美国长壁开采技术浅析
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70年代初，美国第一个长壁采煤工作面在固本能源集团（CONSOL Energy）位于阿巴拉契亚北部地区的煤矿正式投入生产。而今长壁采煤技术已成为美国井工矿开采最重要的采煤方法之一，而且也是井工开采时安全生产条件最好、产量最高、效率最好的采煤方法。该技术已在美国的阿巴拉契亚、伊利诺斯煤田,以及美国西部各省的井工煤矿得到普遍的采用。 1 长壁开采技术有利于井工矿实现高产高效 在过去的20多年里，固本能源集团长壁采煤工作面的平均班产量由900t增加到1998年的4700t,目前，最好的长壁采煤工作面每个8小时的生产作业班平均产商品煤7200t。1998年1984年相比，最好的长壁采煤工作面的商品煤产量增长3倍以上。当1972年固本能源集团的第一个长壁采煤工作面投产时,该集团共有55个生产矿井，而到1998年,生产矿井的个数已减少到25个，而商品煤产量却由1973年的54.5Mt增加到1998年的69Mt。煤炭生产矿井的雇员由1978年的21000人减少到1998年的8600人。井工煤矿开采部门每班（工作8小时）的平均生产效率由10 t 左右提高到1998年的36t（见表1、表2、图1、图2）。 井工煤矿产量和效率大幅度提高的原因，归纳起来主要有以下几方面： (1)将采煤方法由房柱式改为长壁采煤法； (2) 矿井运输方式发生了改变。现存的生产矿井全部由过去的轨道运输方式改变成胶带输送机运输方式。矿井煤炭运输、选煤厂与铁路的外运能力已增长到与矿井长壁工作面生产能力相互配套与适应的程度； (3) 新投产的井工煤矿已全部设计建设成为长壁开采矿井，工作面生产出来的煤炭可直接用胶带输送机运到洗选厂； (4) 对长壁工作面的采煤机械设备作了重大的技术改进。长壁工作面的输送机、采煤机都已具有较高的功率和生产效率； (5) 长壁开采盘区的几何尺寸明显增大，从而可相对地减少连续采煤机准备盘区的时间。现阶段连续采煤机开拓准备盘区的掘进效率，差不多是长壁工作面生产效率的1/10左右,这已基本上能满足现阶段长壁开采所要求的采区准备速度。 2 盘区布置与生产设备发生了根本性的改变 长壁工作面生产设备主要由工作面采煤机、输送机和顶板支架3部分组成。由于矿井生产不便、不确定的因素太多，所以必须对长壁工作面生产系统进行科学合理的设计，使各部分之间能相互配套，以确保能形成一个安全生产条件好、生产效率高、经济效益好的系统。长壁采煤工作面的几何尺寸变化及用工人数见表1、表2。 减少盘区的开拓准备工作量，对提高矿井生产效率具有十分重要的作用。1970年时，准备一个面长150m、走向长度1200m，具有4条回采巷道的工作面时，全部巷道掘进的出煤量占盘区总采出煤量的20%～25％。而今，随着采煤方法的改革，大型盘区长壁采煤工作面一般只有3条回采巷道。准备盘区长壁工作面回采巷道时，掘进出煤量占盘区总采出煤量一般不足10％，盘区采出煤量中90％以上来自长壁工作面开采过程。现在1个面长330m，采煤机截割深度为1070mm的长壁工作面，所采出的煤量是原先面长为150m、采煤机截割深度为750mm的长壁工作面的3倍以上。单纯将工作面采煤机的截深由750mm改成1070mm，工作面的采出煤量就可增加40％。当然长壁工作面生产系统的其他组成部分也必须要与加大采煤机的截深、增加产量的能力相互配套和相互适应，否则，就不可能实现增加工作面产量的目的（见表3）。 在加大长壁开采盘区的几何尺寸时，以下几个关键性的环节必须要能满足生产的要求： (1) 必须增加采煤机械和运输设备的电机功率，改进电机和齿轮的技术性能。应保证主要生产设备能满足大型盘区煤炭产量高，设备大修时间间隔长的要求。自70年代以来，长壁采煤工作面生产系统的总装机功率已由600kW增加到今天的3900kW。 表1 长壁开采盘区几何参数发展变化趋势
