一、采煤機發(fā)展
在薄煤層高效綜采的核心技術中，最為關鍵的是機械化落煤技術。在美國，普遍采用大功率滾筒式采煤機開采薄煤層，其工藝途徑是切割巖石把采高提高到1.3m以上。
國外薄煤層大功率電牽引采煤機均是在20世紀80~90年代研制成功，進入21世紀以來，除DBT公司推出的自動化刨煤機、捷克T Machinery股份公司的MB240E、MB290E和MB320E外，美國JOY公司在7LS1A的基礎上開發(fā)了7LS0采煤機，其他主要煤機制造商在薄煤層電牽引采煤機方面未見有新機型推出。
德國艾柯夫公司20世紀80年代研制成功的EDW-300LN型薄煤層爬底板采煤機，采高0.9~1.7m，裝機功率335kW，其中截割功率300kW，牽引功率2×17.5kW，牽引速度0~5.4/8.6m/min，牽引力353/221kN，采用直流或交流電牽引。
原英國朗道公司在20世紀90年代中期推出的安德森薄煤層Electra交流變頻電牽引采煤機，采高1.0m~1.5m，采用多電機橫向布置驅動，截割電動機懸掛在煤壁側，總裝機功率516kW，其中每個搖臂截割功率225kW，牽引功率2×33kW，牽引速度0~6/12m/min，牽引力504/252kN，牽引系統(tǒng)的變壓器與變頻器安置在巷道內以便于維護。
20世紀80年代后期，波蘭KOMAG采礦機械化研究中心與煤科院上海分院聯(lián)合研制KSE-344型爬底板交流電牽引采煤機，適用采高0.9~1.6m，裝機功率344kW，截割功率300kW，牽引功率2×22kW，牽引速度0~6/7.8m/min，牽引力350/262kN，牽引系統(tǒng)的變壓器與變頻器安置在巷道內。再次基礎上，將牽引功率增大至2×30kW，研制成KES-360型薄煤層采煤機。
成立于2003年的捷克T Machinery股份公司，推出的MB240E型采煤機適用于采高0.8~1.6m，總裝機功率219.5kW，牽引力2×160kN，機重14t。MB290E型采煤機適用于采高1.0~2.1m，總裝機功率291.5kW，牽引力2×220kN，機重17t。MB320E型采煤機適用于采高1.0~2.3m，總裝機功率321.5kW，牽引力2×220kN，機重17t。
2011年久益公司推出的7LS0采煤機配套高度890mm，適應采高1.3~2.0m，總裝機功率820kW，截割功率2×336kW，牽引功率2×60kW，機重45t。截割電機、機身布置在煤壁側，達到降低機面高度、增大過煤空間的目的。采用非機載方式，即牽引變頻器、變壓器安置在巷道的專門控制箱內，縮短了機身長度，降低了機身的復雜性，提高采煤機的適應性。配備智能截割系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動化開采。
國內煤科院上海分院研制的MG344-PWD型強力爬底板采煤機是“七五”、“八五”期間由中國與波蘭合作研制的新一代薄煤層采煤機，該機技術性能達到當時國際同類的先進水平。機面高度600mm，采用先進的交流變頻調速技術，變頻裝置安放巷道內?？傃b機功率344kW，其中截割功率300kW，牽引功率2×22kW，采用齒輪-銷軌式無鏈牽引，最大牽引力350kN，牽引速度0~6/7.8m/min。適用于0.9~1.6m，煤質較硬的薄煤層工作面。采用爬底板方式，對底板要求較高，底板太軟或起伏太大，適應性差，使用范圍有一定的局限性。
90年代，煤科院上海分院研制了MG200/450-WD型薄煤層電牽引采煤機，該機采用多電機橫向布置驅動，交流變頻調速無鏈牽引等技術?？傃b機功率450kW，截割功率2×200kW，牽引功率2×25kW，牽引力440kN，牽引速度0~6m/min。采用騎輸送機方式布置，截割電機懸掛在煤壁側。適用采高1.0m~1.7m。
