资源描述：
第4 6 卷第l 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ．2 0 2 l 我国连续采煤机短壁机械化开采技术发展 4 0a 与展望 张彦禄1 ’2 ，王步康3 ，张小峰3 ，李发泉3 1 ．煤炭科学研究总院，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．中国煤炭科工集团，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原0 3 0 0 0 6 摘要连续采煤机短壁机械化开采技术在提高煤炭资源采出率、促进我国煤炭工业高质量发展等 方面发挥着重要作用。改革开放以来，我国连续采煤机短壁机械化开采技术实现了“由弱到强”的 发展历程，依靠相关技术与装备科技的创新，支撑着煤炭资源采出率持续提升。首先从煤柱及不规 则块段开采、“三下”压煤开采、露天边帮压煤回收、中小煤矿采煤机械化升级改造和延长矿井服务 年限等方面，全面系统阐述了我国煤炭工业对短壁开采的技术需求，并系统回顾和总结了连续采煤 机短壁机械化开采的工艺、理论及装备的发展历程。工艺方面，连续采煤机短壁采煤法从房柱式发 展到旺格维利式，再到以块段式采煤为代表的现代房柱式采煤法，形成了具有中国特色的短壁机械 化开采技术体系。从回采方式、通风方式和顶板管理等方面总结了3 种工艺的特点，并指出块段式 采煤是短壁开采的高级阶段。理论方面，从短壁开采的煤柱稳定性、地表沉陷控制、顶板控制等方 面总结了短壁开采理论的研究进展。装备方面，研制了连续采煤机、锚杆钻车、梭车、连续运输系 统、给料破碎机、履带行走式液压支架、铲车、柔性连续运输系统等系列化、成套化的短壁机械化开 采装备，促进了煤矿短壁装备的国产化进程及其技术进步，形成了适应我国不同煤层赋存地质条件 和开采条件、具备自主知识产权的短壁开采装备体系，最后，分析了连续采煤机短壁机械化开采技 术发展过程中的问题，围绕煤矿智能化建设主题，提出了短壁开采技术的发展方向及建议。 关键词短壁机械化；连续采煤机；房柱式开采；旺格维利采煤；不规则块段 中图分类号T D 8 2文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 卜0 0 8 6 1 4 F o r 坶y e a r s ’d e V e l o p m e n t 锄df u t u r ep r o s p e c to nm e c h a I I i z e ds h o r t - w a l l m i I I i n gt e c h n o l o 斟、 l ，i t hc O n t i n u o 吣“玳ri nC h i 舱 Z H A N GY a n l u1 ”，W A N GB u k a n 9 3 ，Z H A N GX i a o 如n 9 3 ，UF 舀q u a n 3 1 ．饥f MC 缸f 鼢∞础，，埘豇u 抛，蹦两凡g1 0 0 0 1 3 ，饥讹；2 ．仇洳C ∞f 融，l n 如g yn 蒯魄f 删以，l gG r o 叩C o 俨r 口￡西凡， 弧凡gl o o O l 3 ，饥f M ； 3 ．仡0 懈，l 胍∞砒凰‘“眦c o ．，厶正，c f Mc 伽Z ‰ ，l o l c 0 彰口蒯E ，l g i n 钾矗，l gG r o 印C o ，p o 删洳，仡咖m ，l0 3 0 0 0 6 ，傩i 胍 A b s t r a c t T h em e c h a n i z e ds h o r t - w a l lm i n i n gt e c h n o l o g yw i t hc o n t i n u o u sm i n e rp l a y sa ni m p o n a n tr o l ei ni m p m V i n gt h e r e c o v e r yr a t eo fc o a la n dp m m o t i n gt h eh i g h - q u a l i t yd e v e l o p m e n to fc o a li n d u s t r y ．