垛鏈動電機(jī)以及4臺冷卻系統(tǒng)電機(jī)等多達(dá)18臺電機(jī)組成，總功率高達(dá)1525 kW，供電方式可以選擇通過一個移動變電站從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電，也可以選擇SHM自己設(shè)計的柴油發(fā)電機(jī)組供電。SHM端幫采煤機(jī)可采煤層厚度范圍為0.76～5.5 m，采硐深度最大可達(dá)300 m。按照美國的采礦運(yùn)行制度(每天兩班)，開采0.8 m左右的薄煤層，月產(chǎn)量可達(dá)6～9萬t，開采1.5 m左右的中薄煤層月產(chǎn)量可達(dá)9～12萬t，開采3 m左右的中煤層月產(chǎn)量可達(dá)10～15萬t，每班僅需3～4人，開采效率極高。

使用端幫采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是引進(jìn)整機(jī)系統(tǒng)價格較高(近億元)，目前，國內(nèi)露天礦還沒有采用SHM端幫采煤機(jī)進(jìn)行開采，在國內(nèi)應(yīng)用基本是空白。但我國露天煤礦基本現(xiàn)狀是幾乎所有的端幫都由于剝采比太高、經(jīng)濟(jì)性不滿足要求而大量壓煤，由于無法開采基本屬于廢棄資源，為了減少資源浪費(fèi)，推行綠色開采，依據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)煤機(jī)裝備技術(shù)現(xiàn)狀，有必要研究使用其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)行端幫開采應(yīng)用研究。

2 端幫開采技術(shù)工藝

使用端幫采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采和使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采雖然設(shè)備不同，但基本工藝是相同的。SHM端幫采煤機(jī)開采工程應(yīng)用已經(jīng)很成熟，基本應(yīng)用條件是開采水平或者近水平煤層，基本用于開采煤層傾角8°以內(nèi)，煤層頂?shù)装鍡l件要求比較高，巖層穩(wěn)定不破碎，滲水少，瓦斯含量低。

無論端幫采煤機(jī)還是連續(xù)采煤機(jī)開采都是探入式開采，采硐之間需留設(shè)一定寬度的支撐煤柱，一般根據(jù)工程地質(zhì)條件采硐間需要留設(shè)1～3 m寬度的煤柱，具體參數(shù)需要根據(jù)計算所得，同時每采3～10個采硐需要留設(shè)一個4～8 m寬度的大煤柱，具體根據(jù)邊坡穩(wěn)定性要求和工程地質(zhì)條件綜合確定。雖然留設(shè)不同形式的煤柱但是回采率仍然不低，采1 m厚度的薄煤層露頭煤回采率可高達(dá)80%以上。根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)例來看，采不同厚度和不同賦存深度的煤層回采率變化較大，在賦存深度百米范圍內(nèi)，回采率隨賦存深度的增加基本呈線性降低，隨煤層厚度的增加而降低，基本規(guī)律見圖1。

圖1 端幫開采回采率變化規(guī)律

3 連續(xù)采煤機(jī)端幫開采應(yīng)用

3.1 國內(nèi)連續(xù)采煤機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國連續(xù)采煤機(jī)研究相對落后，從20世紀(jì)90年代末才開始連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)及配套設(shè)備的開發(fā)工作。90年代以煤炭科學(xué)研究總院太原研究院為首的煤機(jī)生產(chǎn)科研單位與神東公司合作，在消化吸收國外先進(jìn)短壁開采裝備的基礎(chǔ)上，逐漸開始研制國產(chǎn)短壁成套開采裝備。相繼研制出XZ系列履帶行走式液壓支架、LY系列連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、CMM系列四臂錨桿鉆車、GP系列給料破碎機(jī)、WD13梭車等短壁開采配套設(shè)備，隨著2007年國內(nèi)首臺EML340型連續(xù)采煤機(jī)的問世，我國已經(jīng)具備生產(chǎn)連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采成套裝備的能力，同時使煤炭科學(xué)研究總院太原研究院成為國內(nèi)第一個開發(fā)出連續(xù)采煤機(jī)的企業(yè)。