在此基礎上，研制了MG2×125/550-WD型采煤機，騎輸送機布置，采用多電機驅動橫向布置，截割部采用雙電機聯(lián)合驅動，機面高度980mm?？傃b機功率550kW。后研制成功了MG200/456-WD型采煤機，機面高度860mm。
2007年，研制成功了MG320/710-WD、MG2×150/700-WD、MG400/890-WD、MG2×200/925-WD型采煤機。
2001年邢臺金牛礦業(yè)股份有限責任公司推出MGN132/316-DW型電牽引采煤機，采用多電機橫向布置，電磁滑差調速無鏈電牽引，總裝機功率316kW，采高1.1~1.9m，搖臂截割功率132kW，牽引2×25kW，牽引力350kN，牽引速度0~6m/min。
為滿足0.9~1.0m薄煤層開采需要，國內主要煤機裝備公司推出多款采煤機，主要機型MG100/238-WD、MG150/346-WD、MG200/446-WD、MG2×70/325-BWD、MG100/240-BWD、MG180/420-BWD等型號。除MG100/238-WD、MG180/420-BWD采用特殊總體布置方式外，其余均采用搖臂雙電機布置方式。MG100/238-WD型采煤機搖臂截割電機、牽引電機等布置在輸送機鏟煤板上方，充分利用了輸送機鏟煤板和槽幫上方的空間，截割電機縱向布置，有效降低了采煤機機身厚度，降低了機面高度和增大過煤空間，配套機面高度580mm。MG180/420-BWD型采煤機采用爬底板布置，采煤機主傳動部分均布置在煤壁側。
從最低采高看，僅有MG100/238-WD型采煤機采高范圍0.75~1.3m，最低采高低于0.8m?？刹捎玫臐L筒直徑750mm、850mm、950mm。
針對低于0.8m極薄煤層的開采，主要應用的采煤機有MG110/130-TPD、MG100-TP型。
MG110/130-TPD型小機身、大功率、高截割能力自動化爬底式電牽引滾筒采煤機符合0.8m以下極薄煤層賦存條件，能滿足截割頂、底板和堅硬夾矸的需要，塊煤率高，裝煤效果好等，性能參數(shù)滿足工作面高效生產要求；滾筒有足夠的下切深度（100~300mm），適應工作面過構造時割平底板；機身和人身安全保護完善；機電保護能防止過載、過溫、防爆，對液壓油和冷卻水能抗污染，有可靠的防塵機構。技術特征為：采高0.52~0.8m；煤層傾角≤35°；生產能力315t/h；裝機功率128.5kW；滾筒直徑550~800mm；截深600mm；重量11t。
MG100-TP型單滾筒爬底板采煤機是國內機身最薄的采煤機，機身尺寸：3848mm×910mm×380mm，適用煤層厚度0.5~0.9m，煤質中硬（f≤3），傾角＜30°的煤層，整機重量7t，電機功率100kW，生產能力75~100t/h，雙向采煤，牽引速度0~3m/min，采煤機正常割煤速度1m/min，當傾角＞15°時，機器增加防滑絞車。
400B薄煤層采煤機，采用機身爬底板方式，最小可滿足0.7m煤層的綜采工藝需求。機面高度低（采礦區(qū)側550mm），過煤空間大（320mm），行走輪布置在鏟板側，采高范圍為0.7~1.4m，最小可配套650滾筒，適應年產50萬t要求。機身一體化設計，機身長度短（2830mm），可以最大程度適應底板起伏變化。機身底部設有支撐滑靴，配有伸縮油缸，適應底板起伏變化。截割部的設計上，滾筒截割頭行星直徑尺寸小，搖臂配有水平與垂直方向的擋煤板，裝煤效果好。截割電機扭矩軸采空區(qū)側拆裝，牽引電機上蓋拆裝，整機便于維護。采煤機過橋配有調斜油缸，可對煤機俯仰采進行調節(jié)，整機俯仰采角度（+2°或-3°）。整機可適應20~45°傾角工作面。
