大采高综采技术研究现状及发展趋势

李伟荣,孙 轩,杨小龙,杨 帆,张青飞,杜彦伟

（华亭煤业集团有限责任公司，甘肃 华亭 744100）

煤炭是我国的主要能源，在国民经济中具有重要地位，2050年前煤炭在能源结构中仍将占50%以上，是占比最大的单一能源品类，因此煤炭资源开采在我国能源战略中起着重要作用[1]。我国厚及特厚煤层储量十分丰富，可采储量占生产矿井总储量的45%，厚煤层的高效开采是提高煤矿产量的重要举措[2-7]。我国自1978年采用大采高综采技术，在几十年的发展过程中大采高综采技术与设备均取得较大进步，当前已成为厚煤层高效安全开采的主要发展趋势之一。可见，研究大采高综采技术具有极为重要的意义[8]。本文围绕大采高综采技术研究现状进行述评，并对其发展趋势进行简单展望。

1 国外大采高综采技术与装备研究现状

20世纪中期，日本设计研究开发出采高为5m液压支架，德国研发出威斯特伐利亚BC-25/56、赫姆夏特T55-22/60等大采高液压支架，波兰在其7个综采工作面使用DOMA-25/45型两柱掩护液压支架，并研究出PL OMA系列大采高液压支架，美国在怀俄明州卡帮县1号矿采用长壁大采高综采技术开采厚煤层，采高4.5～4.7m，日产量6200t。20世纪末期以来，美、澳、英、德等国家采用大功率可控传动、微机工况检测监控、自动化控制、机电一体化设计等先进适用技术，研制出适应不同煤层条件的高效综采大型设备，设备功能内涵取得重大突破，综采成套设备的生产能力已经达到3000t/h以上，美国新一代高产高效综采设备已基本实现半自动化，其中液压支架的发展尤为突出，美国长壁综采工作面液压支架以掩护式为主，支架阻力平均为7000～8000kN，610m高支架已逐步成系列化生产，美国大采高液压支架的发展趋势为向两柱式掩护支架发展和广泛应用电液控制技术[9]。近年来，美国诸多综采工作面采用电牵引采煤机、电液控制液压支架等新型装备，实现工作面生产的半自动化，平均年产量达到300万t以上，德、英等加紧煤炭企业技术装备更新，德国鲁尔公司、烟煤公司在采深800～100m开采条件下综采工作面年产量突破400万t，综采新型装备的使用取得较好的经济、技术效果[10]。

2 国内大采高综采技术与装备研究现状

王国法等针对厚煤层综采开采过程中遇到的技术难题，提出大采高综采开采面临的科学问题，建立基于技术经济分析的厚煤层开采方法适应性评价指标体系与评价模型。基于液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合原理，建立液压支架与围岩的耦合动力学模型及煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型，提出大采高综采液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法。基于大采高综放工作面顶煤冒放性与煤壁稳定性控制的矛盾，提出增大液压支架的初撑力及优化液压支架架型结构等方法缓解两者之间矛盾[11]。华亭煤业集团大柳煤矿4号煤层1404工作面采用大采高综采采煤工艺，工作面采煤机选用大功率、电牵引采煤机，具有工况监测监控功能，并装备先进的电控系统，采用先进的信息处理技术和传感技术，刮板机、转载机、破碎机均采用最新的变频调速电控系统，具有与采煤机能力协调适应的运输能力；配套工作阻力13000kN采高6.5m掩护式液压支架，液压支架电液控制系统可实现自动化、智能化控制，工作面亦实现智能化联动、记忆切割、液压支架等综采设备连续、协调、高效、安全运行。太原重型机械集团煤机有限公司、天地科技股份有限公司等单位联合首次提出7m厚煤层一次采全高综采方法和工作面端头大梯度过渡配套方式、多学科协同优化配套技术、超大采高工作面围岩控制技术及工艺等综采成套技术与装备，实现采煤工艺技术新突破。中国煤炭科工集团和大同煤矿集团等十几个单位联合研究，掌握大采高综放工作面矿压显现规律和控制技术，首次实现14～20m特厚煤层一次采全厚放顶煤开采[12]。汪腾蛟等以神华神东煤炭集团补连塔煤矿12511大采高综采工作面为例，分析8m大采高综采工作面回采过程中工作面防片帮技术及工作面两端头与巷道割煤过渡技术和工作面矿压显现情况等关键技术[13]。有关学者研制8.2m超大采高综采成套装备，设计采用“大梯度+小台阶”过渡配套方式，解决了金鸡滩煤矿端头煤损失问题，实现了工作面日产 5.7万 t，月产 150万t以上[14]。李建军提出在大釆高综采工作面实行新型超前支护技术，在一定程度上可满足工作面需要，保证工作人员安全，大大提高作业人员工作效率[15]。王金君等通过对同忻、塔山、平朔一号井等矿井工作面地质条件、生产条件、产量及采出率、设备使用情况和矿压显现及安全可靠性等方面研究，分析大采高综放开采技术与应用现状，提出针对“三机”配套和开采工艺相关意见和建议[16]。

3 国内大采高综采工作面存在的主要问题

1）煤壁片帮较为严重。在大采高综采作业的过程中，煤壁片帮是其中存在的一个主要问题，对于大采高综采技术的应用，会存在支架围岩关系，而且较为复杂，如果处理不善，则会导致安全事故的发生。

2）快速回撤、搬面存在运输问题。随着开采技术的发展，大采高综采工作面单产和采高均取得飞速发展，综采设备向大、重、高方向发展，在我国，最大高度支撑为7m的液压支架重量可达70t，采煤机重量可达130t。在当前技术下，特别对于矿井地质条件复杂、巷道变形严重矿井，快速回撤、搬面存在着一定的运输问题。

3）国内大采高综采工作面设备设施与国外相比仍存在差距。国内采煤机在总装机功率、生产能力和工作可靠性、交流变频电牵引技术、工况检测与故障诊断、自动控制技术以及整机可靠性方面与国外尚有差距。国产液压支架与进口支架在结构件选材、焊接工艺技术及质量控制、液压密封元件、电液控制系统等方面与国外相比仍有差距。国产工作面刮板输送机、转载机、破碎机生产能力、性能参数偏低，元部件可靠性、软启动技术、在线实时监测监控、自动控制技术及在带式输送机动态设计分析与监测技术、可控软启动技术与多点驱动功率均衡技术、机尾自控张紧技术和阻燃输送带、输送机托辊、输送带寿命和可靠性方面亦存在差距。

4 大采高综采技术与装备发展趋势

大采高综采技术的应用发展前景相对较好，其未来应用还会向着地质构造更加复杂的矿层进行发展，而且大采高综采技术的应用也会越来越广泛。伴随着煤矿开采面向大规模、集中化和智能化方向发展，大功率、高效率的机械化开采设备十分关键，大采高综采技术在未来发展中必然朝着机械设备大型化、装备自动化、机械技术安全的方向发展。