神东千万吨矿井群掘进设备配套管理探索

闫 帅

(国能神东煤炭集团设备管理中心,陕西 榆林 719315)

0 引言

国家能源集团下属的神东煤炭集团,作为全国率先实现原煤产量过2亿t的大型煤炭基地,其独特的千万吨高产高效矿井群机电管理模式,对全国大型煤炭生产基地具有重要的指导意义[1]。就神东千万吨矿井群机电管理模式中的综采设备配套方面的具体情况进行分析阐述。

1 神东矿井概况

国能神东煤炭集团位于陕西省北部,晋、陕、蒙三省交界地带,陕北能源重化工基地中心。煤田占地总面积约3.12×104km2,探明储量约2 236亿t,是目前中国已探明储量最大的整装煤田,占全国已探明储量的1/4,属世界八大煤田之一。该煤田煤层埋藏浅(大部分在100 m以内)、上覆基岩薄、煤层稳定,极易大规模机械化长臂开采。神东煤炭集团现有高产高效煤矿14个,自公司成立以来,立足世界前沿、创新采煤技术,形成了千万吨矿井群建设核心技术体系。先后建成全国第一个全断面快速掘进工作面,第一个智能连掘工作面、第一个智能掘锚工作面。神东煤炭集团掘进采掘机械化率达到100%,实现52支掘进队伍保障33～35个综采队伍工作面巷道准备工作,神东煤炭集团的高产高效离不开高度集中的掘进设备配套管理的模式。

2 神东掘进设备管理模式

2.1 概况

神东矿井煤层特点、开采条件大体相同,掘进设备配套大循环具有得天独厚的优势。神东煤炭集团将所有掘进设备划为有偿使用设备由集团下属二级单位设备管理中心负责统一管理,方法为计划编审—采购—到货验收—配套使用—改造升级—调运入厂、入库—维修存放—资产评估—报废处置等设备资产的全寿命管理模式[2]。

2.2 神东掘进设备配套管理现状

神东煤炭集团年产原煤2亿t,高峰期同期在采掘进工作面56个,2021年全年实现设备回撤验收和配套替换共计206台(套)。现有掘锚一体机共计5种型号46台,采高范围分别为2.0～3.3 m、2.3～3.4 m、2.8～3.8 m、3.2～4.2 m、3.8～5.5 m;连续采煤机5种型号41台,采高范围分别为1.2～2.5 m、1.5～3.1 m、1.6～3.68 m、2.4～4.6 m、2.8～5.1 m;掘进机有5种型号32台,其中采高范围分别为2.0～3.6 m、2.6～4.8 m、3.5～5.5 m;四臂锚杆机有5种型号55台,支护范围分别为1.2～2.2 m、1.6～3.7 m、2.0～4.0 m、2.2～4.6 m、2.2～5.0 m;梭车有3种型号61台,运输能力分别为10 t、13 t、18 t;履带式转载破碎机有7种型号81台;桥式转载机有5种型号39台。为了最大限度提高设备利用率,减少设备购置数量,神东掘进工作面设备按照单、双巷掘进方式的配套标准及原则进行配套使用。由于设备基数大,采掘条件不同、掘进方式不同,对应的设备配置方式也会有所变化,按照每年56个掘进工作面的设备整体配套基数,并考虑设备使用期间的大修替换,如此庞大的工程量仅有1名配套人员,似乎是不可能完成的任务。但在实际运行中却有条不紊,主要原因有:①准确的计划制订-实施制度。各生产矿井根据矿井开采条件及产量计划,依次编制月度/年度/3年度/5年度掘进设备配套计划,并严格遵照执行。②标准化流程建立。建立健全的设备配套管理流程,提高工作效率。如:设备配套流程、设备年度配套计划编制审批流程、设备采购计划提报流程等。③信息化平台的应用。先后建成EAM资产管理系统、ERP企业管理系统、生产管理系统、设备报废管理系统等。