s i n c eC h i n a ’sr e f o ma n do p e n i n g u pt ot h eo u t s i d ew o r l d ，t h em e c h a n i z e ds h o r t - w a l lm i n i n gt e c h n o l o g yh a sa c h i e v e d ah i s t o r i c a la c h i e v e m e n tf } o m “n o t l l i n gt oe x i s t e n c e ”t o “f 而mw e a kt os t r o n g ”．R e I y i n go nt h er e l e v a n tt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tt e c h n o l o g i c a li n - n o V a t i o no fc o n t i n u o u sm i n e r ，t h er e s o u r c e sr e c o v e r yr a t ei ss u p p o n e d ．F i r s to fa l l ，f 而mt h ec o a lp i l l a ra n di r r e g u l a r 收稿日期2 0 2 0 1 0 一1 5修回日期加2 0 一l I 一2 6责任编辑郭晓炜D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk j ．j c c s ．2 0 2 0 ．1 6 3 2 基金项目山西省科技重大专项资助项目 2 0 1 8 I 1 0 2 0 2 7 ；山西省科技成果转化引导专项资助项目 2 们7 0 4 D 1 3 1 0 1 1 作者简介张彦禄 1 9 “一 ，男，黑龙江勃利人，研究员。E m a i l z h a n g y ∞I u c c t e 昏c n 通讯作者张小峰 1 9 8 3 一 ，男，江苏东台人，副研究员。E m a i l x i a o f e n g c u m t 1 6 3 ．c o m 引用格式张彦禄，王步康，张小峰，等．我国连续采煤机短壁机械化开采技术发展4 0a 与展望[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 I ，4 6 1 8 6 9 9 ． Z H A N GY a n l u ，W A N CB u k a n g ，Z H A N CX i a o f e n g ，e ta 1 ．F o n yy e a 阽’d e v e l o p m e n ta n dI ．u l u r ep r o s p e c to nm e c h a n i z e ds h o n w a l lm i n j n gl e c h n o l o 甜w i l hc o n t i n u o u sm i n e ri nc h j n a [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 1 8 6 9 9 ． 辫 移动阅读 万方数据 第l 期张彦禄等我国连续采煤机短壁机械化开采技术发展4 0a 与展望 b l o c km i n i n g ，t h ec o a lm i n i n gu n d e rb u i l d i n g s ，m i l w a y sa n dw a t e 卜b o d i e s ，e x p o s e ds i d ec o a lr e c o V e r y ，s m a l la n dm e d i - u m - s i z e dc o a lm i n i n gm e c h a n i z a t i o nu p g m d i n ga n de x t e n s i o no fm i n es e r v i c el i f e ，e t c ．，t 1 1 ed e m a n do fs h o n - w a l lm i n - i n gi nC h i n a ’sc o a li n d u s t r yi sc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l ye x p l a i n e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o g r e s so ns h o r t - w a Um i n i n gt e c h n o l o g y ，t h e o r ya n de q u i p m e n ti sr e v i e w e d ．