綜采工作面快速采煤技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張德生，祝 琨，張 賽，杜尚宇，

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

智能化開采是世界煤炭技術(shù)革命的主流方向和我國煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然趨勢，也是“十四五”乃至今后一個時期國家煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，安全、高效是智能化開采的目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在動力。經(jīng)過近20a的發(fā)展，我國相繼突破了高端液壓支架、電液控制系統(tǒng)，高可靠性采煤機，大運量智能刮板輸送機等核心技術(shù)裝備，在條件較好煤層初步實現(xiàn)了“無人值守、有人巡視”的智能開采模式[1]。據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，截止2019年底，我國已建成千萬噸礦井44處，產(chǎn)能6.96億t/a[2]，上述礦井基本是依托厚煤層資源和超大采高綜采、綜放技術(shù)裝備來實現(xiàn)的；而美國等發(fā)達(dá)采煤國憑借其裝備技術(shù)優(yōu)勢，形成了長壁工作面快速推進的高效開采模式，在2m左右中厚煤層實現(xiàn)并保持了年產(chǎn)千萬噸的世界領(lǐng)先水平[3]，國內(nèi)在快速采煤技術(shù)方面與國外仍存在較大差距。

當(dāng)前，以陜蒙礦區(qū)為代表的西部煤炭主產(chǎn)區(qū)高產(chǎn)高效礦井群在超大采高綜采、綜放開采技術(shù)和裝備水平上顯著提高，厚煤層資源消耗加快，1.3～3.5m中厚煤層逐漸成為支撐礦井千萬噸產(chǎn)能的主采煤層[4]，對中厚煤層工作面高產(chǎn)高效技術(shù)裝備需求迫切。對標(biāo)國外一流水平，本文通過分析快速采煤核心技術(shù)的現(xiàn)狀和需求，對技術(shù)發(fā)展方向提出見解，以期為中厚煤層快速采煤技術(shù)裝備的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 快速采煤及關(guān)鍵影響因素

1.1 雙向割煤工藝

雙向割煤是當(dāng)前長壁工作面開采的主流方式，雙向割煤的一般流程[5]：采煤機達(dá)到回風(fēng)巷位置起始(機尾滾筒在上，機頭滾筒在下)，當(dāng)割完機尾的煤后，就調(diào)換滾筒上下位置(機頭滾筒在上，機尾滾筒在下)，進行斜切進刀，輸送機完成機尾向前推移動作，采煤機向機尾方向割煤(機尾滾筒調(diào)高，機頭滾筒調(diào)低)，割完楔形三角煤(完成一個端頭割煤)，割完機尾端頭處煤后(機頭滾筒調(diào)高、機尾滾筒調(diào)低)，采煤機向運輸巷方向割煤，達(dá)到運輸巷處，完成一刀割煤；重復(fù)上述同樣的操作過程，完成返程進刀。在雙向割煤中，液壓支架需要隨著采煤機割煤而即時移架。

從上述割煤過程可以看出，采煤機割煤速度、液壓支架跟機速度、端頭三角煤處理時間是提高采煤效率的關(guān)鍵。快速采煤，就是通過縮短上述環(huán)節(jié)的執(zhí)行時間，實現(xiàn)“采-支-運”高效協(xié)同，最大限度提高回采速度和勞動效率，滿足工作面高產(chǎn)高效開采。

1.2 快速采煤關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

以平均厚度2.0m，長度400m 工作面為例，液壓支架中心距1.75m，采煤機截深0.865m，每年工作330d，每天開機時間按20h考慮，采用雙向割煤工藝，年產(chǎn)能1000萬t，須達(dá)到以下指標(biāo)：平均日產(chǎn)約3.0萬t，日循環(huán)32刀，煤機速度15m/min(端頭割煤時間 15min計)，支架跟機速度 10架/min (6s/架)。

對照上述快速采煤指標(biāo)，在中厚煤層開采技術(shù)方面，我國與先進采煤國差距明顯，國產(chǎn)設(shè)備尚存在以下問題：

1)采煤機。采煤機截割效率低，當(dāng)采煤速度提升至 10m/min以上的較高速度時，采煤機存在截割能力不足(截割過載)、牽引能力不足(牽引過載)、整機平穩(wěn)性差(振動較大)和截割部減速箱溫度過高(≥100℃)等問題；采煤機滾筒無法高效地將采落的煤裝載至刮板運輸機；行走輪等關(guān)鍵部件壽命約在200km左右，更換時間長，無法滿足中厚煤層高產(chǎn)高效采煤的要求[6]。以上問題都制約了采煤機截割效率。