3.2 國內(nèi)端幫開采工程應(yīng)用

目前國內(nèi)有4家露天煤礦曾經(jīng)試驗(yàn)或正在進(jìn)行端幫開采，霍林河露天煤礦采用的是仿制的端幫采煤機(jī)，由于開采的是露頭煤，屬于風(fēng)氧化煤，煤巖層過軟導(dǎo)致壓覆端幫采煤機(jī)而失敗；烏蘭礦業(yè)集團(tuán)特拉布拉露天煤礦比較特殊，它使用的是橫軸的掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)加后配套而成的一套體系進(jìn)行端幫開采，效率更低，年產(chǎn)量只有15萬t；鄂爾多斯上灣地區(qū)烏蘭露天煤礦在2011年就已經(jīng)開始試驗(yàn)進(jìn)行端幫開采，但采用的不是端幫采煤機(jī)而是以太原院連續(xù)采煤機(jī)為基礎(chǔ)加后配套而成一套體系，基本價格在1200萬元左右(刨除研發(fā)費(fèi)用)，以目前產(chǎn)能來看日產(chǎn)量最高可達(dá)3000 t，但是由于設(shè)備后配套相對落后，效率較低，同時連續(xù)采煤機(jī)本身可靠性較差，系統(tǒng)整合能力也較差，冷卻系統(tǒng)能力低，開機(jī)率較低，月平均產(chǎn)量只有3萬t左右。由于該礦煤質(zhì)較好，售價500元/t，每個班組3～4人，無支護(hù)，開采成本較低，整套設(shè)備投資下來僅需開采近一個月就能將成本全部回收，這一點(diǎn)對各大露天煤礦企業(yè)來說誘惑力極大。

3.3 五彩灣露天煤礦端幫開采

新疆五彩灣露天煤礦東端幫有壓覆煤炭資源，為了保證采端幫煤不致滑坡，在進(jìn)行開采之前對東端幫重新進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性評價，在進(jìn)行設(shè)計前選取典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，初步了解目前端幫穩(wěn)定性情況，穩(wěn)定性系數(shù)在1.8以上，有余力進(jìn)行端幫開采可行性分析。在留設(shè)支撐煤柱下開采煤層會大大降低穩(wěn)定性系數(shù)，經(jīng)過計算，在采硐間留設(shè)煤柱1.5 m，5個采硐間留設(shè)6 m大煤柱情況下，穩(wěn)定性系數(shù)在1.16以上。東幫采掘平面圖如圖2所示 ，開采前邊坡穩(wěn)定性情況如圖3所示，開采情況下邊坡穩(wěn)定情況如圖4所示。

圖2 東端幫工程平面圖

圖3 開采前邊坡穩(wěn)定性情況

圖4 開采情況下邊坡穩(wěn)定情況

為了保證在進(jìn)行端幫開采時不致滑坡壓覆設(shè)備，考慮到剛體極限平衡計算時沒有融入變形影響，又是二維模型計算，為了計算的準(zhǔn)確性，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行三維建模評價，采用的計算指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)計算指標(biāo)

三維模型共建立20356個單元，32541個節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過分析計算，沒有產(chǎn)生大范圍滑坡，三維計算模型如圖5所示，位移矢量圖如圖6所示，最大位移圖如圖7所示，剪切應(yīng)變增量圖如圖8所示。

從圖6和圖7可以看出，大范圍滑坡不會發(fā)生，不會因滑坡而導(dǎo)致壓覆設(shè)備，僅有局部片幫。從圖8可以看出，主要是因?yàn)橥翆涌辜魪?qiáng)度太小而發(fā)生的局部片幫，煤層抗剪強(qiáng)度大沒有發(fā)生片幫，片幫屬于正?，F(xiàn)象。

圖5 三維計算模型

圖6 位移矢量圖

在五彩灣露天煤礦開采方案確定后，使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采，以1臺JOY12連續(xù)采煤機(jī)為核心，該系統(tǒng)主要構(gòu)成是采煤系統(tǒng)、二次運(yùn)輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、全景監(jiān)控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等構(gòu)成。由于JOY12故障率較低，生產(chǎn)效率較高，2煤煤層平均厚度為3.5 m，月最高產(chǎn)量可達(dá)6萬t，平均月產(chǎn)量可達(dá)5.1萬t。