I nt e n n so ft e c h n o l o g y ，t h es h o r t w a Um i n i n gh a sd e V e l o p e d f 而mr o o ma n dp i l l a rm i n i n gt oW o n g a w i l l im i n i n g ，a n dt h e nt om o d e mr o o ma n dp i l l a rm i n i n gm e t h o dr e p r e s e n t e db y b l o c km i n i n g ．E v e n t u a l l y ，t h em e c h a n i z e ds h o r t w a l lm i n i n gt e c h n o l o g ys y s t e mw i t hC h i n e s ec h a r a c t e r i s t i c si sf o 珊e d ． T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e et e c h n o l o g i e sf 而mt h ea s p e c t so fm i n i n gm o d e ，v e n t i l a t i o nm o d ea n dm o f m a n a g e m e n t a r es u m m 撕z e dr e s p e c t i v e l y ，a n di ti sc o n c l u d e dt h a tt h eb l o c km i n i n gi st h ea d v a n c e ds t a g eo fs h o n - w a Um i n i n g ．I n t h ea s p e c to ft h e o r y ，t h er e s e a r c hp r o g r e s so fs h o n - w a Um i n i n gt h e o r yi ss u m m 撕z e df 而mc o a lp i l l a rs t a b i l i t y ，s u r f a c e s u b s i d e n c ec o n t m la n dr o “c o n t r 0 1 ．I nt e m so fe q u i p m e n t ，t h ec o m p l e t es e t so fs h o r t w a Um i n i n ge q u i p m e n ta r ed e v e l - o p e d ，s u c ha sc o n t i n u o u sm i n e r ，b o l t e r ，s h u t t l ec a r ，c o n t i n u o u sc o n v e y o rs y s t e m ，f e e d i n gc m s h e r ，m o b i l er o o fs u p p o r t w i t hc r a w l e rf h m e ，f 6 r k l i f t ，n e x i b l ec o n t i n u o u sc o n V e y o rs y s t e m ，e t c ．，w h i c hp r o m o t e st h en a t i o n a l i z a t i o np r o c e s sa n d t e c h n i c a lp r o g r e s so fs h o n - w a l le q u i p m e n ti nc o a lm i n ea sw e l la sf o 瑚sa ns h o r t - w a Um i n i n ge q u i p m e n ts y s t e mw i t h s o m ei n d e p e n d e n ti n t e