2)液壓支架。液壓支架移架速度慢：快速移架是指快速精準(zhǔn)完成液壓支架“降—移—升”動作循環(huán)(含輔助時間)，是能否實現(xiàn)即時支護的關(guān)鍵，當(dāng)前移架時間普遍在10s以上。供液管路長(遠(yuǎn)距離供液時影響更為明顯)，造成單架移架速度慢，且通過提高泵壓和管路規(guī)格的方式遇到瓶頸。同時，電液控制系統(tǒng)中沒有考慮頂、底板的耦合效應(yīng)，丟架現(xiàn)象嚴(yán)重。

3)刮板輸送機。國外中厚煤層開采一般布置超長工作面，美國一半以上的鏈速都大于1.94m/s[7]，超長工作面高鏈速運行對鏈條質(zhì)量提出了更高的要求。國內(nèi)鏈條加工制造水平低，鏈條張緊系統(tǒng)功能不完善，采用國產(chǎn)化鏈條鏈速偏低，運載能力差，且超長工作面輸送機產(chǎn)品研制和運行經(jīng)驗不足，造成同等輸送能力下國產(chǎn)輸送機規(guī)格選型較國外產(chǎn)品大。

4)開采工藝和系統(tǒng)集成方面?，F(xiàn)有開采工藝多基于雙向割煤，國外自動化工作面端頭處理時間一般在15min以上；國內(nèi)則要25～30min以上，已成為制約高效開采的最重要因素之一；同時，系統(tǒng)裝備可靠度差，開機率無法保障。

2 國內(nèi)、外快速采煤技術(shù)進展和實踐

2.1 國外快速采煤技術(shù)進展和實踐

美國等先進采煤國快速采煤技術(shù)的發(fā)展源自1984年開發(fā)的液壓支架電液控技術(shù)[8]，該技術(shù)的應(yīng)用使得支架工作循環(huán)周期從40s(手控)降低到了12～20s，主動初撐力設(shè)置保證了所有工作面內(nèi)支架能夠達(dá)到設(shè)定值，顯著減少支架工人數(shù)量并降低勞動強度；1990年，德國推出電液控制自動化系統(tǒng)；2001年，澳大利亞開始實施Landmark項目；2006年，美國JOY公司應(yīng)用虛擬采礦技術(shù)方案；近年來，澳大利亞CSIRO、美國JOY、德國RGA等又推出基于慣性導(dǎo)航的采煤機定位技術(shù)、防碰撞、煤流負(fù)荷匹配、高效截割等更高等級的智能化綜采技術(shù)[9]。上述技術(shù)發(fā)展保障了工作面安全，提升了回采效率，形成了美國Caterpillar(CAT)和日本Komatsu(原美國JOY)兩大世界領(lǐng)先的長壁工作面成套設(shè)備和自動化裝置供應(yīng)商。

美國開采煤層大部分為中厚煤層，煤層平均厚度為2.37m左右，為實現(xiàn)一井一面安全高效開采的目標(biāo)，礦井開拓向工作面超長走向長度發(fā)展是國外現(xiàn)階段采礦技術(shù)的顯著特征，這種布置方式為快速截割和快速移架提供了更好的平臺，也提出了更高的要求。開采工藝方面，美國的長壁工作面在20世紀(jì)70年代后期至90年代早期，超過75%的采煤機使用單向割煤方式；80年代中后期，隨著超長工作面和自動化技術(shù)的發(fā)展，雙向割煤開始占據(jù)主導(dǎo)地位，而雙向割煤在完成斜切進刀兩次切割三角煤時遇到困難，這一端頭自動操作問題一直到 21 世紀(jì)初才得到了解決，自此追機移架系統(tǒng)得以全面使用。當(dāng)前除個別煤礦外，美國長壁開采均采用雙向割煤。澳大利亞主要四種割煤方式，即雙向割煤、單向割煤、半截深割煤和半截深單向割煤，不同于美國的長壁開采方式，隨著采煤機容量和牽引速度的提高，相較于雙向進刀，澳洲煤礦更傾向于單向半工作面斜切進刀方式。