主要技術參數(shù)：
截割功率：2×160kW，210kW
牽引功率：30kW
裝機功率：385kW，485kW
采高范圍：0.7~1.4m
機面高度：550~750mm
過煤高度：320mm
滾筒直徑：650mm~1000mm
二、采煤機配套
薄煤層開采的特點是空間狹小、設備維護困難，我國研制使用的薄煤層滾筒采煤機已有近20種。這些采煤機大致可分為騎溜式和爬底式兩種，當采高大于0.8～0.9m時，采用騎溜式采煤機；當采高小于0.8m時，一般采用沿底板運行的爬底板式采煤機。騎溜采煤機方式的技術思路是在中厚煤層綜采設備的基礎上，通過縮小設備外形尺寸、減小裝機功率以適應薄煤層，但其最低采高只能降低至1.2m，只能開采很小比例的薄煤層，不能大范圍應用。爬底板采煤機開采只適應頂?shù)装鍡l件好、煤層賦存穩(wěn)定的煤層，使用范圍受到很大限制，且效率較低。
近年來，隨著科研技術的投入和薄煤層高產高效的要求，發(fā)展了懸機身（電機橫向）布置的采煤機，如圖1所示。
圖1 采煤機布置方式圖
由此，發(fā)展形成了兩種典型的綜采配套方式，如圖2所示。
圖2 兩種薄煤層綜采典型配套示意圖
如上圖所示，新型布置方式的采煤機采用騎運輸機鏟板懸臂式布置，為增大設備功率、提高設備強度創(chuàng)造了更大的空間。懸臂式設計、截割滾筒端面布置、牽引部和調速變頻系統(tǒng)外置，降低了機面高度、縮短了機身長度，創(chuàng)造了更多空間，有利于頂板控制，對起伏底板的適應性增強，檢修方便。通過支撐滑靴、導向裝置、連接推桿和調節(jié)千斤頂，將“三機”連結成有機整體，使位于運輸機外側的支撐在運輸機鏟板上的采煤機實現(xiàn)動態(tài)平衡和可導向。解決了采煤機跑偏、飄刀、啃底和運輸機上竄下滑等問題，保障大功率設備安全高效可靠運行。如圖3所示。
圖3 “三機”聯(lián)合平衡穩(wěn)定示意圖
采煤機采用了空間限位的強制裝煤方法。將采煤機截割滾筒由側面布置改為端面布置，滾筒后方設犁煤機構，由輸送機、采煤機、煤壁、頂?shù)装骞餐饔?，在空間上限定煤炭只能向輸送機方向運動，配合內旋式滾筒使煤炭能夠順利裝載，取代單一的滾筒螺旋葉片拋灑裝煤技術，裝煤率可由30%以下提高到90%以上，解決了薄煤層裝煤效果差的難題。
也有的采煤機上設計了乘人裝置，結束了人員在薄煤層工作面只能爬行的歷史，減輕了工作人員的勞動強度。
該類型采煤機的典型代表型號有：MG200/456-AWD、MG2×160/710-AWD、MG2×160/730-AWD、MG2×200/925-AWD，采煤機如圖4所示，其主要技術參數(shù)如表1所示。
圖4 典型的橫向布置的薄煤層采煤機圖
表1 典型懸臂式布置采煤機參數(shù)表
這幾款采煤機均為電牽引采煤機，是多電機驅動，電機橫向布置，全機載交流變頻調速無鏈雙驅動電牽引采煤機。機面高度853mm~930mm，適用于最低采高1100～1250mm，煤層傾角≤40°的較薄煤層，綜采或高檔普采工作面。
此種采煤機同樣有其缺點：（1）采煤機的重心位于煤壁側，偏出了支撐滑靴，采煤機在運行過程中，穩(wěn)定性較差，行走系統(tǒng)受力情況惡劣，易出現(xiàn)故障。（2）對俯采及軟底板的適應性較差。采煤機處于俯采或底板較軟時，采煤機機身易失而向前傾倒，運行穩(wěn)定性差。（3）最大采高不宜超過滾筒直徑太大，采高范圍不宜過大。當最大采高小于滾筒直徑和煤壁側機身下部空間的高度時，可按正常方式采煤，即前滾筒采上刀后滾筒采下刀；當最大采高大于滾筒直徑和煤壁側機身下部空間的高度時，則必須更換采煤方式，前滾筒需先采下刀以截割出機身通道，否則采煤機煤壁側機身無法通過。