U e c t u a l p r o p e r t yr i g h t st h a ta d a p td i f 亿r e n tg e o l o g i c a l a n dm i n i n gc o n d i t i o n so fV a r i o u sc o a l s e a m si nC h i n a ，F i n a l l y ，t h ep 印e ra n a l y z e st h ep r o b l e m si nt h ed e V e l 叩m e n to fs h o n w a l lm i n i n gt e c h n o l o g y ，a n dp u t s f o r w a r dt h ed e V e l o p m e n td i r e c t i o na n ds u g g e s t i o n so fs h o n - w a l lm i n i n gt e c h n o l o g ya m u n dt 1 1 et h e m eo fi n t e l l i g e n tc o n - s t l l J c t i o no fc o a lm i n e ． K e yw o r d s s h o r t - w a Um e c h a n i z a t i o n ；c o n t i n u o u sm i n e r ；r o o ma n dp i l l a rm i n i n g ；W o n g a w i l l ic o a lm i n i n g ；i r r e g u l a r b l o c k 煤炭是我国当前及今后相当长一个时期的主导 能源。依靠科技创新，发展工艺先进、生产效率高、资 源利用率高、安全保障能力强、环境保护水平高的先 进采煤技术将是煤炭行业发展的重大战略方向，也是 煤炭工业转型升级和高质量发展的核心技术支撑。 我国煤炭以井工开采为主，长壁综采技术的应用 使我国煤炭开采效率和安全水平显著提升，但同时开 采后遗留了大量的煤柱和残采煤区，此外，不规则块 段、“三下”压煤 建筑物下、铁路下和水体下 、边帮 压煤等资源因开采经济性、地表环境制约等因素不适 合长壁综采，据不完全统计，我国现有煤炭资源中只 有6 0 ％适合长壁综采，且采后遗留2 0 ％残采煤区和 煤柱，4 0 ％不适合长壁综采 其中1 7 ％为不规则块段 或地质构造较复杂煤层，均不具备长壁综采的条件； 2 3 ％属“三下”压煤 ⋯，如何有效回收上述煤柱、不 规则块段和“三下”压煤等资源已成为制约我国煤炭 资源采出率提升、实现煤炭安全绿色高效开采的瓶颈 问题。 连续采煤机短壁机械化开采技术 以下简称“短 壁开采技术” 是基于现代房柱式采煤法、使用连续 采煤机及其后配套装备进行煤炭开采的方法，具有采 掘合一、机动灵活、投资小、见效快、适应范围广等特 点，因短壁工作面布置较灵活，可实现“即进即退”机 械化回采，对断层、褶曲、陷落柱等构造的应变能力 强，因此，该技术适用于煤矿井下边角煤、“三下”压 煤和不规则块段开采B 。3J 。改革开放以来，我国先后 引进了多种连续采煤机短壁技术，并通过大量工艺改 进以提高该技术对我国多种地质条件的适应性，促进 了短壁开采技术的快速发展。1 9 7 9 年，同煤集团大 斗沟煤矿使用小松J O Y 公司1 2 C M l 8 型连续采煤机 进行刀柱式开采，年产量达3 5 万t ；2 0 0 1 年，神东上 湾煤矿推出连续采煤机、履带行走式液压支架、连续 运输系统配套使用的短壁开采技术，创造了月产原煤 1 2 ．6 万t 的新纪录【4 1 ；我国科研学者、技术人员围绕 短壁开采技术的发展前沿，结合我国煤炭开采实际需 求开展持续科研攻关，实现了机械化技术装备从全面 技术引进到自主研发制造的转变，在开采工艺、装备 研制和工程实践等方面取得重大进展，研发了适用于 不同煤层赋存条件的短壁技术与装备，形成了具有中 国特色的短壁开采技术体系。