兖矿集团综放开采技术的创新性发展与应用

孟祥军，李明忠，岳 宁，孙计爽

（1.兖矿集团有限公司，山东 济宁273500；2.天地科技股份有限公司，北京100013；3.未来能源化工有限公司，陕西 榆林719000；4.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017000）

我国厚煤层资源分布广泛，其储量和产量均占 到总量的约40%左右，是煤炭实现高产、高效开采的主采煤层。目前，国内厚煤层开采形成了分层开采、一次采全厚和综采放顶煤3 种开采方法各具特色的局面[1-2]。相对于分层开采，综放开采和大采高一次采全厚开采更易于实现高产、高效，巷道掘进率低，工作面搬家倒面次数减少，材料消耗和吨煤成本降低，是我国厚煤层开采的发展方向，兖矿集团自20 世纪90 年代初开始大采高和综放开采实践，取得了一大批科技创新成果，促进了我国煤炭工业的科技创新与发展。综放开采是我国厚煤层传统开采方法的革命[3]，经国外引入，通过成套装备技术的不断创新和发展，已实现成套技术产品输出国外，兖矿集团作为综放开采的重要基地，一直致力于不断提高该技术的安全可靠性、开采效率、回收率和工效。为此，针对兖矿集团在综放开采取得的生产实践经验及科技成果进行总结。

1 综放开采的引进及推广应用

自1992 年开始，兖矿集团一直致力于综放开采技术及实践的创新研究及推广。经过近30 年积极进展，综放开采技术日渐成熟并广泛应用于厚煤层开采，成为实现煤炭高产高效开采的重要手段。综放开采技术在兖州矿区的推广应用，极大的促进了兖州矿区煤炭开采技术水平的提高，为企业创造了巨大的效益，同时，综放开采技术在兖矿的应用也是1个不断创新和发展的过程。

兖矿集团自1992 年在兴隆庄开始进行放顶煤试验开始，到金鸡滩煤矿一盘区东翼实施7 m 超大采高综放开采。自1992 年开始放煤试验至“十五”科技攻关结束。兖矿集团联合北京开采所承担的“九五”重点科技攻关项目“缓倾斜特厚煤层高产高效综放开采成套技术与装备研究”解决了综放开采端头区顶煤冒放、采煤机负压二次降尘、液压支架结构创新，围岩稳定性控制及顶煤回收率保障等关键技术问题。“十五”期间国家技术创新项目“600 万t综放工作面设备配套与技术研究”的实施，解决了四柱低位放顶煤液压支架的电液控制和通防等关键技术问题。通过“九五”、“十五”期间对综放开采技术不断深入的研究和发展，兖矿集团带动了我国放顶煤开采技术水平的发展和提高，并使兖州矿区综放开采技术达到世界领先水平，为煤炭工业的发展做出了重大贡献[4-5]。

2 综放开采自主创新及成果输出

2.1 综放开采支护技术创新

兖矿集团总结综放开采技术装备的应用经验及存在问题，结合煤炭开采国际、国内形势提出了“高效集约化综放开采技术及关键装备”项目，以综采放顶煤技术为主导，集成了采场围岩控制、机械设计制造、自动控制、网络和远程通讯、传感与检测、人工智能等科学技术手段，以确保综放开采技术达到国际领先为目标，立足于中国综放开采技术装备更新换代的同时，放眼国际市场。相关研究内容“两柱掩护式综采放顶煤液压支架研制”课题被列入2000 年国家技术创新项目计划。

2003 年，兖矿集团与北京开采所王国法院士团队联合研发了ZFY6800/18/35 型两柱掩护式放顶煤液压支架成套装备技术，在兴隆庄煤矿进行了工业性试验并取得成功，随后开发了ZFY8500/21/40 型两柱掩护式大采高放顶煤液压支架，首先在东滩煤矿应用并成功推广。

两柱掩护式放顶煤液压支架通过平衡千斤顶调节支架位姿及受力，相较四柱式支架可提供附加水平作用力，有效作用于围岩顶板，支护效率及架前控顶能力得到有效提升。

2.2 两柱掩护式低位放顶煤成套技术创新成果

基于两柱掩护式低位放顶煤液压支架的成套装备和技术进一步提高了综放开采的适应性和自动化水平，为综放开采的发展注入了新的动力，两柱掩护式低位放顶煤液压支架结构如图1。

图1 两柱掩护式低位放顶煤液压支架结构Fig.1 Structure of two-column shield type low level caving hydraulic support

1）该技术提出两柱掩护式放顶煤液压支架与围岩相互作用力学模型，在此基础上发明了两柱掩护式放顶煤液压支架，率先在全球范围内研制了放顶煤液压支架电液控制及其基于人工神经网络的自动化控制系统，成功研发了放顶煤工作面成套装备自动控制关键技术，包括采煤机自动记忆截割、液压支架自动跟机移架、煤流运输设备自动推移及煤流平衡监控，配合自主开发的自动化放煤工艺、工作面自动监控及远程通讯等自动化技术手段[6]，成就了综采放顶煤技术和装备的重大突破。

