0 引 言
目前，国内外薄煤层开采设备方案主要有：滚筒采煤机方案、刨煤机方案、螺旋钻机方案和短壁连采机械化方案。 在国外，俄罗斯和乌克兰等国家薄煤层采用长壁式采煤法，落煤采用浅截深式滚筒采煤机或刨煤机。 20 世纪70 年代开始，开始试验并应用螺旋钻机采煤，将煤层可采厚度由0.6 ～0.8 m 下降到0.4 m。 对于围岩较稳定、缓倾斜、松软煤层开采有很高的推广应用价值。 德国是研发刨煤机技术最早、开采技术水平最高的国家，相关装备技术能满足采高0.6～3.0 m 的煤层开采，工作面基本实现自动化、无人化开采。
在国内，2000 年9 月铁法煤业集团从德国引进一套刨煤机及相关刮板输送机、破碎机、转载机等配套设备，并在该集团晓南矿进行井下工业性试验，创造了日产量6 480 t 的最好记录。 后来大同、焦煤、晋城等煤炭集团先后从德国引入了刨煤机配国产刮板输送机与液压支架进行开采试验，由于刨煤机对工作面条件要求苛刻、适应性差，试验效果较差。 相比于刨煤机，薄煤层滚筒式采煤机的研究始于20 世纪60 年代，主要来自于改装、革新中厚煤层采煤机组。 该类机组，机面高度为600 ～680 mm，机身薄，机身短，电牵引机载，不用牵引变压器，配套专用宽扁电缆供电，截割传动部行星减速器采用双排行星轮结构，减小行星减速器直径，增加小直径滚筒螺旋叶片的高度。 配套有弧形挡煤板，可提高装煤效果。因技术相对成熟，国内薄煤层开采基本上采用滚筒式采煤机。
关于薄煤层开采技术方面，国内众多学者进行大量研究。 针对薄煤层滚筒采煤机装煤率低的问题，田震等[1]以离散元理论为基础，研究了螺旋滚筒结构及运动学参数等因素对装煤效率的影响。 王国法等[2]针对薄煤层空间起伏和厚度变化大的情况，研发了调高范围为0.5 ～1.4 m 的超大伸缩比液压支架。 赵丽娟等[3]运用理论分析结合离散元数值模拟的方法，得出了高性能薄煤层采煤机的设计参数。 余伟健等[4]对复杂条件下的薄煤层支护问题进行了研究，提出了让压桁架锚索和叠加拱密集支护技术。 杨胜利等[5]对薄煤层搬家倒面问题进行了研究，提出了M 形工作面连续旋转开采技术。石国帅等[6]对螺旋钻采煤法在薄煤层开采中的应用进行研究。 杨智文等[7]对薄煤层开采效率进行计算机模拟分析，找到了制约综采开采效率的关键因素。 李刚等[8]对神东矿区较薄煤层短壁开采进行研究，提出了行走液压支架支护参数等关键指标。祁和刚等[9]提出了切顶卸压留巷和自动化技术，实现工作面减人2/3；李文昌等[10]提出了基于自动控制和视频监控技术的薄煤层安全高效开采方案。 张建军等[11]对薄煤层刨煤机全自动化技术进行研究，实现了采高0.9～1.7 m 薄煤层的自动化开采。 冀中能源峰峰集团黄沙煤矿、薛村煤矿，陕煤集团黄陵矿业公司黄陵一号煤矿[12]、中煤集团甘庄煤矿等矿井都先后宣布实现了薄煤层自动化开采。
1 薄煤层开采主要技术难题
薄煤层开采技术及装备研究取得了一定的成果，但是开采过程中还普遍面临诸多难题，制约了产能和经济效益的发挥。
1)巷道大断面与煤层厚度较薄的矛盾。 为了追求薄煤层的相对高产高效，薄煤层装备重型化，辅助运输车辆大型化导致现有的巷道掘进尺寸均在2.3 m以上，相对于1.3 m 以下薄煤层厚度需要挑顶或起底1 m 以上，巷道断面内岩石占比在43.5%左右。 如此高比例的割岩量导致巷道掘进效率低，设备损耗大，薄煤层开采往往巷道准备周期长，采掘接续相对紧张。