表2 长壁工作面和连续采煤机掘进班工种与人数
(2) 长壁采煤工作面设备的供电电压已增加到4160V，可满足大型工作面采煤机械设备需要较高的起动扭矩和大功率的要求。要避免工作面出现电压下降引起的设备事故，尤其是由于工作面输送机机尾电机处的电压下降造成的工作面停机事故。在采煤工作面面长很大时，工作面设备需要很高的起动扭矩，尤其是工作面输送机全载运输时更是如此。 (3) 应进一步改善采煤工作面机械设备的设计性能和材料质量，以有效地延长液压支架、采煤机、工作面输送机圆环链、采煤机与输送机的关键部件、输送机槽组等的使用寿命。上述长壁工作面机械设备部件的使用寿命至少应能使用到采完一个完整盘区的走向长度。 采矿设备的制造商和煤炭生产商正在共同进行努力，以生产和开发出更多质量性能更加优秀的采煤设备（见表4）。 当然还需进一步提高和改进长壁工作面采煤机的自动控制部件和液压支架推进部件的技术性能与质量，使其操作起来更加简便和安全。例如，固本能源集团的几个煤矿成功地研究开发出了一种输送机随采煤机向前割煤，自动推移输送机的系统（SISA?Shearer
initiated shield advance）。应用这种自动推移系统，既能自动前移工作面的液压支架，也能自动前移位于工作面上下（顺槽）出口处的液压支架。 3 长壁开采盘区采准巷道的布置方式 (1）采准巷道布置在开采煤层内。这主要是由于美国煤矿在掘进采准巷道时，还习惯于采用连续采煤机来掘进盘区的采准巷道。实际上，将盘区采准巷道布置在煤层内，可以进一步了解开采区域内的煤炭资源赋存情况，详细查清地质构造状况和有效地防止发生采煤量不足或浪费煤炭资源的问题。 (2）盘区采准巷道主要采用锚杆支护。大多数锚杆是由连续采煤机在采准巷道掘进循环过程中直接安装的。增强型的顶板支护结构物，如框式支架、顶板锚杆网、钢丝绳锚杆等，只用于地质构造复杂．巷道顶板应力很高，需要进行特别维护的场合。 (3)美国东部的煤矿瓦斯含量比较高，为确保长壁工作面内能通入足够的风量，通常一个长壁工作面需要布置３至４条采准巷道，即增加1～2条采准巷道，专门用作通风，以便能快速有效地冲淡和排除集中在巷道中的有害、有毒、具有爆炸危险性的气体和粉尘。布置了４条采准巷道的长壁工作面，各巷道的具体作用是：胶带输送机巷，轨道巷、进风巷（紧急事故撤退巷）和回风巷。对于布置３条采准巷的工作面，则常将轨道巷和进风巷合并成为一条巷道。 表3 美国长壁工作面的设备与产量参数
(4）引入房柱式采煤法中的连续采煤机来掘进巷道。由于美国不少煤矿习惯于房柱式采煤法，尤其是习惯于连续采煤机的边掘边采的作法，因此,在进行长壁开采时，为满足长壁工作面快速推进对采准巷道的需求，仍将原先专门设计用于房柱式采煤的连续采煤机引进到长壁开采的生产过程中，将连续采煤机改为专门用于掘进采准巷道的设备。 (5)使用连续采煤机来掘进回采巷道时，重点不是放在如何提高连续采煤机的生产效率上,通常用于长壁工作面巷道掘进的连续采煤机的生产效率，比单独用于房柱式开采、经过生产参数优化设计选择的连续采煤机的效率要降低一半。这是因为: ①为减少采区漏风和巷道顶板冒顶，开采区域内留设的煤柱尺寸比房柱式开采时要大得多，这势必会增加连续采煤机在掘进截割联络巷道和胶带输送机尾部之间的巷道时的煤炭装车时间。 ②留设的煤柱尺寸（两巷道中心线间的距离）大小应满足长壁开采时工作面通风的要求。要从保证长壁工作面开采时的煤柱稳定性出发，使所留设的煤柱尺寸为最佳值。