1 9 8 9 年，中国煤炭科 工集团太原研究院有限公司完成了国家“七五”攻关 项目“连续采煤机采煤方法研究”；2 0 0 8 年，国产首台 E M L 3 4 0 一2 6 ／4 5 型连续采煤机完成研制；2 0 1 0 年，国 产首套短壁机械化示范工作面在山西朔州中煤东坡 煤矿正式投产，最高月产原煤达8 0 2 万t 【5 1 ；2 0 2 0 年 4 月，国产首套露天边帮开采成套装备在鄂尔多斯金 正泰煤矿进行边帮压煤回收试验，实现了我国露天边 帮开采成套装备的“从无到有”；此外，“适合‘三下’ 及边角煤开采的短壁机械化采煤技术与设备”，“煤 矿遗留煤柱与不规则块段安全高效开采技术与装 万方数据 8 8 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 备”相继入选由中国煤炭工业协会发布的煤炭工业 推广应用先进技术目录。 为进一步完善和推广连续采煤机短壁机械化开 采技术，煤矿安全规程 2 0 1 6 版第1 1 6 条详细规 定了连续采煤开采在通风、防灭火、顶板管理等方面 的要求，但因对短壁开采技术认识不足、相关开采工 艺措施不健全等原因，我国短壁开采技术主要在陕蒙 地区进行了一定范围的推广，难以满足我国对煤炭资 源采出率的需求，甚至，一些煤矿以连续采煤机开采 为名，进行国家明令禁止的巷道式采煤，造成了重大 伤亡事故，使短壁开采技术推广陷入困境。基于此， 通过分析阐述短壁开采技术与装备的发展历程和研 究进展，全面总结了相关技术领域代表性成果，并分 析了相关技术发展过程中的问题，提出了短壁开采技 术的发展趋势及建议。 1 我国对短壁开采技术的需求 连续采煤机短壁机械化开采技术为煤柱、不规则 块段、“三下”压煤、边帮压煤等资源的开采提供了有 效解决途径，该技术与长壁综采形成互补，提高煤炭 资源采出率，同时可作为中小煤矿机械化升级改造的 主要采煤技术，提高中小煤矿采煤机械化程度，进一 步解放呆滞煤层，延长矿井服务年限。 1 ．1 煤柱及不规则块段开采 多年来大规模粗放性开采，适合长壁开采的煤 炭资源日益减少，长壁开采后的残留煤柱、不能布 置长壁的残采煤区、不规则块段等煤炭储量占比逐 年上升。资料显示，每布置1 个长壁工作面，就会 留下一个2 0 一5 0m 的煤柱，截止2 0 2 0 年5 月，全国 33 3 0 个在产综采工作面，采后会留下几千个煤柱； 另一方面，处于矿区煤田的边缘地带、小的地质构 造附近均不能用正常的长壁开采技术来回收，这些 资源全国范围内达近百亿吨；此外，2 0 世纪我国大 量地方小煤窑进行了掠夺式开采，破坏了煤层的完 整性，形成了许多人为的陷落柱和小窑采空区，为 综采工作面布置带来了困难，这些资源长期呆滞， 造成了资源极大浪费。 “十一五”期间，为解决煤柱回收及不规则块段 高效开采问题，我国实施了国家科技支撑计划项目 “煤炭资源高效采选关键技术与装备研发”，其子课 题“煤柱及不规则块段开采关键技术”针对煤柱回收 及不规则块段高效开采问题，创新和发展了连续采煤 机短壁开采技术工艺体系，研制了国内首台连续采煤 机，为煤柱及不规则块段开采提供了有效的技术途 径‘6 | 。 1 ．2 “三下”压煤开采 我国“三下”压煤是一个量大面广亟需解决的难 题，“三下”采煤需要控制地表沉陷将地表环境影响 程度降至最低。在我国经济发达、人口稠密的华北地 区，村庄下压煤较突出，据不完全统计，我国煤矿生产 矿井“三下”压煤量达1 4 0 亿t ，约9 5 ％以上生产矿井 存在“三下”压煤，其中建筑物下压煤约8 7 ，6 亿t ，占 “三下”压煤总量的6 0 ％左右，可供2 8 个年 产5 0 0 万t 的大型矿井开采1 0 0a ，其中煤炭主产区 山西、陕西、安徽等8 省建筑物下压煤6 4 ．7 亿t ，约占 全国建筑物下压煤量的8 4 ．7 ％。。 采用长壁综合机械化等常规采煤方法开采“三 下”压煤较为困难，一旦开采，必然会造成不同程度 的地表沉陷“ j 。短壁开采技术可通过煤柱支撑法控 制上覆岩层移动，一次采动范围小，是较理想的“三 下”采煤技术；此外，中国煤炭科工集团太原研究院 有限公司提出了连续采煤机短壁充填采煤法，将短壁 开采技术与充填技术相结合，研发了风积沙膏体膨胀 材料充填系统，短壁开采技术和设备运行空间方面都 可满足充填开采的技术要求，实现了采充平行作业， 进一步丰富了绿色开采体系，提高了资源采出率，取 得了较好的经济和社会效益1 。 1 ．3 露天边帮压煤回收 近年来，我国露天煤矿年产量突破5 亿t ，占年煤 炭总产量比例的1 5 ％，边帮压煤总量已达到5 亿t ， 年新增压煤量2o o o 万t ，这些资源长期得不到合理 开采，煤炭资源浪费严重。同时，边帮压煤若不及时 处理会危及矿山安全和生态环境。