國外智能化采煤技術(shù)發(fā)展的另一個顯著特點是憑借裝備高可靠性，進行高速截割、快速跟機移架來實現(xiàn)高產(chǎn)高效[10]：1984年，美國固本公司鞋匠煤礦在1.66 m煤層綜采工作面實現(xiàn)了日割33.5刀，日產(chǎn)1.35萬t 的紀(jì)錄，平均割煤速度達(dá)10m/min以上；1994年，美國20英里礦在節(jié)理裂隙發(fā)育，易漏頂煤層采用淺截深截割工藝，實現(xiàn)了采煤機25m/min的割煤速度，移架速度達(dá)到17架/min(單架時間3.5s)，平均每班移架2500架次(推移刮板運輸5000架次)，最高每班移架3500架次(推移刮板運輸7000架次)，其技術(shù)保證之一就是支架電液控制系統(tǒng)指揮下的快速精準(zhǔn)移架技術(shù)；2017年，美國白橡樹煤礦在2.0m左右采高的工作面，達(dá)到了年產(chǎn)千萬噸的生產(chǎn)水平，依然保持著中厚煤層開采效率的世界紀(jì)錄。

典型案例：Tunnel Ridge煤礦位于美國西弗吉尼亞州，主采8號煤層傾角為0°～2°，埋深為152m，礦井采用一井一面的生產(chǎn)模式，工作面長度378m，推進長度為4500m，采高為1.98～2.34m，平均2.2m；采用JOY 7LS1-A型采煤機，配備了JOY自動化采煤機系統(tǒng)(ASA)，液壓支架寬1.75m，額定工作阻力為9250kN，配備了CAT電液控裝置，液壓支架自動隨機移架和成組移架；2016年商品煤生產(chǎn)能力達(dá)到644萬t，原煤生產(chǎn)能力為1288萬t[11，12]。

2.2 國內(nèi)快速采煤技術(shù)進展

國內(nèi)快速采煤技術(shù)發(fā)展同樣以快速移架技術(shù)發(fā)展為標(biāo)志，早在20世紀(jì)90年代，煤炭科學(xué)研究總院就開發(fā)了手動控制快速移架系統(tǒng)[13]，開展了操縱閥、液控單向閥以及液壓系統(tǒng)的總體配套設(shè)計，采用環(huán)形供液方式，單架降、移、升總時間不超過12～15s，跟機速度達(dá)到8m/min，在鐵法礦務(wù)局實現(xiàn)日產(chǎn)7000t的高效產(chǎn)能；20世紀(jì)初，北京開采所開展了液壓支架移架速度的定量化研究，并提出了“恒流狀態(tài)”“壓力-流量動態(tài)狀態(tài)”和“壓力飽和狀態(tài)”的概念，太原研究院開發(fā)了支架全液壓程序控制快速移架系統(tǒng)，指出降柱和推溜是高阻狀態(tài)，耗費時間長；2002年，潞安礦務(wù)局在ZFS6000支架上應(yīng)用大流量快速移架系統(tǒng)，日產(chǎn)原煤提高到1萬t[14]；2005年，鄭煤機為提高移架速度，研制了大流量換向閥FHS400/32[15]，通流能力達(dá)到普通閥的2倍以上；平陽重工針對泵站和管路等對升降柱的影響進行仿真研究[16]，表明增大泵站流量可提高升柱速度，但對降柱時間影響不明顯；平煤機研究應(yīng)用了大流量立柱快速供液閥技術(shù)，由電磁換向閥控制，直接經(jīng)反沖過濾器供液，快速供液閥的流量可以達(dá)到2000L/min，同時開發(fā)了立柱液控單向閥加交替單向閥的旁路系統(tǒng)，提高降柱速度。隨著高效高產(chǎn)礦井建設(shè)進程加快以及液壓支架電液控制系統(tǒng)技術(shù)水平的不斷提高，為了滿足綜采工作面快速移架、推溜的需要，促使液壓支架供液系統(tǒng)朝高壓、大流量、自動化的方向發(fā)展：供液系統(tǒng)壓力由31.5MPa提升到33.5～40MPa，最大達(dá)到50MPa；進液管規(guī)格達(dá)DN63，回液管達(dá)DN89。在上述技術(shù)的支持下7m大采高液壓支架的理論移架時間降低到10s左右[17]，神東8.8m超大采高液壓支架技術(shù)，也同樣把解決超大工作阻力支架，提高支架移架速度作為重要攻關(guān)方向，采用三進三回供液網(wǎng)絡(luò)，每隔50架，電纜槽內(nèi)液管與支架間液管連接1次，液壓支架單架循環(huán)時間不大于12s[18]。