强调煤柱的稳定性主要是为了保证长壁工作面开采、进出采煤工作面、排放瓦斯时的安全，同时也是为了保证工作面运输巷、尾巷和抽排瓦斯巷内有足够的风量。对尾巷靠工作面一侧的煤层顶板进行强制性冒顶是希望能降低尾巷附近的水平应力。 ③尽可能减少长壁工作面巷道的尺寸，目的是为了提高和改善工作面顶板的稳定性，降低工作面上方单位面积顶板作用到工作面支架系统上的应力。但如果所掘进的巷道太窄的话，又会降低连续采煤机掘进巷道时的灵活性。 ④用连续采煤机掘进巷道时，通常是3～4条巷道共用一部胶带输送机，并将胶带输送机布置在最外侧的一条巷道中；当5～6条巷道共用一条胶带输送机运输时，往往将胶带输送机布置在中间的一条巷道中。这一做法所带来的问题是移动胶带输送机的时间较多,且在连续采煤机掘进作业时，只在一半的作业区域可以充分使用胶带输送机来运输，而另一半区域则只能采用刮板输送机、轨道和其它设备来运输。 ⑤巷道条数少，采用梭车进行运输时调运的方法也少，由此导致的连续采煤机停机等待梭车而耽误工时的机会也就多。
⑥由于盘区的主胶带输送机的运输能力要考虑长壁工作面生产时的运输量，所以掘进长壁工作面的采准巷道过程中，移动盘区运输胶带输送机时，不仅在尺寸和重量上比单纯采用连续采煤机生产时大得多，复杂得多，而且所需的工作量和耽误的工时也多得多。 表4 长壁工作面生产设备的发展趋势
4 连续运输系统 美国用连续采煤机掘长壁工作面巷道时，常用的一种连续运输系统就是桥式转载机。桥式转载机在房柱式开采中是一种使用十分普遍的装载设备。但桥式转载机用于长壁工作面巷道掘进却是始于1994年。一台桥式转载机由几个桥式部分组成，每个桥式组成部分又是由较短的胶带输送机或刮板输送机组成。每台转载机都配有一个履带装置。通过履带装置来前移转载机和控制胶带输运机前移。 采用这种装置的系统的一个突出的问题就是，目前每台转载机都必须配有一个操作人员。桥式转载机每一桥段的最大长度系根据所设计煤柱的尺寸大小来确定的，同时桥式转载机系统必须具有足够的可弯曲性，以便能与连续采煤机的截割循环实现最佳配合。虽然在房柱式开采时，桥式转载机比较容易适合巷道与煤柱的尺寸,但是，为适应长壁工作面采准巷道的掘进，桥式转载机系统最长时需架设180m以上，于是有时就需要８个或更多的操作人员来控制桥式转载机，这一点不符合长壁开采效率高的要求，因此必须设计采用一台可弯曲的刮板输送机或胶带输送机来作掘进时的运输机械，以便能比较好地解决这个问题。因为采用刮板输送机或胶带输送机来作辅助的运输设备时，只需一个操作人员。1980年末，采用久益公司早期生产的可弯曲胶带转截机（FCT）在井下进行了这种设计的首次试验。结果久益公司研制生产的90m可弯曲胶带转载机获得成功，而180m的目前正处研究开发阶段。鉴于目前还没有理想产品，固本能源集团采用了一种新的作法，来作为配合连续采煤机掘进时的装岩运输机械设备,这便是TramVeyor装运系统。该系统是利用一台可弯曲刮板输送机与一台给料破碎机相配合，安装在连续采煤机之后，然后通过胶带输送机的输送连接装置，再将煤炭装载到区段胶带输送机之上。 TramVeyor装运系统最初是在Bailey 煤矿开发试用的，随后将其推广到其它两个煤矿进行测试。现在的型式是经过1992年改进后，在Dilworth 煤矿试验成功的。Dilworth 矿之所以选定这种型式，是因为那时该矿开采的煤层底板比较松软，常导致梭车出现故障而停产。200m长的TramVeyor装运系统对底板的压力很小，因而用于松软底板条件下可确保生产正常进行。 5 胶带输送机的快速前移 过去，如需前移盘区胶带输送机，则必须要将胶带输送机先停下来，然后再将一段新的胶带插入到输送机底部框架结构和胶带托辊中。典型情况下，前移一段80m的胶带输送机，需要停工几个小时，甚至一个生产作业班。