2.3 掘进设备配套管理流程

面对14个高产高效矿井,如何高效、准确的完成掘进设备配套任务,提高掘进队伍的掘进效率、减少固定资产投资、提高设备利用率的同时又能使每台设备发挥自身最大的工作效率,一直是神东煤炭集团设备配套管理人追求的目标。经过近二十年的实践,逐渐形成了神东自己的掘进设备配套流程。设备配套流程的建立,使这个庞大的千万吨矿井群设备配套工作变得简单易操作。神东设备配套流程如图1所示。

图1 设备配套流程Fig.1 Supporting flowchart of equipment

2.4 掘进设备配套原则及标准

神东掘进设备按照掘进方式分为连掘设备、掘锚设备、综掘设备3类。连掘设备主要用于煤巷的双巷掘进,掘锚设备用于煤巷的单巷掘进,综掘设备用于半煤岩巷道、全岩巷道掘进。按照掘进设备的作业方式及掘进主机特点,掘进设备配套可分为3大类。

2.4.1 连续采煤机及后配套设备

连掘工作面主要设备有连续采煤机、四臂锚杆机、梭车、履带式转载破碎机、蓄电池铲车、两臂锚杆锚索钻车、六臂锚杆锚索钻车。连续采煤机机动灵活、投资小、见效快、适应范围广,在使用中可实现“即进即退”[3],主要完成工作面割煤、落煤、装煤等作业工序,可根据工作面采掘要求配套不同采高的连采机来满足掘进要求;四臂锚杆机主要完成工作面锚杆支护,连采机的采掘范围选型适宜支护高度的锚杆机完成支护要求;梭车配合连续采煤机将工作面的物料转载运输到履带式转载破碎机,完成工作面姐煤和卸煤的工序;履带式转载破碎机具有破碎、运输的功能,与梭车配套使用,完成破碎及转载运输至胶带运输机的工序,其单位时间内破碎、转载运输能力应大于梭车的载重吨位;铲车完成工作面巷道清理及支护材料等物料的辅助运输;两臂钻车、六臂钻车完成工作面帮锚杆、顶锚杆及顶锚索的补强支护。连掘配套设备如图2所示。

图2 连掘配套设备Fig.2 Supporting equipment for continuously tunneling

2.4.2 掘锚一体机及后配套设备

掘锚工作面主要配套使用掘锚机一体机、梭车或桥式转载机、锚运破一体机或履带式转载破碎机、两臂锚杆锚索钻车完成巷道掘进工作。掘锚一体机是目前短臂工作面快速掘进最先进的设备,它能够在截割过程中进行支护,实现掘、锚、运同步作业[4]。

根据掘进巷道的长度、掘进条件、掘进工艺选择适合的后配套设备是掘锚工作面配套的核心。

在地质条件允许的情况下,掘锚机在完成断面掘进作业后或在截割作业的同时,只进行必要的顶锚杆和上部帮锚杆的支护,剩余锚杆、锚索支护可由锚杆转载机组完成[5]。掘进工作面掘进时间大于50 d的顺槽掘进时优先配套掘锚机一体机和煤矿用桥式转载机的配套形式,通过转载机与伸缩带式输送机搭接长度的变化保证转载机运输的连续性,减少伸缩带式输送机拉伸输送带的次数,缩短辅助工时加快掘进速度[6]。可以实现掘锚机只前进不退机,减少工作面的移动设备数量,保障作业人员的安全。考虑到掘进工作面锚杆、锚索支护数量,在支护量较大工作面,可配套锚运破一体机辅助补强支护。锚杆锚索转载机组是一种集装运和锚杆、锚索支护等功能于一体的巷道支护设备,可配套掘锚一体机或掘进机组成快速掘进系统,各设备分工协作,分段支护,实现巷道掘、支、运平行作业与连续运输,提高巷道掘进效率,缓解掘、锚失衡矛盾[7]。掘锚工作面配套掘锚机一体机需要根据掘进巷道的参数确定,神东掘锚工作面配套可分为5种配套类型,其中薄煤层工作面(工作面高度:2.0～2.8 m)配套MB670-1型掘锚一体机(采高范围:2.0～3.3 m),后配套薄煤层两臂锚运破一体机或LY2000/310型履带式转载机破碎机,搭接薄煤层桥式转载机(搭接长度30 m)实现工作面快速掘进[8];中厚偏薄煤层工作面(工作面高度:2.6～3.2 m)配套MB670型中厚偏薄煤层掘锚机一体机(采高范围:2.3～3.4 m),后配套薄煤层两臂锚运破一体机或LY2000/310型履带式转载机破碎机,搭接普通型桥式转载机(搭接长度30 m);中厚煤层工作面(工作面高度:2.8～3.8 m)配套MB670型中厚煤层掘锚机一体机(采高范围:3.2～3.8 m),后配套中厚煤层五臂锚运破一体机或LY2000/310型履带式转载机破碎机,搭接大跨距桥式转载机(搭接长度51 m);大采高煤层工作面(工作面高度:3.4～4.2 m)配套MB670型中厚煤层掘锚机一体机(采高范围:3.2～4.5 m),后配套设备与中厚煤层工作面相同;超大采高掘锚工作面(工作面高度:4.2～5.1 m),配套使用EJM270/4-2(J/K)型成套快速掘锚设备(采高范围:3.8～5.5 m)。掘锚配套设备如图3所示。