三、支架及刮板輸送機
根據(jù)極薄煤層低于0.8m的厚度特點，針對極薄煤層的支架一般最低高度均低于0.8m，最低0.55m。一般采用1500mm支架中心距，支護強度0.3~0.4MPa。
幾款典型支架如下：
①ZY6000/07/17
通過對高強度超薄梁結構和大伸縮比、內循環(huán)、高可靠性、短密封帶的立柱等技術的研發(fā)，研制了中心距1.75m、工作阻力6000kN的ZY6000/07/17型薄煤層液壓支架。
②ZY3300/07/13
支架中心距1500mm，支撐高度700~1300mm，支架初撐力2618kN，工作阻力3300kN，支架支護強度0.42~0.48MPa，推移千斤頂行程700mm。
③ZY3500/07/16.5
支架中心距1500mm，支撐高度700~1650mm，支架初撐力3092kN，工作阻力3500kN，支架支護強度0.32~0.48MPa。
④ZY2400/5.5/12
支架中心距1500mm，支撐高度550~1200mm，工作阻力2400kN，支護強度0.41MPa。
⑤ZDZ2400/5.5/8.8
支架中心距1500mm，支撐高度550~880mm，整機尺寸2100×1300×550mm，支架適應傾角≤25°。
極薄煤層開采受到配套尺寸的影響，刮板輸送機槽幫高度盡可能低。一般槽幫高度在190mm~280mm，盡可能低。
幾款典型的薄煤層刮板輸送機如下：
①SGZ630/220：中部槽尺寸1500×630×190mm，采用圓環(huán)鏈22×86mm。
②SGB630/150：中部槽尺寸1500×630×190mm，采用圓環(huán)鏈18×64mm。
③SGB630/180（220）：中部槽尺寸1500×630×222mm，采用圓環(huán)鏈22×86（92）mm。
④SGB630/220：中部槽尺寸1500×590×208（240/252）mm，采用圓環(huán)鏈22×86（92）mm
⑤SGZ764/630
SGZ764/630型薄煤層刮板輸送機，采用26mm×92mm高強度扁平緊湊鏈條及其刮板組件、高220mm鑄造槽幫中部槽、大功率緊湊型行星減速傳動系統(tǒng)、平機頭矮型機頭架、分體變頻控制系統(tǒng)、鏈條自動張緊系統(tǒng)和傳動監(jiān)控系統(tǒng)等。
⑥SGZ800/2×400
與MG2×200/925-AWD采煤機配套的薄煤層專用SGZ800/2×400型刮板輸送機，采用34×126mm（扁平鏈C級）中雙鏈，電壓等級3300V，槽幫高度280mm。
⑦SGB520/2×55
SGB520/2×55型極薄煤層刮板輸送機，其特點：①優(yōu)化了中間槽截面寬度，減少支架控頂距；②使用了合頁擋板技術，解決了煤炭后溢難題；③在煤壁側焊有導向塊，既滿足了采煤機導向要求，又加強了整體強度；④中部槽采用鑄造端頭，軋制槽幫和高強度中板的組焊結構，啞鈴連接，滿足了推溜拉架的要求，減少了維修量。主要技術特征為：設計長度200m；輸送量100t/h，中部槽1500mm×520mm（外寬）×190mm；機頭、機尾驅動裝置能互換；整機左右工作面能互換。
四、應用實例
1.實例1