应用连续胶带输送机前移系统前移胶带输送机时，允许胶带输送机在全负荷工作状态下，将胶带输送机延长,将前移胶带输送机所造成的盘区停工时间，减少到仅仅是移动胶带输送机机尾的一小段时间。连续胶带输送机前移系统由两个部分组成。一个是临时性的胶带支撑框架结构（TBS），它的作用是在盘区胶带输送机机尾后方建立延伸胶带输送机的结构；另一个是胶带连接安装机构（SAM），其作用是在胶带输送机全负荷工作状态下，安全地插入新增的胶带并联接上，从而将胶带输送机延长。 胶带连接安装机构上配置有保护作业人员的装置，以防止作业人员受到不必要的伤害。这是因为作业人员在安装新增加胶带时，盘区胶带输送机处于全负荷运转状态下。使用胶带连接安装机构来联接胶带时，下部的胶带（返回侧）通过一个金属衬套将其整个封闭住，而上部的胶带（截煤侧）则使用一个槽状的金属衬套将其下侧覆盖住，并用包角将其与胶带紧紧地卡在一起。应使得胶带上的煤炭能极容易地通过金属衬套。在胶带连接安装机构的保护下，操作人员在不接触到运动着的胶带时将新增的胶带顺利地连接到盘区输送机上。当完成盘区胶带输送机机尾的前移后，再移动临时性的胶带支撑框架结构。然后将新增加胶带插入胶带机连接机构连接起来，就完成了盘区胶带输送机的前移工作。 6 设备维护 固本能源集团采用长壁技术开采的工作面一般都是一天3班作业，周工作时间6至7天。人们已认识到，对设备进行技术维护与购买长壁开采设备的投资同样重要。今天，固本能源集团的煤矿，设备是定时定点进行运行和维护的，即使生产作业的时间安排发生改变，也要求操作人员必须在工作面进行交接班。鉴于作业程序已将机械设备的使用安排到了最大限度，所以正常情况不允许随意更改作业程序和预防性的设备维护程序。 值得一提的是，固本能源集团已经开发出了一种可用来预测设备是否已出现故障的程序。这种“主动式的维护程序”或“预知式的维护程序”为煤矿管理人员提供了对设备进行以需要为基础的维护的一种机会。所谓预知式的维护就是，在一件设备可能会出现故障之前，使操作人员有时间去准备必须的修理程序、预备所需更换的部件、或者要求专家亲临现场处理，以使得问题能快速有效地得到解决。 应用预知式维护程序要求操作人员提供比较详细的设备性能分析资料，这些分析资料包括该设备新来时的资料和大修改造后的一切资料。通过全面的分析，就可建立起分析可能出现问题的基本标准，以便与当前的实际情况进行对比。然后就可将这些分析资料提供给维护工程师，由他们来确定设备存在的问题恶化程度的快慢、设备还能运行多久、是否马上就会损坏或完全瘫痪。 预知设备还能正常运行多久的时间，对设备进行维护修理的工作很重要,不仅可使人们有足够的时间来确定将设备放置到什么地方，以便修理时有足够的空间，或让修理人员能容易接近到需修理的地方；而且还能让人们提前作好准备，备好必需的部件，以充分节约宝贵的生产时间。 7 结论 (1）固本能源集团是美国使用长壁工作面开采技术最多的煤炭公司。该集团自70年代初引进与应用长壁工作面开采技术以来，经过20 多年的改进与完善，使长壁工作面的产量与效益稳步提高，各种带有自动控制的开采设备越来越大、功率越来越高。 (2）为了减少盘区开拓准备巷道的掘进工作量，长壁开采盘区几何尺寸正朝着越来越宽、越来越长的方向发展。 (3）将房柱式开采技术中采用连续采煤机掘进巷道的作法，应用到长壁盘区采准巷道的掘进是提高掘进速度的最佳选择。 (4）通过改进与完善连续运输设备和连续胶带输送机推进装置，有助于提高连续采煤机的掘进速度。 (5)对各种开采设备采用预知式的维护程序来进行维护，可有效地提高设备的使用率。
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