2)高万吨掘进率与低效单进水平的矛盾。 薄煤层相对于厚煤层而言，万吨掘进率相对较高，回采同样数量的煤炭需要开掘的巷道量大。 由于薄煤层煤厚变化系数大，加之巷道断面大，挑顶、起底工程量大，造成单进水平低下。
3)设备大功率与小尺寸的矛盾。 为降低万吨掘进率，薄煤层工作面布置往往追求最大化，设备选型随之要大型化、重型化，煤层厚度又限制了设备的规格尺寸，造成设备大功率与小规格尺寸的矛盾[13]。
4)设备高适应性与小尺寸的矛盾。 薄煤层赋存不稳定，煤厚变化大，设备因受限于小尺寸要求，调整变化幅度小，不能及时跟踪煤层变化，顶板管理、煤质管理困难。
5)设备高可靠性要求与复杂控制系统的矛盾。薄煤层为了降低工人劳动强度，一般都配备自动化系统，自动化系统要求将采煤机、液压支架与三机(指刮板输送机、转载机及破碎机)等作为一个整体进行集中控制，并实现相互联动、自动调整，控制系统复杂，故障点多。 薄煤层作业空间狭小，检修困难又决定了设备要有高可靠性。 复杂的系统与高可靠性形成相互制约的矛盾[14]。
2 神东矿区煤层赋存情况
神华神东煤炭集团有限责任公司(以下简称神东公司)是国家能源集团旗下骨干煤炭企业，地处陕、蒙、晋三省煤炭资源富集区。 矿区自1985 年开发建设，目前累计生产煤炭约26 亿t。 经过30 多年的开发，矿井开采进入深部区，煤层厚度变薄，薄煤层分布广泛。 据统计，截至目前，神东矿区0.8 ～1.3 m 薄煤层可采储量9.57 亿 t，占矿区可采储量的12.85%，厚度为1.3～3.5 m、3.5 ～8.9 m、＞8.0 m 的煤层分别占矿区可采储量的41.99%、39.93%、5.23%。
多年以来，神东公司进行了以传统滚筒式采煤机、刮板输送机为基础装备的中厚偏薄煤层高效开采尝试，比如在哈拉沟煤矿12上101 工作面布置了450 m 超长工作面[15]，在榆家梁煤矿44305 工作面、石圪台煤矿进行薄煤层工作面自动化割煤工业试验[16]。 但是在开采过程中因作业空间小、设备检修维护难、开采成本高、工作面单产低、经济效率差等诸多问题，一直制约着该类煤层的高效开采。 大柳塔、补连塔等主力矿井在厚煤层上部存在0.8 ～1.3 m 的薄煤层，上下煤层的压茬已经制约了矿井正常产能的发挥。 据测算，随着开采延深，神东薄煤层开采工作面数量逐年增多，薄煤层产量将逐渐由2020年的 860 万 t，增加至 2035 年的 2 680 万 t，产量占比将达到20%。 研究薄煤层开采中的新工艺、新技术，研发高端智能机械装备[17]，减少作业人数，降低劳动强度，提高作业安全系数，最终实现薄煤层无人高效开采已成为神东公司迫切需要解决和研究的问题。
3 神东矿区薄煤层开采技术
神东矿区作为国内高产高效现代化矿区的代表，为了实现传统薄煤层开采上的突破，从巷道掘进工艺、减少万吨掘进率、优化巷道布置、设备配套选型等方面进行了突破传统的研究，给后续综采工作面高产奠定了基础。
3.1 薄煤层巷道掘进技术
根据神东矿区现有辅助运输设备情况，最低的运人车辆、工程车、材料车(规格：1.80 m×1.65 m)高度1.65 m，生产服务中心为薄煤层配套的LWC-40T(规格：3.60 m×1.70 m)支架搬运车高度1.70 m，在满足混凝土底板施工厚度、支护锚索外露和安全间隙的条件下，对巷道断面进行尽可能的优化[18]，得出辅运线路巷道断面为5.1 m×2.3 m。 巷道断面如图1 所示。
图1 辅运巷道断面
Fig.1 Auxiliary roadway profile