煤炭具有自燃属 性，露天开采后，边坡压煤若长时间接触空气，会产生 自燃，严重影响煤田日常运行，破坏矿山周边生态环 境，而维持边坡压煤的化学稳定需大量人力和物力。 短壁开采技术为边帮压煤回收提供了新的思路，2 0 1 5 年至今，内蒙古乌兰露天煤矿利用连续采煤机和带式 输送机进行边帮开采，日产最高可达30 0 0t ，吨煤成 本低至2 0 元。 1 ．4 中小煤矿采煤机械化升级改造 我国采煤机械化率已达7 0 ．8 ％，意味着我国仍 有3 0 ％的煤矿采用普采或高档普采等技术，这些煤 矿大部分为中小煤矿，其特点是生产规模小、布局分 散、勘探能力低、技术条件差、机械化水平低、生产环 节不配套，采煤工作面布置不合理，管理混乱，安全作 业隐患多，百万吨死亡率高，工作面采出率低于 5 0 ％。在对中小型煤矿实行资源整合的同时，亟需发 展适合于中小煤矿的先进的机械化采煤工艺及装备。 国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见明 万方数据 第l 期张彦禄等我国连续采煤机短壁机械化开采技术发展4 0a 与展望 确指出“鼓励采用先进技术，大力推进中小型煤矿 机械化，形成完善的技术服务体系”。 “十一五”、“十二五”期间，国家加快了煤矿关闭 淘汰和整合改造速度，目前，全国煤矿数量仅剩57 0 0 处左右，在整合改造过程中，大量原有的矿井边界资 源形成有效采区，而这些采区大部分为不规则块段， 需要特殊采煤方法进行开采。 短壁开采技术具有较优的技术经济性，短壁设备 价格与长壁价格之比为l 5 1 6 ，而短壁单产与 长壁单产之比为l 2 一l 3 中小煤矿 ∽】，因此，该 技术适合中小煤矿进行机械化升级改造。 1 ．5 延长矿井服务年限 随着煤炭资源的不断开发利用，位于全周期末端 的废弃矿井问题逐步引起人们重视。预计到2 0 3 0 年，我国废弃矿井将达到1 ．5 万处，直接关闭或废弃 不仅造成资源的巨大浪费和国有资产流失 2 0 ～3 0 亿形矿 ，还有可能诱发后续的安全、环境及社会等 问题。开展废弃矿井资源开发利用研究，努力减少资 源浪费、变废为宝，提高资源利用率，延长矿井服务年 限，可推动资源枯竭型城市的转型发展。 发展短壁开采技术，形成长壁和短壁相互补 充的开采体系，是延长矿井服务年限的有效途径。 国家发改委2 0 1 1 年发布的煤炭产业政策规定 煤矿资源采出率必须达到国家规定标准，鼓励发 展小型煤矿成套技术以及薄煤层采煤机械化、井 下充填、“三下”采煤、边角煤回收等提高资源回收 率的采煤技术。 2 短壁开采工艺和理论的发展历程 连续采煤机短壁机械化开采技术是煤炭安全高 效开采的重要组成部分，伴随着房柱式采煤理论和实 践的不断发展，短壁开采技术以前所未有的速度发展 起来，在工作面布置、顶板控制、通风方式等方面取得 了重要进展，为工作面安全高效生产提供了可靠保 障。 2 ．1 短壁采煤工艺研究进展 短壁采煤法于2 0 世纪初诞生于美国，直至2 0 世 纪4 0 年代中期，连续采煤机的大量应用使短壁采煤 进入了机械化高效开采阶段，经过多年工艺演变，形 成了目前以连续采煤机房柱式采煤法、旺格维利采煤 法、块段式采煤法为主的3 类代表性短壁开采工艺，3 类开采工艺的对比见表l 。 表l 连续采煤机短壁机械化采煤工艺对比 T a b l el C O m p a r i s 帅o fs h o n Ⅵ柚l - I I i n i n gw i t ht h ec 伽6 n u 伽sm ．m e r 1 连续采煤机房柱式采煤法。该工艺是房式 采煤工艺和房柱式采煤工艺的统称，主要应用在中厚 煤层，有时也用于厚度较大的薄煤层。该工艺在美 国、欧洲等国家应用较普遍，其中美国井工开采中有 7 0 ％的煤炭产量，来源于该工艺，该工艺特点是① 多巷布置，通常为3 7 条巷道同时掘进，1 ～2 条进 风，l ～2 条回风；②掘进形成煤房，房间留设不同形 状的煤柱，采完煤房后有计划回收煤柱或不回收煤 柱；③多巷同时掘进，平行作业，效率高，且可采掘合 一，边掘进边回收煤柱，煤柱回收方式多样；④工作 面布置较灵活 图1 ，适用于边角煤、不规则块段开 采；⑤通风方式采用全风压通风结合风帘方式，需要 设置多组风障导流，通风系统复杂，控风难度大。 2 旺格维利采煤法。该工艺是房柱式采煤工 艺演变而来，其利用顶板压力拱免压圈原理【8J ，将回 采点置于免压圈内，免压圈内留设窄煤柱 主要为刀 间煤柱 ，将隔离保护煤柱或未回采区 宽煤柱或连 续煤柱 作为主压力拱的主要承载区，提高了采出 率。