大采高綜采技術研究現狀及發展趨勢

李偉榮,孫 軒,楊小龍,楊 帆,張青飛,杜彥偉

（華亭煤業集團有限責任公司，甘肅 華亭 744100）

煤炭是我國的主要能源，在國民經濟中具有重要地位，2050年前煤炭在能源結構中仍將占50%以上，是占比最大的單一能源品類，因此煤炭資源開采在我國能源戰略中起著重要作用[1]。我國厚及特厚煤層儲量十分豐富，可采儲量占生產礦井總儲量的45%，厚煤層的高效開采是提高煤礦產量的重要舉措[2-7]。我國自1978年采用大采高綜采技術，在幾十年的發展過程中大采高綜采技術與設備均取得較大進步，當前已成為厚煤層高效安全開采的主要發展趨勢之一。可見，研究大采高綜采技術具有極為重要的意義[8]。本文圍繞大采高綜采技術研究現狀進行述評，并對其發展趨勢進行簡單展望。

1 國外大采高綜采技術與裝備研究現狀

20世紀中期，日本設計研究開發出采高為5m液壓支架，德國研發出威斯特伐利亞BC-25/56、赫姆夏特T55-22/60等大采高液壓支架，波蘭在其7個綜采工作面使用DOMA-25/45型兩柱掩護液壓支架，并研究出PL OMA系列大采高液壓支架，美國在懷俄明州卡幫縣1號礦采用長壁大采高綜采技術開采厚煤層，采高4.5～4.7m，日產量6200t。20世紀末期以來，美、澳、英、德等國家采用大功率可控傳動、微機工況檢測監控、自動化控制、機電一體化設計等先進適用技術，研制出適應不同煤層條件的高效綜采大型設備，設備功能內涵取得重大突破，綜采成套設備的生產能力已經達到3000t/h以上，美國新一代高產高效綜采設備已基本實現半自動化，其中液壓支架的發展尤為突出，美國長壁綜采工作面液壓支架以掩護式為主，支架阻力平均為7000～8000kN，610m高支架已逐步成系列化生產，美國大采高液壓支架的發展趨勢為向兩柱式掩護支架發展和廣泛應用電液控制技術[9]。近年來，美國諸多綜采工作面采用電牽引采煤機、電液控制液壓支架等新型裝備，實現工作面生產的半自動化，平均年產量達到300萬t以上，德、英等加緊煤炭企業技術裝備更新，德國魯爾公司、煙煤公司在采深800～100m開采條件下綜采工作面年產量突破400萬t，綜采新型裝備的使用取得較好的經濟、技術效果[10]。

2 國內大采高綜采技術與裝備研究現狀

王國法等針對厚煤層綜采開采過程中遇到的技術難題，提出大采高綜采開采面臨的科學問題，建立基于技術經濟分析的厚煤層開采方法適應性評價指標體系與評價模型。基于液壓支架與圍巖的強度耦合、剛度耦合、穩定性耦合原理，建立液壓支架與圍巖的耦合動力學模型及煤壁片幫的“拉裂-滑移”力學模型，提出大采高綜采液壓支架合理工作阻力確定的“雙因素”控制法。基于大采高綜放工作面頂煤冒放性與煤壁穩定性控制的矛盾，提出增大液壓支架的初撐力及優化液壓支架架型結構等方法緩解兩者之間矛盾[11]。華亭煤業集團大柳煤礦4號煤層1404工作面采用大采高綜采采煤工藝，工作面采煤機選用大功率、電牽引采煤機，具有工況監測監控功能，并裝備先進的電控系統，采用先進的信息處理技術和傳感技術，刮板機、轉載機、破碎機均采用最新的變頻調速電控系統，具有與采煤機能力協調適應的運輸能力；配套工作阻力13000kN采高6.5m掩護式液壓支架，液壓支架電液控制系統可實現自動化、智能化控制，工作面亦實現智能化聯動、記憶切割、液壓支架等綜采設備連續、協調、高效、安全運行。太原重型機械集團煤機有限公司、天地科技股份有限公司等單位聯合首次提出7m厚煤層一次采全高綜采方法和工作面端頭大梯度過渡配套方式、多學科協同優化配套技術、超大采高工作面圍巖控制技術及工藝等綜采成套技術與裝備，實現采煤工藝技術新突破。中國煤炭科工集團和大同煤礦集團等十幾個單位聯合研究，掌握大采高綜放工作面礦壓顯現規律和控制技術，首次實現14～20m特厚煤層一次采全厚放頂煤開采[12]。汪騰蛟等以神華神東煤炭集團補連塔煤礦12511大采高綜采工作面為例，分析8m大采高綜采工作面回采過程中工作面防片幫技術及工作面兩端頭與巷道割煤過渡技術和工作面礦壓顯現情況等關鍵技術[13]。有關學者研制8.2m超大采高綜采成套裝備，設計采用“大梯度+小臺階”過渡配套方式，解決了金雞灘煤礦端頭煤損失問題，實現了工作面日產 5.7萬 t，月產 150萬t以上[14]。李建軍提出在大釆高綜采工作面實行新型超前支護技術，在一定程度上可滿足工作面需要，保證工作人員安全，大大提高作業人員工作效率[15]。王金君等通過對同忻、塔山、平朔一號井等礦井工作面地質條件、生產條件、產量及采出率、設備使用情況和礦壓顯現及安全可靠性等方面研究，分析大采高綜放開采技術與應用現狀，提出針對“三機”配套和開采工藝相關意見和建議[16]。

3 國內大采高綜采工作面存在的主要問題

1）煤壁片幫較為嚴重。在大采高綜采作業的過程中，煤壁片幫是其中存在的一個主要問題，對于大采高綜采技術的應用，會存在支架圍巖關系，而且較為復雜，如果處理不善，則會導致安全事故的發生。

2）快速回撤、搬面存在運輸問題。隨著開采技術的發展，大采高綜采工作面單產和采高均取得飛速發展，綜采設備向大、重、高方向發展，在我國，最大高度支撐為7m的液壓支架重量可達70t，采煤機重量可達130t。在當前技術下，特別對于礦井地質條件復雜、巷道變形嚴重礦井，快速回撤、搬面存在著一定的運輸問題。

3）國內大采高綜采工作面設備設施與國外相比仍存在差距。國內采煤機在總裝機功率、生產能力和工作可靠性、交流變頻電牽引技術、工況檢測與故障診斷、自動控制技術以及整機可靠性方面與國外尚有差距。國產液壓支架與進口支架在結構件選材、焊接工藝技術及質量控制、液壓密封元件、電液控制系統等方面與國外相比仍有差距。國產工作面刮板輸送機、轉載機、破碎機生產能力、性能參數偏低，元部件可靠性、軟啟動技術、在線實時監測監控、自動控制技術及在帶式輸送機動態設計分析與監測技術、可控軟啟動技術與多點驅動功率均衡技術、機尾自控張緊技術和阻燃輸送帶、輸送機托輥、輸送帶壽命和可靠性方面亦存在差距。

4 大采高綜采技術與裝備發展趨勢

大采高綜采技術的應用發展前景相對較好，其未來應用還會向著地質構造更加復雜的礦層進行發展，而且大采高綜采技術的應用也會越來越廣泛。伴隨著煤礦開采面向大規模、集中化和智能化方向發展，大功率、高效率的機械化開采設備十分關鍵，大采高綜采技術在未來發展中必然朝著機械設備大型化、裝備自動化、機械技術安全的方向發展。