某煤礦N1014工作面走向長1280m，傾向長度110m，煤層傾角16~19°，內連上分層煤厚0.52m~0.78m，平均厚度0.75m。煤層硬度f=1.91，為軟-中等硬度煤層?；卷敒榛疑辛Ｉ皫r，f=3~7，厚度平均17m。直接頂為灰色砂質泥巖，層理發(fā)育，f=2~4，平均厚度10.2m。工作面如圖5所示。
圖5工作面布置圖
通過分析得到限定變形條件下的支護強度為0.395MPa。研發(fā)了ZY2400/5.5/12型支架，支護強度0.41MPa。支架的特點是：①高度550~1200mm，采用雙伸縮立柱的形式。②整體層疊頂梁結構，在保證強度、減少撓度的前提下降低頂梁厚度。③頂梁、掩護梁均設有單側活動側護板。④底座為封底式剛性結構，底座比壓小，底座前部（含中襠）均由上翹量，利于移架。⑤底座中襠尺寸大（420mm），推桿為板式結構，在高度有限的情況下，增加了行人空間；前后均由過橋連接，具有一定的排煤效果。底座兩側根據(jù)工作面傾角的不同安設底調千斤頂，以適應大傾角煤層開采。⑥設有可靠的平衡千斤頂機械限位和掩護梁最低高度限位裝置。⑦采取雙前連桿、雙后連桿結構，支架穩(wěn)定性好，可靠性高。
研發(fā)了MG110/130-TPD型小機身、大功率、高截割能力自動化爬底式電牽引滾筒采煤機。該采煤機符合0.8m以下極薄煤層賦存條件，能滿足截割頂、底板和堅硬夾矸的需要，塊煤率高，裝煤效果好等，性能參數(shù)滿足工作面高效生產要求；滾筒有足夠的下切深度（100~300mm），適應工作面過構造時割平底板；機身和人身安全保護完善；機電保護能防止過載、過溫、防爆，對液壓油和冷卻水能抗污染，有可靠的防塵機構。
技術特征為：采高0.52~0.8m；煤層傾角≤35°；生產能力315t/h；裝機功率128.5kW；滾筒直徑550~800mm；截深600mm；重量11t。
研發(fā)了SGB520/2×55型極薄煤層刮板輸送機，其特點：①優(yōu)化了中間槽截面寬度，減少支架控頂距；②使用了合頁擋板技術，解決了煤炭后溢難題；③在煤壁側焊有導向塊，既滿足了采煤機導向要求，又加強了整體強度；④中部槽采用鑄造端頭，軋制槽幫和高強度中板的組焊結構，啞鈴連接，滿足了推溜拉架的要求，減少了維修量。
主要技術特征為：設計長度200m；輸送量100t/h，中部槽1500mm×520mm（外寬）×190mm；機頭、機尾驅動裝置能互換；整機左右工作面能互換。
圖6工作面設備配套圖
在0.75m條件下，工作面設備的能力配套合理，生產能力達到20萬t/a的水平，工作面產量較炮采提高了1.67倍，工效提高了3.6倍。采煤機行走正常，最大爬坡42°，適應較大的坡度變化；具備較強的截割能力；采煤機裝煤達到了90%以上，煤流暢通；移架速度與采煤機的牽引速度相適應。工作面回采率達到了98.7%的水平，滿足97%的要求，用人較炮采每天減少37人，減少了32.7%，正規(guī)循環(huán)率達到了82%。
2.實例2
某煤礦開采二迭系龍?zhí)督MK1煤層，煤層分叉為上下兩層，K?1為下分層，煤厚0.59~1.1m，平均0.82m；K?2為上分層，煤厚0.94~1.5m，平均1.27m；煤層之間夾矸0.7~3.2m，平均1.5m。全區(qū)穩(wěn)定可采，投產以來一直開采上分層，由于兩層煤距離近、煤層薄、頂板為采空區(qū)再生破碎頂板等，一直未采。多年的開采，上分層儲量減少，如何安全高效開采下分層成為急需解決的問題。
工作面三機配套及型號：采煤機為MG150/421-PFD，裝機功率421kW，機面高度570mm，過煤高度300mm，適應采高0.8~1.5m，傾角≤45°，截深0.63m，非機載變頻調速，有鏈牽引，機重14t；輸送機型號SGZ730/320AT，設計長度200m，26×90C級中雙鏈，中部槽1750mm×690mm×263mm（長×內槽寬×高）；液壓支架型號ZY3400/6.5/14，高度0.65m~1.4m，中心距1.75m，電液閥操作控制，重量10.6t。
