兗礦集團綜放開采技術的創新性發展與應用

孟祥軍，李明忠，岳 寧，孫計爽

（1.兗礦集團有限公司，山東 濟寧273500；2.天地科技股份有限公司，北京100013；3.未來能源化工有限公司，陜西 榆林719000；4.兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017000）

我國厚煤層資源分布廣泛，其儲量和產量均占 到總量的約40%左右，是煤炭實現高產、高效開采的主采煤層。目前，國內厚煤層開采形成了分層開采、一次采全厚和綜采放頂煤3 種開采方法各具特色的局面[1-2]。相對于分層開采，綜放開采和大采高一次采全厚開采更易于實現高產、高效，巷道掘進率低，工作面搬家倒面次數減少，材料消耗和噸煤成本降低，是我國厚煤層開采的發展方向，兗礦集團自20 世紀90 年代初開始大采高和綜放開采實踐，取得了一大批科技創新成果，促進了我國煤炭工業的科技創新與發展。綜放開采是我國厚煤層傳統開采方法的革命[3]，經國外引入，通過成套裝備技術的不斷創新和發展，已實現成套技術產品輸出國外，兗礦集團作為綜放開采的重要基地，一直致力于不斷提高該技術的安全可靠性、開采效率、回收率和工效。為此，針對兗礦集團在綜放開采取得的生產實踐經驗及科技成果進行總結。

1 綜放開采的引進及推廣應用

自1992 年開始，兗礦集團一直致力于綜放開采技術及實踐的創新研究及推廣。經過近30 年積極進展，綜放開采技術日漸成熟并廣泛應用于厚煤層開采，成為實現煤炭高產高效開采的重要手段。綜放開采技術在兗州礦區的推廣應用，極大的促進了兗州礦區煤炭開采技術水平的提高，為企業創造了巨大的效益，同時，綜放開采技術在兗礦的應用也是1個不斷創新和發展的過程。

兗礦集團自1992 年在興隆莊開始進行放頂煤試驗開始，到金雞灘煤礦一盤區東翼實施7 m 超大采高綜放開采。自1992 年開始放煤試驗至“十五”科技攻關結束。兗礦集團聯合北京開采所承擔的“九五”重點科技攻關項目“緩傾斜特厚煤層高產高效綜放開采成套技術與裝備研究”解決了綜放開采端頭區頂煤冒放、采煤機負壓二次降塵、液壓支架結構創新，圍巖穩定性控制及頂煤回收率保障等關鍵技術問題。“十五”期間國家技術創新項目“600 萬t綜放工作面設備配套與技術研究”的實施，解決了四柱低位放頂煤液壓支架的電液控制和通防等關鍵技術問題。通過“九五”、“十五”期間對綜放開采技術不斷深入的研究和發展，兗礦集團帶動了我國放頂煤開采技術水平的發展和提高，并使兗州礦區綜放開采技術達到世界領先水平，為煤炭工業的發展做出了重大貢獻[4-5]。

2 綜放開采自主創新及成果輸出

2.1 綜放開采支護技術創新

兗礦集團總結綜放開采技術裝備的應用經驗及存在問題，結合煤炭開采國際、國內形勢提出了“高效集約化綜放開采技術及關鍵裝備”項目，以綜采放頂煤技術為主導，集成了采場圍巖控制、機械設計制造、自動控制、網絡和遠程通訊、傳感與檢測、人工智能等科學技術手段，以確保綜放開采技術達到國際領先為目標，立足于中國綜放開采技術裝備更新換代的同時，放眼國際市場。相關研究內容“兩柱掩護式綜采放頂煤液壓支架研制”課題被列入2000 年國家技術創新項目計劃。

2003 年，兗礦集團與北京開采所王國法院士團隊聯合研發了ZFY6800/18/35 型兩柱掩護式放頂煤液壓支架成套裝備技術，在興隆莊煤礦進行了工業性試驗并取得成功，隨后開發了ZFY8500/21/40 型兩柱掩護式大采高放頂煤液壓支架，首先在東灘煤礦應用并成功推廣。