我國采煤機的研制從20世紀(jì)80年代開始起步，90年代全面發(fā)展。21世紀(jì)開始，國內(nèi)各大煤礦先后引進國外大功率采煤機，2006年國內(nèi)使用進口大功率采煤機的綜采工作面，最高單產(chǎn)已超10Mt/a，各主要采煤機制造公司開始自主生產(chǎn)大功率采煤機[19，20]；2012年，“高速高可靠性電牽引采煤機”項目將國產(chǎn)化采煤機的可靠性提高到一個新水平。但在采煤機截割速度等方面仍和國外產(chǎn)品差距明顯，且國內(nèi)在高速采煤機運行方面無公開研究成果和試驗數(shù)據(jù)。

中厚煤層高產(chǎn)高效探索方面，濟寧二號井為解決中厚煤層工作面生產(chǎn)能力小、單產(chǎn)水平低的問題，采用雙采煤機開采工藝，工作面長度327.1m，截煤高度2.68m，工作面月單產(chǎn)水平由單采煤機工作面的19.95萬t提高到47.1萬t，產(chǎn)量增加325.8萬t/a[21，22]。近年來國內(nèi)煤礦工作面長度呈逐年上升態(tài)勢，神東哈拉溝煤礦12上101工作面布置了450m超長綜采工作面。為實現(xiàn)2～3m中厚煤層千萬噸生產(chǎn)能力，國內(nèi)一些地質(zhì)條件較好，開采技術(shù)水平較高的煤礦開始布局高產(chǎn)高效工作面。

典型案例：

轉(zhuǎn)龍灣煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗，Ⅱ-3號煤層厚度2.92～4.49m，平均 3.92m，確定采煤機截深為865mm，工作面長度為 300m，為了實現(xiàn)“一礦一井一面”的千萬噸級智能化礦井建設(shè)目標(biāo)，研制了ZY16000/23/43D液壓支架、MG900/2400-WD采煤機、SGZ1250/3×1000刮板輸送機，并在國內(nèi)首次應(yīng)用了基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的綜采工作面直線度精確檢測技術(shù)，最高牽引割煤速可達(dá)14m/min以上，行走位置控制精度優(yōu)于±3cm，最高日產(chǎn)達(dá)到3.78萬t，最高月產(chǎn) 90.13萬t，具備了年產(chǎn)1 000萬t的水平。

3 智能化系統(tǒng)解決方案

3.1 發(fā)展方向

當(dāng)前，國外長壁自動化開采技術(shù)無重大改進，主要致力于提高工作面設(shè)備的可靠性、安全防護與工人健康：將兩柱掩護式支架作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，不斷提高支架的支撐能力和可靠性，控制程序不斷發(fā)展，安全功能增加；為適應(yīng)開采煤層的變化和滿足中國市場的需求，國外采煤機也在朝著大功率、大采高方向發(fā)展；快速移動工作面設(shè)置了多重警示系統(tǒng)，以確保工人的安全；優(yōu)化了端頭往返割煤和斜切進刀的運行操作，實現(xiàn)了全工作面自動化開采。

針對采煤機牽截割效率低，液壓支架跟機速度慢的普遍問題，對標(biāo)國際一流水平，補齊短板。針對中厚煤層工作面工作條件，研究高速截割狀態(tài)下采煤機動態(tài)響應(yīng)規(guī)律和劣化機理，開發(fā)新型高效截割裝載滾筒及高功率密度中厚煤層采煤機，行走輪等關(guān)鍵部件壽命不小于1000km，在硬度f3以下近水平煤層采割煤牽引速度達(dá)到15m/min以上；開發(fā)液壓支架液壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)字化高精度分析模型；研發(fā)液壓支架“集中-分布”組合式敏捷高效供液系統(tǒng)，平均單架移架速度降到6s以下，制定工作面設(shè)備群高效推進協(xié)同控制策略。

3.2 快速采煤關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 高速采煤機開發(fā)