图3 掘锚配套设备Fig.3 Supporting equipment for tunneling and anchoring

2.4.3 综掘机及后配套设备

综掘工作面根据掘进岩石厚度及硬度分为半煤岩工作面和全岩工作面,配套设备主要有综掘机、两臂锚杆锚索钻车、移动式刮板转载机、综掘机后配套转载机。其中综掘机是一种性能可靠、布局紧凑、操作方便、自动化程度高的悬臂式掘进机。适用于煤矿中、小型断面全岩巷道的掘进,尤其适用于瓦斯抽放巷中掘进[9]。

神东使用的综掘机按照截割硬度分为全岩和半煤岩2种机型。按照掘进巷道长度,在长距离掘进工作面配套综掘机、综掘机后配套转载机、两臂锚杆锚索钻车,可实现综掘机搭接转载机运输物料至胶带机;短距离掘进工作面配套综掘机、两臂锚杆锚索钻车、移动式刮板转载机,通过工程车运输物料至移动式刮板转载机,后转载运输到胶带机。

通过设备配套原则给不同矿井的不同采高、不同地质条件的掘进工作面配套最优的掘进设备,使每个工作面的设备在使用中相互配合、性能上相互匹配的构成一个整体,从而发挥每个设备的最大效能,提高安全生产效率及企业经营效益。

硬性原则:工作面设备配套必须要注意的事项和必须要遵循的配套原则很多,其中影响安全生产、配套合理性的主要有以下几点,①掘进主机中掘锚一体机、连续采煤机、掘进机的吨位、外形尺寸、运输高度、采高范围与矿井运输条件、工作面地质条件、掘进巷道施工工艺相匹配。②四臂锚杆机、两臂锚杆锚索钻车的支护高度、宽度与工作面巷道参数相适应。支护设备的最大支护高度应高于支护巷道的高度。③梭车、桥式转载机、移动式刮板转载机的运输能力应满足。④掘锚一体机、连续采煤机、掘进机的生产能力与梭车或桥式转载机、履带式转载破碎机、胶带机运输能力相匹配,即生产运输能力依次增强。⑤履带式转载破碎机的卸载高度与工作面高度、胶带机机尾高度相适应。