在煤层厚度为1.3 m 的情况下有挑顶或拉底掘进2 种方式，考虑到神东矿区各薄煤层顶底板岩性，顶板主要为粉砂岩，底板主要为砂质泥岩，底板硬度低于顶板，容易截割，同时结合薄煤层刮板输送机采用端卸式落煤和便于顶板管理的要求，矿区优选采用拉底掘进。
3.2 切顶成巷无煤柱开采技术
为了减少半煤岩巷道掘进量，降低对煤质影响，神东薄煤层综采工作面面采用切顶留巷工法。 该工法借鉴哈拉沟煤矿12201 综采工作面试验切顶成巷的成功经验，在综采工作面回采巷道正帮进行顶板沿推进方向的超前预裂，工作面推采过后，顶板沿预裂切缝位置垮落，在挡矸装置的作用下形成巷帮，将此回采巷道保留下来作为接替工作面的运输巷。 切顶成巷无煤柱开采工艺如图2 所示。
图2 切顶成巷无煤柱开采示意
Fig.2 Roof-cutting and gateway retained without pillar mining
切顶卸压技术通过定向预裂巷道顶板及上覆岩层，将采空区顶板与尾留巷道顶板切断，阻断了相互之间力的传播，减小了尾留巷道的变形[19]。 同时将传统准备1 个回采工作面需要掘进2 条巷道的采掘方式，变为准备1 个回采工作面只需掘进1 条巷道，另一条巷道切落顶板岩层自动成巷，消除了工作面间的隔离煤柱，提高了资源回收率。
3.3 工作面优化布置技术
根据哈拉沟煤矿12上101 加长工作面布置经验，将薄煤层工作面布置逐步由传统的150 m 提高到250 m，推进长度逐步提高。 经测算，万吨掘进率可降低25%左右。 限于现有支架运输设备尺寸，开切眼设计断面5.6×2.0 m，如图3 所示。 沿着煤层底板掘进(煤厚 1.0 ～1.3 m，挑顶 0.7 ～1.0 m)，机尾处巷道底板与开切眼底板缓坡过渡便于工作面安装，巷道机头底板与开切眼底板留0.7 ～1.0 m 台阶，便于端卸载落煤，减少初采期间工作面割岩。 液压支架安装后虽然不接顶，但随着工作面初采，逐渐钻入煤层后接顶，不影响正常生产。
图3 开切眼断面
Fig.3 Open-off cut profile
神东矿区周边矿井均采用采煤机自开通道方式进行薄煤层综采面回撤，该方案设备回撤时间较长，一个综采工作面回撤及接续面安装需要约1 个月。神东公司薄煤层工作面借鉴、优化辅巷多通道快速回撤技术，提前施工回撤通道(不施工辅撤通道)，巷道拉底破顶掘进。 通道内支护1 排8 100 kN 垛式支架，工作面末采时，将采高调整为1.5 m，留台阶贯通。 一方面缩短回撤时间，提高回撤效率，方便设备回撤，另一方面为回撤期间的顶板下沉留足空间，防止支架压死。
4 薄煤层采煤装备选型
针对薄煤层开采设备小型化，神东公司对国内外众多设备厂家进行研究。 滚筒式采煤机、刨煤机不能满足神东高产高效要求[20]，螺旋钻不适用于神东煤层较硬的特性，短壁回采资源回采率低且留有煤柱，不利于下层煤炭开采。 通过考察，最终优选了波兰法穆儿公司生产的集滚筒采煤机和刨煤机优点于一身的等高式采煤机及配套装备，如图4 所示。
图4 等高式采煤机
Fig.4 Equal hight shearer
该套装备采用刨煤机牵引系统配采煤机截割滚筒，单电动机驱动双滚筒的方式布置。 虽然截割滚筒直径仅1.2 m，体积小，质量小(只有19.2 t)，但配备了500 kW 的大电动机，割煤性能媲美大功率采煤机，实现了小尺寸、大功率的设备配置突破，采煤机滚筒驱动系统如图5 所示。