兩柱掩護式放頂煤液壓支架通過平衡千斤頂調節支架位姿及受力，相較四柱式支架可提供附加水平作用力，有效作用于圍巖頂板，支護效率及架前控頂能力得到有效提升。

2.2 兩柱掩護式低位放頂煤成套技術創新成果

基于兩柱掩護式低位放頂煤液壓支架的成套裝備和技術進一步提高了綜放開采的適應性和自動化水平，為綜放開采的發展注入了新的動力，兩柱掩護式低位放頂煤液壓支架結構如圖1。

圖1 兩柱掩護式低位放頂煤液壓支架結構Fig.1 Structure of two-column shield type low level caving hydraulic support

1）該技術提出兩柱掩護式放頂煤液壓支架與圍巖相互作用力學模型，在此基礎上發明了兩柱掩護式放頂煤液壓支架，率先在全球范圍內研制了放頂煤液壓支架電液控制及其基于人工神經網絡的自動化控制系統，成功研發了放頂煤工作面成套裝備自動控制關鍵技術，包括采煤機自動記憶截割、液壓支架自動跟機移架、煤流運輸設備自動推移及煤流平衡監控，配合自主開發的自動化放煤工藝、工作面自動監控及遠程通訊等自動化技術手段[6]，成就了綜采放頂煤技術和裝備的重大突破。

2）發明了兩柱式放頂煤支架新型整體頂梁帶前端挑梁、新型插板導向式強擾動放煤機構、五齒四棱錐型破煤機構等新結構，增強了放頂煤液壓支架圍巖支護及頂煤冒放性能，為實現煤礦自動化開采提供了有力因素；發明了新型立柱、千斤頂活塞及活塞桿用密封結構和密封圈等，顯著提高了支護可靠性[7]。

3）首次闡明綜放工作面塵源產生、分布和遷移規律，發明了放頂煤開采工作面負壓二次降塵技術，自主研發了采煤機高壓水霧吸塵系統，研制了與兩柱掩護式綜放液壓支架控制系統相結合的自動噴霧引射降塵技術和工作面架間噴霧沖塵技術[8]，降塵效果顯著，解決了制約工作面生產的安全隱患，創造了安全生產條件。

4）在澳大利亞澳斯達煤礦成功實施放頂煤開采。按照澳大利亞煤礦開采法律法規要求進行適應性研究和創新，首次把綜采放頂煤技術引進澳大利亞，澳大利亞工業部盛贊其開創了澳大利亞煤炭開采的新紀元。

強力兩柱掩護式放頂煤液壓支架的開發研制是兗礦集團對我國煤炭工業，尤其是綜采放頂煤開采技術的重大貢獻，它標志著綜放開采技術將進入1個新的發展時期。2006 年，綜采放頂煤開采技術成功轉讓兗州煤業澳大利亞有限公司澳思達礦，CAT公司依據該項技術轉讓，首次在國外生產了成套放頂煤工作面開采設備。這是我國先進的采礦技術首次走出國門，輸送到發達國家。CAT 生產的兩柱放頂煤成套裝備如圖2。

圖2 CAT 生產的兩柱放頂煤成套裝備Fig.2 Complete set of two-column top coal caving equipment produced by CAT

2.3 綜放開采成套技術出口

2006 年至2007 年兗礦集團首次實現綜放開采技術出口，取得了顯著的經濟社會效益和積極的國際影響。本項目針對澳大利亞行業法律法規下采煤工藝方法改變所帶來的種種制約因素和影響，經過充分論證和審慎評估，將理論分析與現場實踐研究相結合，通過一系列具有針對性的關鍵技術創新與試驗，成功將我國放頂煤開采技術引進澳大利亞，實現澳大利亞厚煤層安全高效開采。其總體效果如下。

