劉俊峰

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)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(wàn)噸級(jí)特大型現(xiàn)代化礦井［1］。井田面積135.1km2。井田分兩個(gè)水平開(kāi)采，一水平開(kāi)采1－2，2－2，3－1號(hào)煤。為了高效開(kāi)采2－2厚煤層，必須首先開(kāi)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(jī)綜采機(jī)組采高范圍為1.5～2.1m，對(duì)于0.93～1.5m的煤層，采煤機(jī)開(kāi)采需要大量截割矸石，嚴(yán)重影響開(kāi)采效率和設(shè)備的正常使用［2］。為提高較薄煤層的開(kāi)采效率，取得更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)厚度0.93～1.5m較薄煤層進(jìn)行刨煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

1 1－2較薄煤層特點(diǎn)及其應(yīng)對(duì)措施

采用刨煤機(jī)開(kāi)采，對(duì)于檸條塔煤礦1－2較薄煤層主要有如下幾個(gè)特點(diǎn):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(hù)強(qiáng)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(duì)上述特點(diǎn)，刨煤機(jī)開(kāi)采提出如下應(yīng)對(duì)措施:一是增加刨煤機(jī)功率，根據(jù)可刨性測(cè)試，將刨煤機(jī)的牽引功率增加到2×1000kW，并采用變頻電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)速度和刨深來(lái)保證工作面正常開(kāi)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(hù)強(qiáng)度的要求;三是合理安排刨煤機(jī)工作面的位置，盡量減小工作面采高的調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)設(shè)計(jì)刨煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高裝置，提高刨煤機(jī)對(duì)開(kāi)采高度的適應(yīng)性［3－5］。

2 刨煤機(jī)開(kāi)采方案

通過(guò)合理設(shè)計(jì)，確定刨煤機(jī)開(kāi)采工作參數(shù)如表1所示。

表1 刨煤機(jī)開(kāi)采工作面參數(shù)

刨煤機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)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(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(shí)間效應(yīng)，確定支護(hù)強(qiáng)度的適用公式為［6］:

表2 刨煤機(jī)技術(shù)參數(shù)

式中，l1為基本頂長(zhǎng)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(jì)算得:F=0.8588(MPa)

要求支架支護(hù)強(qiáng)度大于0.8588MPa。由此選擇液壓支架型號(hào)為ZY10000/08/18型掩護(hù)式液壓支架。

3 刨煤機(jī)開(kāi)采生產(chǎn)能力計(jì)算

刨煤機(jī)工作面的產(chǎn)量主要是根據(jù)煤層厚度和煤層硬度來(lái)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(jī)產(chǎn)量。

3.1 刨煤機(jī)小時(shí)生產(chǎn)能力Qb

式中，H為工作面采高，平均1.5m;vb為刨煤機(jī)平均刨速，平均1.9m/s;h為刨煤機(jī)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(jī)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(jī)每天工作時(shí)間，16h;K為開(kāi)機(jī)率，70%。

3.3 刨煤機(jī)年生產(chǎn)能力Qy

式中，D為年工作日，300d。

刨煤機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)年產(chǎn)1.8Mt的目標(biāo)。

4 刨煤機(jī)開(kāi)采經(jīng)濟(jì)分析

和采煤機(jī)相比，刨煤機(jī)開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:一是塊煤率高，以檸條塔礦為例，采煤機(jī)開(kāi)采的塊煤率在30%左右，刨煤機(jī)開(kāi)采的塊煤率在55%左右，塊煤率的增加可提高煤炭?jī)r(jià)格和利潤(rùn);二是工作面人員減少，刨煤機(jī)開(kāi)采工作面人員由采煤機(jī)綜采隊(duì)的122人減少為98人;三是刨煤機(jī)開(kāi)采高度降低，割矸量減少。刨煤機(jī)與采煤機(jī)采煤收益比較見(jiàn)表3。具體量化指標(biāo)分析如下:

(1)塊煤率提升，額外增收8150萬(wàn)元/a。

依靠刨刀對(duì)煤壁形成的靜壓力將煤刨落，避免了采煤機(jī)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(jī)與采煤機(jī)采煤收益對(duì)比

(2)因矸石減少而減少開(kāi)采成本2239.58萬(wàn)元/a。

刨煤機(jī)可在煤層內(nèi)開(kāi)采，避免了因設(shè)備幾何尺寸原因?qū)е碌牟身敗⒌装鍘?lái)的矸石，含矸率平均在3%左右，而采煤機(jī)含矸率平均在10%左右。

因矸石減少而減少開(kāi)采成本=Qy· ((1－P1)－(1－P2))Q1=2239.58(萬(wàn)元/a)。

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

(3)因矸石減少而節(jié)約運(yùn)輸成本42萬(wàn)元/a。

因矸石減少而節(jié)約的運(yùn)輸成本=Qy((1－P1)－(1－P2))Q2=42(萬(wàn)元/a)。

式中，Q2為矸石運(yùn)輸成本，3元/t。

(4)人工成本降低288萬(wàn)元/a。

工作面生產(chǎn)實(shí)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(shí)間為8h。勞動(dòng)組織形式為:每班至少有1名跟班副隊(duì)長(zhǎng)、班長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織安全生產(chǎn)，配有質(zhì)量驗(yàn)收員、采煤機(jī)司機(jī)、支架工、電工、馬蒂爾司機(jī)、刮板輸送機(jī)司機(jī)、端頭維護(hù)工、膠帶工、技術(shù)員等，全隊(duì)合計(jì)122人。刨煤機(jī)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(wàn)元，合計(jì)降低人工成本288萬(wàn)元/a。

(5)因塊煤率提高導(dǎo)致洗選煤成本升高500萬(wàn)元/a。

檸條塔礦規(guī)定所有塊煤均需洗后銷售，刨煤機(jī)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(wàn)元/a)。

式中，Kb為刨煤塊煤率，%;Kc為采煤機(jī)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(wàn)元/a。

根據(jù)礦方給出的綜采每年700萬(wàn)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(jī)刨頭速度高，工作面推進(jìn)步距小，液壓支架操作頻繁，設(shè)備磨損折舊嚴(yán)重。若刨煤機(jī)維修換件成本也按占初始投資的15%計(jì)算，則刨煤維修換件成本每年增加2000萬(wàn)元。

綜上可知，較采煤機(jī)開(kāi)采，刨煤機(jī)開(kāi)采每年可增加收入8219.58萬(wàn)元。

5 刨煤機(jī)、采煤機(jī)開(kāi)采比較

從經(jīng)濟(jì)性分析可知，對(duì)于檸條塔1－2煤層，刨煤機(jī)在1.6m煤層厚度以上經(jīng)濟(jì)效益基本沒(méi)有增加，采煤機(jī)在1.5m煤層厚度以上經(jīng)濟(jì)效益繼續(xù)增加;由于刨煤機(jī)沒(méi)有年產(chǎn)達(dá)到2.0Mt的先例，而采煤機(jī)具備年產(chǎn)3.0Mt的能力，考慮刨煤機(jī)年產(chǎn)2.0Mt、采煤機(jī)年產(chǎn)3.0Mt比較實(shí)際，以1.5m煤層厚度為界，低于1.5m煤層厚度時(shí)，刨煤機(jī)經(jīng)濟(jì)效益突出，大于1.5m煤層厚度時(shí)，采煤機(jī)經(jīng)濟(jì)效益突出。如圖1所示。

圖1 不同煤層厚度刨煤機(jī)、采煤機(jī)開(kāi)采利潤(rùn)比較

6 結(jié)論

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析可知，檸條塔 1－2煤層1.7m厚度以下工作面進(jìn)行刨煤機(jī)開(kāi)采，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1.8Mt的能力，且具備較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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