通过配套在采煤机与刮板输送机之间的煤壁侧和采空区侧调高油缸，可调整采高150 ～200 mm。布置调高油缸后挖底量增大，最高可挖底150 mm，解决了传统滚筒采煤机挖底量小的问题，增强了对煤层起伏变化的适应性，调高前后采煤机割煤效果如图6 所示。
图5 滚筒驱动系统
Fig.5 Drum driving system
图6 采煤机高度调节
Fig.6 Height adjustment of shearer
同时利用配置在液压支架推拉杆上的倾角调整油缸，实现工作面横向角度的调节，进一步提高对煤层变化的适应性，如图7 所示。
图7 工作面角度调节
Fig.7 Angle adjustment of working face
采煤机割至机头或机尾时整体推进一个截深，垂直进入煤壁，如图8 所示。 机身无电控系统，采用刨煤机有链牵引系统，电气控制部分在巷道内。 采煤机采用单截割电动机驱动2 个截割头，有效降低机身高度。
配专用的电缆有链牵引系统，可使电缆避免3次弯折，避免人工维护。 该装置与刨煤机、传统滚筒采煤机的性能对比，见表1。
图8 垂直进入煤壁割煤工艺
Fig.8 Coal cutting technique entering coal wall vertically
表1 采煤机特征对比
Table 1 Characteristics contrast of shearer
项目 刨煤机 滚筒采煤机 等高式采煤机采高调整 更换刨煤头 调整摇臂 液压油缸煤厚变化 适应性差 适应性中等 适应性较好夹矸处理 停止采煤爆破 下调牵引速度 匀速通过装煤效果 端头/效果差 工作面/效果差 工作面/效果好牵引功率 大 小 小截割方式 刮刨截割 铣削截割 铣削截割巷道规格 断面大 断面小 断面小过煤高度 — 低 高维修保养 端头内 工作面 端头内机身长度 短 长 短自动化割煤 实现方式简单 实现方式复杂 实现方式简单
采煤机可实现智能割煤，根据前一刀割煤轨迹进行自动割煤或人为干预割煤。 液压支架顶梁、底座、掩护梁安装了倾角传感器，推拉油缸安装了行程传感器，液压支架根据采煤机位置自动完成拉架、推移刮板输送机。
通过CAN 总线通信控制实现采煤机、液压支架、三机、泵站等数据上传、存储与远控。 工作面采煤机、刮板输送机、液压支架等设备主要参数见表2。
表2 采煤机、刮板输送机及液压支架参数
Table 2 Parameters of shearer，scraper conveyor and hydraulic support
设备 主要参数 参数值采高范围/m 1.1～1.7采煤机机身高度/m 0.85截深/mm 600挖底量/mm 50恒力矩牵引速度/(m·min-1) 11.3
续表
注：煤层抗拉强度为40、10 MPa 时，生产能力分别为560、1 000 t/h。
设备 主要参数 参数值最大牵引速度/(m·min-1) 27采煤机切割功率/kW 500生产能力/(t·h-1) 560～1 000供电电压/V 1 140机身质量/t 19.2刮板输送机功率/kW 2×400(变频)链条规格/(mm×mm) 34×126(中双链)运行速度/(m·s-1) 1.5内槽宽度/m 0.9运输能力/(t·h-1) 750～800液压支架支护高度/m 0.95～1.70支架中心距/mm 1 500工作阻力/kN 4712支护强度/MPa 0.5～0.6工作压力/MPa 25～30支架质量/t 12.25
5 工程实例及预期效益