圖8 剪切應(yīng)變增量圖

4 連續(xù)采煤機(jī)端幫開采前景展望

目前，國內(nèi)使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采應(yīng)用較少，太原院是國內(nèi)第一個開發(fā)出連續(xù)采煤機(jī)的企業(yè)，目前技術(shù)已經(jīng)比較成熟。鄂爾多斯上灣地區(qū)烏蘭露天煤礦早在2011年就已經(jīng)使用太原院生產(chǎn)的EML340連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采，經(jīng)過5 a的磨合和不斷的技術(shù)改進(jìn)，烏蘭露天煤礦與太原院已經(jīng)合作共同開發(fā)邊坡連續(xù)采煤機(jī)，樣機(jī)已經(jīng)試制完成，取得安標(biāo)即可生產(chǎn)銷售。該邊坡連續(xù)采煤機(jī)基于EML340，主要針對此前開機(jī)率低、缺乏冷卻系統(tǒng)、機(jī)尾連接件抗拉強(qiáng)度低、缺乏全景監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)能力低等主要問題進(jìn)行了改進(jìn)，可靠性將大大增強(qiáng)，生產(chǎn)效率將大幅提高。

我國的露天煤礦端幫壓煤非常普遍，壓覆煤炭資源較大。神華集團(tuán)寶日希勒露天礦地處呼倫貝爾草原中部，1998年9月12日正式開工建設(shè)，地質(zhì)儲量為7600萬t，近年年產(chǎn)量超過千萬噸，資源開采強(qiáng)度較大，端幫壓煤量大，在資源尤為寶貴的今天，端幫壓煤開采極為必要；國電平莊煤業(yè)蒙東能源集團(tuán)公司地處錫林郭勒盟錫林浩特市，因其旗下下轄多個露天煤礦，尤其是內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特地區(qū)勝利煤田所屬勝利西二號露天煤礦東西端幫壓煤，且西端幫曾經(jīng)滑坡大量壓煤；勝利煤田所屬烏蘭圖嘎煤礦鍺坑西端幫大量壓煤，煤層中含有鍺，鍺的價格高于1萬元/kg，價值非常高，但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因無法使用端幫采煤機(jī)開采，由于考慮當(dāng)前一套完整的端幫采煤機(jī)需要投資近億元，以目前蒙東能源公司經(jīng)濟(jì)狀況無法使用端幫采煤機(jī)開采，如果使用中國煤炭科工太原煤科院生產(chǎn)的邊坡連續(xù)采煤機(jī)開采整套設(shè)備下來估計僅在1500萬元左右，應(yīng)用前景較好；同屬勝利煤田東二號露天煤礦(大唐錫林浩特礦業(yè)有限公司所屬后被神華收購)存在部分端幫壓煤，目前由于該礦主要問題是煤層最厚處超過200 m，存在高大煤質(zhì)邊坡對生產(chǎn)帶來很多不利影響；同屬勝利煤田神華北電勝利公司由于開發(fā)較早且存在自己的電廠，經(jīng)濟(jì)條件較好，端幫也存在壓煤情況，使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行開采技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)可行；平莊煤業(yè)集團(tuán)公司所屬元寶山露天煤礦也存在端幫壓煤情況，元寶山露天煤礦使用半連續(xù)開采工藝，技術(shù)水平相對較高，使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行開采具備一定的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)；平莊煤業(yè)集團(tuán)所屬的白音華一號露天煤礦，地處內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市西烏珠穆沁旗白音華鎮(zhèn)，2012年時年產(chǎn)量就已經(jīng)突破1000萬t，目前煤價上漲煤炭銷售剛由虧損轉(zhuǎn)入盈利階段，經(jīng)濟(jì)條件轉(zhuǎn)好，也存在端幫壓煤情況，該礦具備使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件；與其相鄰的白音華二號露天煤礦和白音華三號露天煤礦隸屬于中電投，也存在端幫壓煤情況，尤其是白音華二號露天煤礦2012年1月8日端幫發(fā)生大規(guī)?；聦?dǎo)致大量壓煤；相鄰的阜新礦業(yè)集團(tuán)公司所屬白音華四號露天煤礦也存在端幫壓煤情況；同屬西烏珠穆沁旗，在吉林郭勒鎮(zhèn)有吉林郭勒二號露天煤礦(錫林郭勒盟政府、遼寧春成工貿(mào)有限公司、遼寧鐵法煤業(yè)集團(tuán)公司三家共營單位，鐵法控股)，目前也存在端幫壓煤；神華準(zhǔn)能黑龍江寶清露天煤礦、鄂爾多斯黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦也存在端幫壓煤情況；大唐尹敏露天煤礦和伊蘭露天煤礦也同樣存在端幫壓煤。