其煤柱一般分为刀间煤柱、护巷煤柱、隔离保护 煤柱等几种，根据地质条件确定各类煤柱尺寸。该工 艺在澳大利亚、南非应用较普遍，其中澳大利亚井工 开采中有4 5 ％的煤炭产量来源于该工艺，该工艺特 万方数据 煤炭 学报 l 一连续采煤机；2 一梭车；3 一破碎机；4 一带式输送机 5 锚杆钻车6 一纵向风障7 一风帘8 一风墙9 一电源 图1连续采煤机房柱式采煤法工作面布氍 F i g ．1 P a n e ll a y u to fl ‘ o n la n Ip i l l a rm j n i n gw j I h ’t J n t i 1 1 1 i n e r 点是①工作面布置灵活。2 0 1 6 年之前，我国普遍应 用双翼布置的旺格维利采煤法。双翼对拉布置，万吨 掘进率低，可优化支巷与回采巷道成9 0 。夹角，降低 二者锐角处垮帮隐患，同时增加回采宽度，提高工作 面产量 图2 ；双翼折返式布置即左右翼分别为前进 式和后退式回采，将准备支巷置于压力显现区之外， 防止超前压力对采场影响。双翼布置因不能形成全 风压通风，2 0 1 6 年后不允许使用，目前主要采用单翼 布置，工作面布置如图3 所示。②相对房柱式采煤 法，通风构筑物少，通风管理费用低。③顶板可采用 全部垮落法管理，可配备2 台履带式行走支架临时支 撑顶板，作业安全系数高。 3 块段式采煤法。该工艺是旺格维利采煤法 在我国不断优化而来，是短壁开采技术的高级阶段， 通过将开采区域划分为若干矩形块段，形成完整的全 风压通风系统，并实现全部垮落法管理顶板，实现工 作面安全生产。该工艺在我国神东上湾、乌兰木伦、 榆家梁等煤矿成功应用，平均采出率达8 0 ％。该二[ 图2旺格维利采煤法译翼] 作面布置 F 碡2P a n e l l a y o u t fw t m g a w i I l i f l l i n i n gw j f l ld o I J b l ew i l l 野a 1 1 dt w ’o m ‘P 1 1 t r a l i l 1 1 1 1 a t i w a 艺工作面布置如图4 所示，图中字母代表开采煤柱顺 序，顺序依次为A ，B ，c ，⋯，0 ，该工艺特点是①可 通过短块段设计和多台履带式行走支架支护顶板来 提高采出率，实现无煤柱完全垮落法管理顶板，但万 吨掘进率高；②对围岩条件、煤层埋深要求较高，为 实现全风压通风，需要支巷回采完毕后顶板方可垮 落；⑧支巷长度受自然发火周期制约性大。 2 ．2 煤柱相关理论研究进展 在短壁开采过程中，煤柱作为支护系统起到支撑 顶板作用，同时也是回收对象，对煤柱的研究主要是 解决煤柱回收过程中的安全、效率、环保问题，主要针 对大面积悬顶引起的顶板事故灾害、开采导致的地表 沉陷、提高采出率等方面开展相关理论研究。 煤柱回收方式主要分为两大类全部回收和部分 回收。G I v E N s 等oJ 认为应将完全回收煤柱作为采 煤的首要目标，不应留设大尺寸煤柱阻止顶板发生适 当的垮落和弯曲下沉；而M A R K 等⋯。则认为应留没 合理的煤柱，并围绕整体和局部稳定的概念，建立，『 新的煤柱回收顶板控制理论，取代了传统的强调完全 开采，获得了较理想的顶板控制效果，降低了顶板事 故发生率。 煤柱稳定性决定着短壁开采的空间和安全，在煤 柱稳定性研究方面，经典的煤柱载荷理论有压力拱理 论、有效区域理论、两区约束理论等，M A R K 等2 。针 万方数据 笫l 期张彦禄等我国连续采煤机短壁机械化开采技术发展4 0a - ‘j 腱单 9 1 罔3旺格维利采煤法双翼对拉式I 作面布氍 I 碡3P a 肥l I a y 【 L I It ’I 、v m g a w i l l i 『1 1 i n i 哗w i “1s i n 刚Pw i f l g 时调节 瞳 鲜风流 风 图4 块段式采煤法工作而布置 F 嘻4P a n e l l a y ‘ L l Io f I 山c ka n Is ⋯i o 眦In l i f l i n g 对短壁采煤法研发了煤柱稳定性分析法A R M P s 软 件，该软件利用稳定系数s F 衡量煤柱系统整体稳定 性，能够在4 种加载条件下快速、方便地计算煤房和 煤柱部分的稳定系数和隔离煤柱，数据库包含6 5 0 多 个历史案例，通过设定稳定性系数S F 为1 ．