该套等高式采煤机最早在波兰的Jas-Mos 煤矿投入工业应用。 应用工作面埋深900 m，平均煤厚1.4 m，煤层抗压强度为47 ～90 MPa。 工作面长200 m，推进长度870 m，采高1.2～1.4 m。 生产作业时除了根据现场需要在工作面安排人员监护设备运行外，巷道有4 个人(1 个系统操作人员、1 个电工、1个液压工、1 个管理人员)即可实现远程采煤，操作人员通过巷道控制台的综采工作面智能化系统控制工作面设备。 由于该矿为高地热、高瓦斯矿井，且地质条件复杂，需要限制每天的产量，每天的割煤刀数为13 刀(采煤 10 h)，月最大产能为 44 233 t/月，2015 年3 月完成了该工作面的回采。
神东公司石圪台煤矿已采购波兰法穆儿公司生产的等高式采煤机，目前正在进行设备调试，首采面22上 303 工作面将于2020 年4 月底投产。 补连塔煤矿也将推广以切顶成巷和等高式采煤机及配套装备为特色的薄煤层安全高效开采技术。 补连塔煤矿薄煤层可采面积22.68 km2，面积可采系数38%。 煤层可采厚度0.85～4.30 m，平均1.29 m，为局部可采煤层。 该煤层结构简单，多数不含夹矸，少数含1 ～2层夹矸，夹矸厚度0.02 ～0.37 m，多为泥岩、砂质泥岩。 12上煤与下部的12 煤层间距最小1.15 m，最大28.47 m，平均15.34 m。 该薄煤层顶板岩性主要为粉砂岩，底板岩性主要为砂质泥岩。 五、六盘区12上煤地质资源储量3 948 万t，其中五盘区12上煤工作面圈定采出量 941 万 t。 该区域开采概算投资38 730.44万元，其中：矿建工程 20 678.49 万元、土建工程404.98 万元、安装工程7961.42 万元、设备及工器具购置费5 519.88 万元、工程建设其他费用2 676.03万元、工程预备费1 489.63 万元。 该区域划定250 m 长工作面14 个，参照国外的生产条件，每天生产 20 h 计算，单月产量 12.4 万 t，年产能 150 万 t/a。
采用无煤柱切顶留巷工艺施工，配备掘进队伍1 支，与传统双巷布置相比，减少1 支掘进队伍，设备使用费下降9.35 元/t，设备中小修费相应下降4.08元/t，材料费下降 5.07 元/t。 主要巷道进尺降为原来的1/2，并取消两帮锚杆支护，切顶留巷工程成本为4 865 元/m，综合生产成本228.86 元/t，按照目前坑口售价298.53 元/t。 预计可实现年利润10 450 万元，对矿井的边际贡献为233.1 元/t。
6 结 论
针对薄煤层开采中普遍存在的采掘平衡、设备性能与规格尺寸、高度自动化与稳定性等方面的矛盾，神东公司为了实现薄煤层的高产高效回采，对国内外薄煤层装备技术发展进行了广泛调研，通过优选工艺，确定了采用无煤柱切顶成巷工艺配合新型等高式采煤机进行薄煤层开采的新技术。 得出如下结论：
1)应用无煤柱切顶成巷工艺实现了一个工作面仅掘进一条巷道，解决了薄煤层巷道万吨掘进率高、掘进割岩量大的问题，缓解了采掘接续紧张的矛盾。
2)等高式采煤机及配套装备机身短，结构简单，可在巷道远程控制及检修，实现设备的小尺寸、大截割功率、高适应性，解决了传统采煤装备机身结构复杂、装备可靠性及适应性差、工作面内检修困难等问题。
3)经过工程实践和经济技术论证，该工艺可实现薄煤层月产量12.4 万 t，年产量150 万 t，实现了薄煤层的安全、高效开采，具有很高的经济效益，为同等条件下国内外薄煤层的科学开采提供借鉴与参考。
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