经验性原则:工作面设备配套除了必须遵守的配套原则外,考虑到神东不同矿井工作面重要程度不同、使用习惯不同,经过长期配套过程中总结得出一些经验,主要有以下方面的考虑,①对地质条件复杂、顶板破碎、矿压较大、瓦斯较大和安全管理压力较大的矿井配套使用安全性能较高的适用于单巷掘进的掘锚设备。如神东布尔台矿、保德矿、寸草塔二矿等。②主力矿井主力工作面设备配套使用性能、状态较好的掘进设备,双巷掘进配套连续采煤机及后配套设备,单巷掘进配套由掘锚机及锚运破一体机和大跨距桥式转载机快速掘进设备,保证公司原煤产量和经济效益,如神东补连塔矿、上湾矿、大柳塔矿。③给离中心矿区偏远的生产矿井(如神东保德矿、锦界矿),尽可能配套大修竣工设备,非必要不配套直搬设备,可减少设备更换频率和调运费用。④同一矿井同种掘进队伍配套设备尽量配套选用同一型号和或同一厂家的设备,便于各矿熟练掌握设备操作性能,减少配件储备数量,节约资金。⑤连掘设备配套需注意事项,连续采煤机最大截割高度和最小截割高度应按照掘进巷道设计高度确定,最大截割高度应大于工作面掘进巷道设计高度200 mm以上,最小截割高度应大于连采机配套机身高度400 mm以上且应与最大截割硬度相适应;四臂锚杆机最大支护高度应大于掘进巷道设计高度500 mm,最小支护高度应不大于机身高度;履带式转载破碎机行人侧最突出部分与巷壁的间隙应大于800 mm,非行人侧最突出部分与煤壁的间隙应大于300 mm。⑥掘锚设备配套需注意事项,考虑后期设备回撤时底板硬化和锚索支护外漏长度等因素,掘锚一体机的最低截割高度应大于机身高度400 mm以上,最大截割高度应大于工作面掘进巷道设计高度200 mm以上;后配套桥式转载机应充分考虑巷道高度,根据工作面掘进要求及巷道高度来确定使用搭接长度60 m或30 m的桥式转载机。

2.5 形成原因及优点

神东千万吨矿井群设备配套管理模式是神东经过20多年发展总结形成的独特管理模式。它的发展形成有其特殊的原因,神东矿区开发晚、起点高、且矿井集中、煤层稳定类似等特点是其形成的先决条件和优势。神东其大配套模式的优点:设备通用性强、减少设备购置资金、设备使用稳定可靠、设备故障率低、降低设备大修费用[10]。

2.5.1 提高设备通用性高

前期设备选型购置过程中将掘锚一体机、连续采煤机、掘进机、四臂锚杆机、梭车等设备分类编制标准标书,对设备关键尺寸及性能进行统一要求,提高设备通用性便于各类设备大循环配套使用。后期经过科学合理的设备配套,将各类设备合理、高效的配套在一起并发挥其最大效能。设备通用性较高,同一矿井的掘进条件相近的工作面中使用同一厂家的掘进设备,这样做能够减少设备备件储备。

2.5.2 降低设备故障率

机电设备故障率直接反映出煤矿机电管理水平的好坏,掘进设备如果故障率较高,将直接影响掘进速度。通过合理的设备配套,减少使用过程中设备之间相互干涉或影响,做到日常检修与设备大项修相结合,使设备运行在最佳状态,同时严格的井下运行管理等制度可以大大降低设备运行故障率。神东集团全矿井万吨煤设备故障停机率逐年降低,仅为0.3%～0.5%之间,处于国内领先水平。

2.6 不足及改进

随着掘进设备自动化的迅猛发展,采矿设备由机械化向智能化升级,智能化掘进设备所要求的技术含量更高。神东前期购置的掘进设备技术老化,不能满足矿井智能化升级的要求,导致这部分设备长期闲置,影响设备的整体配套。针对这部分设备,一方面通过电控系统的升级改造,满足智能化矿井建设的要求,可以重新利用;另一方面,对无法改造或没有改造价值的淘汰类设备,通过对外租赁、拍卖等方式进行处置,盘活资产,提高设备整体效能[11]。

随着神东集团的不断发展和壮大,掘进工作面数量逐年增多,设备数量和型号不断增加,设备配套任务繁重,需要注意的事项越来越多,人工配套的出错几率大大提高[12]。针对这个问题,神东集团开发的生产管理系统经过不断增加和改进配套原则和注意事项,对配套设备进行前期筛选,提高配套的准确性;同时配套人员的业务素质、工作经验、团队意识同样需要提高到一定高度。

3 结语

掘进设备配套应遵循安全第一、高效生产、相互协调、满足地质条件和掘进巷道断面的需求,同时考虑设备的尺寸大小以及运输能力。神东独特的机电管理及设备配套管理模式,为神东矿井集群式发展、高产、高效、高利润提供强大的动力。掘进设备的配套、调剂、周转使用模式为煤炭行业生产规模化、一体化、高科技化的发展起到带头和指导作用。