1）兗礦集團通過充分研究澳思達煤礦的煤巖地質條件、圍巖穩定性控制難題，通過集成頂煤跨落規律及自動化配套技術要求，創新形成了澳大利亞綜放開采自動化配套系統和技術體系。

2）綜采工作面集成多項先進技術手段，建成全球首個自動化綜采放頂煤工作面，首次實現采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機移架、煤流運輸自動平衡及CST 軟啟動。

3）工作面配套放頂煤液壓支架結構穩定、性能出色。在實際工作面使用中，能夠保持機構可靠及與圍巖的良好耦合，進一步驗證了兩柱式放頂煤支架的優越性能。首次采用支架高壓自動補壓系統，實現了支架高初撐力的自動保持，通過較高的系統壓力保證足夠的初撐力，在實現頂板支護的同時對頂煤產生預破碎效應，為工作面頂板的有效控制和頂煤順利放出創造了條件[9]。

4）設計研制了綜放工作面左右分離邁步式新型端頭液壓支架，有效地維護了端頭超前支護部位設備和人員安全作業空間，端頭支架、超前支架及巷道內配套轉載、運輸設備采用煤巷集中控制，提高了煤巷設備推移效率，實現了高產、高效開采配套設備協調快速推進[10]。

5）首次實施了適應膠輪車運輸安裝設備的大斷面切眼施工工藝和支護技術，工作面超前影響區采用了無支柱強力錨索二次支護技術，保障了大斷面切眼頂板的穩定性和端頭區空間的穩定和安全。

3 大采高綜放開采成套技術及裝備

在綜放開采和大采高綜采成功應用的基礎上，兗礦集團于2004 年在興隆莊煤礦進行大采高放頂煤開采試驗，解決了大采高放頂煤液壓支架開采裝備與綜放技術等關鍵問題[11-12]；2009 年，對兗州礦區放頂煤項目進行技術升級改造，將綜放開采割煤高度提高到4.0 m，解決了兗州礦區3#煤層中間夾矸的難題；2015 年，為貫徹國家以煤炭為主體能源的發展戰略，滿足大型煤炭基地建設和形成億噸級煤炭生產骨干企業的需求，引領煤炭行業開采技術的發展和促進煤機制造技術的提升，在認真調研國外綜放技術裝備發展形勢和趨勢的基礎上，針對石拉烏素煤礦的地質條件，將目前綜放工作面割煤高度由小于3.5 m 加大到5.2 m 以上，項目成功研制了目前服役中的支撐高度最大的四柱放頂煤液壓支架ZF22000/29/55D 超大采高放頂煤液壓支架（圖3）。該項目建立了大采深復雜厚煤層大采高綜放支架-圍巖耦合關系模型，優化設計了支架架型、高度、支護強度和護幫型式等關鍵結構和參數，研究了適應大采深厚煤層大采高綜放強礦壓的抗沖擊立柱等關鍵結構，提高了支架設計的可靠性和適應性；通過支架結構優化和研制新型高效放煤機構，優化放煤工藝，提高頂煤回收率；通過液壓支架截面優化、強度校核和高強度焊接結構鋼及其焊接性研究，實現超強力大采高綜放液壓支架合理減重；優化設計厚煤層大采高綜放工作面、端頭、超前支護方式和設備；形成一套適應大采深、強礦壓、復雜煤層條件的關鍵技術及成套裝備，并取得良好的經濟效益[13]。

圖3 ZF22000/29/55D 型超大采高四柱放頂煤液壓支架Fig.3 ZF22000/29/55D four-column caving hydraulic support with super mining height