5 ，成功预 测了6 l ％的成功案例和8 2 ％的失败案例；c H A w I 。A 等、1 卜o 通过数值模拟方法优化了煤柱尺寸，证明r 数值模拟方法可较好的反映实际二[ 况；谭毅等川建 立了采硐狭窄煤柱、条带煤柱力学模型及尖点突变模 型，指出了窄煤柱满足发生尖点突变失稳的必要条 件，通过理论计算得出了煤柱突跳压缩量的计算公 式，并证实了该压缩量对覆岩及地表的移动有重要影 响，为建筑物下的减沉开采提供了新思路；徐金海 等6 。利用最小势能原理，建立了考虑顶板刚度及煤 柱软化与流变特性的煤柱时间相关稳定性分析模型， 得到了煤柱保持长期稳定的必要条件以及煤柱保持 稳定的最小时问计算公式；王树立⋯o 基于弹性薄板 乍 续采煤机 理论，分析短壁连采关键层极限跨距变化规律，建立 了关键层区段顺序失稳控制区段长度设计准则，推导 保证单区段关键层稳定的隔离煤柱最小临界宽度、煤 柱协同顺序破坏失稳的隔离煤柱最大临界宽度等参 数。中国煤炭科工集团太原研究院有限公司利用采 场模拟试验台，开展了短壁工作面覆岩移动规律的物 理相似模拟试验分析，得到了一定的采场矿山压力显 现规律和顶板的垮落特征⋯。。 在短壁开采地表沉陷控制方面，主要采用地表观 测、煤柱变形观测和数值模拟等方法，捷克O s t r a v a K a r v i n l I 煤矿应用改进后的房柱式采煤法开采“三 下”压煤，利用煤柱支撑法消除地表环境影响，经长 期观测表明，煤柱变形和承载能力稳定，陔采煤法对 地表结构的影响程度小1 1 ；A N D R E 等。19 。通过数值 模拟方法，得到了不同煤柱尺寸和开采顺序对地表沉 陷的影响规律，并通过地表沉陷观测和煤柱稳定系 数s F 计算，证明了数值模拟方法的有效性。 2 ．3 短壁开采顶板控制技术研究进展 顶板控制技术是短壁开采研究的核心内容之一， 文献[ 2 0 2 2 ] 系统阐述了短壁开采顶板控制技术，主 要包括煤柱支护技术、支架切顶技术、爆破卸压强制 放顶技术、水力预裂技术、煤矸充填技术，针对三角区 的顶板控制，采用补强锚索支护、增大支护断面、减小 采硐开口长度、控制抹角跨度、跨度较大处增打木点 柱等方法；文献[ 2 3 ] 提出了工艺极限回采煤工作面 积与应力极限回采煤工作面积概念，采用“强制放 顶 小步距自然垮落”的全垮落控制模式管理顶板， 有效保证同采工艺安全；我国自主研制的链臂切顶 机、2 4 。实现了机械切顶，代替爆破预裂工艺，为卸压放 顶技术提供了新的技术思路。 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 3 短壁开采装备的发展历程 进入2 1 世纪以来，我国连续采煤机短壁机械化 开采装备经历了从无到有、由弱到强的转变，整体达 到国际先进水平，相继研发了连续运输系统、给料破 碎机、履带行走式液压支架、锚杆钻车、铲车、梭车、连 续采煤机、柔性连续运输系统等系列化、成套化短壁 机械化开采装备产品，形成了从煤柱及不规则块段开 采到露天压煤回收、适应于我国小同煤层赋存地质条 件和开采条件的、具备自主知识产权的短壁机械化开 采技术与装备体系。 目前，国内主要有中国煤炭科工集团太原研究院 有限公司、廊坊景隆重工机械有限公司、江苏天明机 械集团有限公司等企业从事连续采煤机短壁机械化 开采装备的研发和制造，其中中国煤炭科工集I 划太原 研究院有限公司作为国内最早开展连续采煤机短壁 机械化开采装备研发生产的企业，依托国家及省部级 等科研项目、煤矿采掘机械装备国家工程实验室开展 持续攻关，研发生产了包括连续采煤机在内的短壁机 械化全系列装备，广泛应用于井下短壁开采、巷道掘 进、钾盐矿开采、露天边帮开采等领域，成为国内惟一 的短壁成套技术与装备供应商，、2 0 0 3 年，中国煤炭 学会成立了短壁机械化开采专业委员会，并将其挂靠 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，每2 年组织 召开短壁机械化开采技术学术研讨会，进一步推动了 连续采煤机短壁机械化开采的发展。 3 ．1 连续采煤机 连续采煤机是一种集截割、装载、转运、行走、降 尘于一体的综合机组，是短壁机械化开采的核心装 备，自2 0 世纪4 0 年代第l 台连续采煤机问世以来， 目前已形成滚筒式、截割链式、螺旋钻式、伞断面 式 按截割机构形式分类 4 种类型产品，其中以滚筒 式连续采煤机应用最为广泛，国外主要生产商有小松 J O Y ，c
展开阅读全文