在太原煤科院所屬山西境內(nèi)僅河曲梁家磧露天煤礦端幫壓覆煤炭資源就將近1000萬t。為了盡可能地減少端幫煤炭資源浪費(fèi)，各露天煤礦普遍做法就是盡可能提高端幫邊坡角，通過犧牲邊坡穩(wěn)定性降低剝采比來采端幫煤，邊坡角可達(dá)30°以上，但從根本上無法改善端幫大量壓煤狀況，使用邊坡連續(xù)采煤機(jī)可大大改善這種狀態(tài)。

5 結(jié)語

連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行端幫開采技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)可行，符合我國國情，能夠大大減少資源浪費(fèi)，減少占用土地，減輕排土場排棄壓力。

連續(xù)采煤機(jī)運(yùn)用于我國露天端幫開采通常需要對邊坡進(jìn)行放緩設(shè)計，運(yùn)用合理的剛體極限平衡分析法結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)能夠確定最優(yōu)煤柱留設(shè)寬度。連續(xù)采煤機(jī)端幫開采使用前景非常廣闊，但是目前應(yīng)用不多，主要原因是邊坡連續(xù)采煤機(jī)使用仍有一定的局限性，對頂?shù)装逡筝^高，國產(chǎn)設(shè)備可靠性較差，開機(jī)率較低，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

[1] 金毅.連續(xù)采煤機(jī)工藝系統(tǒng)設(shè)備配套分析[J].中國煤炭，2007(8)

[2] 南世卿,任鳳玉,宋愛東.露天轉(zhuǎn)地下開采過渡前期高效開采方案研究[J].中國礦業(yè), 2012(S1)

[3] 馬明,侯星野,周杰.露天煤礦排土場邊坡參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭技術(shù)，2014(10)

[4] 李洪,耿獻(xiàn)文,朱學(xué)軍.區(qū)段煤柱寬度的實(shí)測確定[J].礦山壓力與頂板管理，2005(1)

[5] 趙國旭,謝和平,馬偉民.寬厚煤柱的穩(wěn)定性研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2004 (1)

[6] 曹芳智,黃晨.基于地層結(jié)構(gòu)分析的露天煤礦邊坡角優(yōu)化[J].煤炭技術(shù),2014(11)

[7] 馮夏庭,林韻梅.巖石力學(xué)與工程專家系統(tǒng)研究新進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1995(1)

[8] 周科平,劉東宇.加拿大露天采礦合作研究方向[J].世界采礦快報,1996(8)

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining

Gao Yunfeng

(1. Taiyuan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan, Shanxi 030006, China; 2.Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Equipment Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030006, China )

The author introduced end slope miner and end slope mining technology, and in order to solve the technological problem of end slope's economical and safe mining in China open-pit mine, Taiyuan Research Institute researched continuous miner open-pit end slope mining, analyzed development state and engineering application of continuous miner in domestic end slope mining, and elaborated prospect forecast of continuous miner in end slope mining.

open-pit mine, side slope mining, continuous miner, end slope miner

國家自然科學(xué)基金(U1361130)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(3142015021，3142015124，3142015119)

高云峰.連續(xù)采煤機(jī)在露天煤礦端幫安全開采的應(yīng)用研究[J].中國煤炭，2017，43(3)：74-77，119. Gao YunFeng. Research on application of continuous miner in open-pit slope sides mining[J].China Coal，2017，43(3)：74-77，119.

TD4.65

A

高云峰(1981-),男，山東煙臺人，助理研究員，現(xiàn)就職于中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院，主要從事短壁開采工藝及巷道支護(hù)等技術(shù)研究及管理工作。