2015 年，兗礦集團聯合天地科技開采設計事業部，針對金雞灘煤礦一盤區東翼煤層地質條件，聯合開展特厚硬煤智能化超大采高綜放開采技術裝備及示范工程項目，探究特厚硬煤覆巖破斷及運移規律，制定合理采放工藝，研究超大采高綜放工作面支護設備關鍵技術，優化工作面設備配套總體參數及聯合支護方案，集成應用智能化綜放開采技術，以實現特厚堅硬煤層條件下年產2 000 萬t 目標，達到工作面回收率不低于90%，含矸量不高于5%。該項目創新研發了具備完全自主知識產權的超大采高綜放開采成套工藝理論、技術與裝備，成功研制了以ZFY21000/35.5/70D 兩柱強力掩護式放頂煤液壓支架為代表的超大采高綜放智能化配套裝備，研發了國產慣性導航系統，實現了刮板機直線度控制；研制了世界最大運量煤流運輸系統，發明了刮板機煤流卸載口、轉載機入料口、破碎機及轉載機卸料口四級破碎系統；采用全國產裝備實現工作面具備年產2 000 萬t 生產能力，實現特厚硬煤高產高效生產。ZFY21000/35.5/70D 超大采高兩柱掩護式放頂煤液壓支架如圖4。

圖4 ZFY21000/35.5/70D 超大采高兩柱掩護式放頂煤液壓支架Fig.4 ZFY21000/35.5/70D two-column shield top coal caving hydraulic support with super mining height

金雞灘煤礦煤層厚度大，硬度高，特厚硬煤放頂煤開采存在頂煤冒放差、破碎體塊度大、支-采-放協同控制難度大等問題，本課題在可行性研究基礎上，通過金雞灘煤礦堅硬特厚煤層綠色智能化超大采高綜放開采關鍵技術及裝備研究，形成適應金雞灘東翼煤層賦存條件的成套開采技術和裝備具有重要意義[14]，具體包括以下幾個方面。

1）超大采高綜放開采成套關鍵技術與裝備是金雞灘煤礦綠色、安全、高效開采的保障。由于硬煤條件下頂煤較硬，不易垮落，回收率低，而且綜放開采一次采出厚度大、覆巖活動空間較大，工作面動壓現象明顯，頂板跨落時對支架的動載作用明顯，因此如何提高綜放工作面的回收率，維持覆巖結構的相對穩定是保證工作面回采安全的前提。

2）有利于提高我國綜機裝備研發水平。大采高綜放工作面設備費的一次性投入往往需要達到上億元，尤其是綜放支架所占價值比重最大，而綜放支架的結構與支護強度的選擇與覆巖結構特征密切相關，如果綜放支架架型與參數的選擇不合理，那么將直接造成大量的資金浪費，并嚴重影響綜放工作面安全、高效生產。本課題的研發可進一步提高我國綜機裝備設計、制造水平，提升國際競爭能力。

3）超大采高綜放成套關鍵技術與裝備具有廣泛的推廣價值和示范意義。榆神礦區賦存有大量約9～15 m 的堅硬特厚煤層，目前普遍采用分層或普通綜放開采。分層開采下分層難度大，普通綜放開采硬煤冒放性差。通過堅硬特厚煤層綜放開采頂煤冒放機理的分析，確定合理采放比，制定提高頂煤回收率措施，研發超大采高綜放開采成套裝備，可進一步拓寬綜放開采適用條件，為我國堅硬特厚煤層的高效開采開辟新的解決途徑。

4 結 語

從最初的引進吸收到技術出口，從四柱支撐放頂煤液壓支架到強力兩柱超大采高掩護式綜放支架及成套裝備，從綜合機械化開采到智能化放煤工作面，兗礦集團經過近30 年的研究總結和銳意進取，在綜采放頂煤開采技術與裝備研究應用領域獲得了長足發展并帶動了該技術的進一步推廣應用。綜放開采作為目前厚煤層高產高效開采的重要技術手段，在開采工藝、采場支護、成套裝備等方面仍具有廣闊深入的研究空間，兗礦集團將繼續秉持“創造智慧動能、引領能源變革”的使命，致力于科學技術創新發展及應用，推動我國乃至世界煤炭工業可持續發展。