圖7工作面設備配套圖
首采面11041位于礦井北一采區(qū)，上分層工作面21041已經(jīng)回采，煤層傾角0~10°，平均厚度0.85m，采高0.9~1.1m，平均0.92m，工作面長度75m，推進長度820m。直接頂為砂質泥巖1.07~3.6m，平均1.5m，上部為采空區(qū)，粉砂巖10.09m，底板為泥巖，平均厚度6.8m，黑色泥巖，遇水軟化膨脹。
工作面按照兩采一準進行生產，2010年7月開始試生產，生產5個月，平均月推進149.22m，平均月產量13983t，最高月產量20580t。
3.實例3
自移式氣垛支架主要用于急傾斜薄煤層長壁回采工作面，既可采用機采，也可采用炮采。
其工作原理為通過氣泵向氣垛中充入高壓氣體以支撐頂板，并使工作面與采空區(qū)完全隔離，在氣垛與煤壁之間設置前架，前架上部裝有4只立柱支撐頂板，增加了支架的支護強度，又保證了足夠的行人空間，在前架中部設計了推移裝置與推移梁相連，通過推移千斤頂?shù)纳斐龊褪栈厍耙仆埔屏汉鸵萍?。在氣垛底座兩側裝有活動側護板，可方便調架并起到防滑作用。
為防止支架下滑，在工作面下端將有端頭支架、支撐氣垛支架，在工作面上端裝有防滑千斤頂。氣垛的充氣、放氣采用液控先導充氣閥，通過手動換向閥組用高壓液進行控制，充氣閥和放氣閥均配有安全閥，當充氣壓力達到額定壓力時停止充氣，當達到工作阻力時，放氣閥安全閥開啟放氣。
結構如圖所示。
圖8氣垛支架結構圖
主要參數(shù)：支架高度0.6~1.1m，支架寬度1050~1250mm，支架中心距1200mm，支架重量2600kg，工作阻力1072kN，初撐力633kN，鄰架操作；氣垛支架為法蘭盤兩腔式，氣垛高度300~800mm，氣垛寬度860~1000mm，氣垛長度1460~1600mm，氣垛工作壓力0.5MPa，氣垛重量70kg。
設備應用于某煤礦16井左8片63號煤層，煤層平均厚度0.75m，煤層結構復雜，有薄層夾矸。煤層的層理和節(jié)理發(fā)育，煤層起伏變化不大，傾角56°，切眼和走向偽斜52°，坡度平均44°，頂板較堅硬、完整，工作面長度約70m。
采用炮采，煤通過自重下滑至運輸巷礦車中。采完一個步距后，自下而上依次推動推移梁，移動步距1000mm，移完推移梁后在確保端頭支架支撐可靠的前提下，用手動換向閥組操縱第一架充氣閥放氣，同時立柱收回，當氣垛脫離頂板后，迅速移架，移架完成后，立柱支撐，向氣垛中充氣，兩者分別達到初撐力完成移架。然后按順序完成其他支架的移架。
從支架使用效果看，基本滿足了設計要求，具有防護效果好、移架簡單迅速、安全可靠的優(yōu)點，節(jié)省了人力，提高了產量，具有一定的經(jīng)濟效益。
同時也存在一些問題：
①推移梁需要幾架配合逐漸前移，這樣才能保證推移梁在同一直線，從而影響了推進速度。
②需要供液、供氣兩套系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復雜性和故障率。
③充氣閥安裝位置在采空區(qū)一側，出現(xiàn)問題不易維修、更換，并且液控先導充氣閥設計有待完善。
④側推千斤頂在氣垛下方，出現(xiàn)問題不易維修。
⑤氣垛放氣后，在移架時容易擦頂，有可能使氣垛劃傷、漏氣。
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