針對采煤機高速截割狀態(tài)下振動、發(fā)熱、磨損問題，功率密度大的特點，對采煤機高速運行的動態(tài)響應(yīng)和關(guān)鍵部件劣化機理進行研究，提出減小采煤機振動的方法和措施，使采煤機在高速采煤狀態(tài)下能平穩(wěn)運行；研究采煤機截割功率、牽引功率、滾筒轉(zhuǎn)速、牽引速度之間的匹配關(guān)系，合理確定各參數(shù)值，使得采煤機發(fā)揮最大工作效能。

3.2.2 液壓支架敏捷高效供液系統(tǒng)

移架速度是高性能液壓支架的一個主要性能指標(biāo)，其核心技術(shù)是通過供液網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ头治霁@得合理的大流量供、回液系統(tǒng)，采用高性能元器件及控制方法實現(xiàn)高可靠性運行。針對遠(yuǎn)及超遠(yuǎn)距離高壓流體輸送技術(shù)中的壓降、高壓產(chǎn)生的爆管、群組移架過程中帶來系統(tǒng)整體壓降“剛度”降低等問題，創(chuàng)新“集中-分布”組合式敏捷供液體系，研究基于工作面液壓支架壓力-流量補償機制；開展液壓支架雙供液系統(tǒng)動態(tài)特性及試驗研究；開發(fā)液壓支架獨立自供液壓力、流量動態(tài)補償調(diào)控裝置和大缸徑立柱自適應(yīng)調(diào)控裝置，研究綜采工作面支架液壓系統(tǒng)的快速響應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)電液控與供液系統(tǒng)的智能聯(lián)動控制[23]。

3.2.3 刮板輸送機

精確控制銷排的節(jié)距變化，提高運行平穩(wěn)性和可靠性；突破傳統(tǒng)的刮板鏈恒預(yù)緊力管理方法，研究采煤機在不同位置時的刮板鏈控制策略，結(jié)合刮板機驅(qū)動電機電流，實時控制伸縮機尾油缸，實現(xiàn)在整個采煤機割煤過程中，刮板鏈保持最佳的張緊狀態(tài)。同時，加強高端鏈條等核心零部件的國產(chǎn)化能力。

3.2.4 工作面采煤路徑規(guī)劃及設(shè)備群協(xié)同推進

采煤機進刀方式直接影響到工作面的產(chǎn)量和效率，因而要根據(jù)采煤機的實際能力，選擇合適的采煤機進刀方式，縮短工作循環(huán)周期，提高綜采工作面產(chǎn)量。研究長壁工作面的各種斜切進刀開采工藝，確定單向割煤中部斜切進刀方式割煤工藝和雙向割煤端頭斜切進刀方式割煤工藝影響因素和影響因子，并給出相應(yīng)的算法。

采用精準(zhǔn)時序調(diào)控技術(shù)，減少快速跟機過程的丟架現(xiàn)象，保證綜采工作面裝備群有序、高效推進。研究建立工作面液壓支架帶壓移架工況力學(xué)模型，得出移架過程中所需推力與各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，分析推移千斤頂所需推力隨煤層傾角、支架與頂?shù)装宓哪Σ料禂?shù)、頂板壓力的變化規(guī)律，保證工作面裝備群協(xié)同有序推進。

4 結(jié) 語

智能化是實現(xiàn)快速采煤的技術(shù)支撐，快速采煤是智能化開采發(fā)展的目標(biāo)和內(nèi)在動力，兩者相互協(xié)調(diào)促進。為提高我國快速采煤技術(shù)裝備發(fā)展水平，進一步縮短在中厚煤層快速采煤技術(shù)方面與國外一流水平的差距，現(xiàn)階段需重點做好以下工作：①補齊裝備短板：加快高速高可靠采煤機、快速移架系統(tǒng)和高鏈速刮板輸送機方面的研發(fā)工作，滿足中厚煤層千萬噸級礦井建設(shè)需求；②高效協(xié)同推進技術(shù)：根據(jù)國產(chǎn)化設(shè)備能力和特點，優(yōu)化截割路徑，提高設(shè)備在高強度快速推進條件下自動化運行能力，利用智能化技術(shù)和手段保障工作面高效協(xié)同推進；③系統(tǒng)可靠性工作：在滿足單機裝備性能的技術(shù)上，進一步提高單機設(shè)備及綜采系統(tǒng)可靠性；以需求為牽引，以實踐為平臺，打造高水平的操作和管理人才隊伍，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。