2）发明了两柱式放顶煤支架新型整体顶梁带前端挑梁、新型插板导向式强扰动放煤机构、五齿四棱锥型破煤机构等新结构，增强了放顶煤液压支架围岩支护及顶煤冒放性能，为实现煤矿自动化开采提供了有力因素；发明了新型立柱、千斤顶活塞及活塞杆用密封结构和密封圈等，显著提高了支护可靠性[7]。

3）首次阐明综放工作面尘源产生、分布和迁移规律，发明了放顶煤开采工作面负压二次降尘技术，自主研发了采煤机高压水雾吸尘系统，研制了与两柱掩护式综放液压支架控制系统相结合的自动喷雾引射降尘技术和工作面架间喷雾冲尘技术[8]，降尘效果显著，解决了制约工作面生产的安全隐患，创造了安全生产条件。

4）在澳大利亚澳斯达煤矿成功实施放顶煤开采。按照澳大利亚煤矿开采法律法规要求进行适应性研究和创新，首次把综采放顶煤技术引进澳大利亚，澳大利亚工业部盛赞其开创了澳大利亚煤炭开采的新纪元。

强力两柱掩护式放顶煤液压支架的开发研制是兖矿集团对我国煤炭工业，尤其是综采放顶煤开采技术的重大贡献，它标志着综放开采技术将进入1个新的发展时期。2006 年，综采放顶煤开采技术成功转让兖州煤业澳大利亚有限公司澳思达矿，CAT公司依据该项技术转让，首次在国外生产了成套放顶煤工作面开采设备。这是我国先进的采矿技术首次走出国门，输送到发达国家。CAT 生产的两柱放顶煤成套装备如图2。

图2 CAT 生产的两柱放顶煤成套装备Fig.2 Complete set of two-column top coal caving equipment produced by CAT

2.3 综放开采成套技术出口

2006 年至2007 年兖矿集团首次实现综放开采技术出口，取得了显著的经济社会效益和积极的国际影响。本项目针对澳大利亚行业法律法规下采煤工艺方法改变所带来的种种制约因素和影响，经过充分论证和审慎评估，将理论分析与现场实践研究相结合，通过一系列具有针对性的关键技术创新与试验，成功将我国放顶煤开采技术引进澳大利亚，实现澳大利亚厚煤层安全高效开采。其总体效果如下。

1）兖矿集团通过充分研究澳思达煤矿的煤岩地质条件、围岩稳定性控制难题，通过集成顶煤跨落规律及自动化配套技术要求，创新形成了澳大利亚综放开采自动化配套系统和技术体系。

2）综采工作面集成多项先进技术手段，建成全球首个自动化综采放顶煤工作面，首次实现采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架、煤流运输自动平衡及CST 软启动。

3）工作面配套放顶煤液压支架结构稳定、性能出色。在实际工作面使用中，能够保持机构可靠及与围岩的良好耦合，进一步验证了两柱式放顶煤支架的优越性能。首次采用支架高压自动补压系统，实现了支架高初撑力的自动保持，通过较高的系统压力保证足够的初撑力，在实现顶板支护的同时对顶煤产生预破碎效应，为工作面顶板的有效控制和顶煤顺利放出创造了条件[9]。

4）设计研制了综放工作面左右分离迈步式新型端头液压支架，有效地维护了端头超前支护部位设备和人员安全作业空间，端头支架、超前支架及巷道内配套转载、运输设备采用煤巷集中控制，提高了煤巷设备推移效率，实现了高产、高效开采配套设备协调快速推进[10]。

5）首次实施了适应胶轮车运输安装设备的大断面切眼施工工艺和支护技术，工作面超前影响区采用了无支柱强力锚索二次支护技术，保障了大断面切眼顶板的稳定性和端头区空间的稳定和安全。

3 大采高综放开采成套技术及装备

在综放开采和大采高综采成功应用的基础上，兖矿集团于2004 年在兴隆庄煤矿进行大采高放顶煤开采试验，解决了大采高放顶煤液压支架开采装备与综放技术等关键问题[11-12]；2009 年，对兖州矿区放顶煤项目进行技术升级改造，将综放开采割煤高度提高到4.0 m，解决了兖州矿区3#煤层中间夹矸的难题；2015 年，为贯彻国家以煤炭为主体能源的发展战略，满足大型煤炭基地建设和形成亿吨级煤炭生产骨干企业的需求，引领煤炭行业开采技术的发展和促进煤机制造技术的提升，在认真调研国外综放技术装备发展形势和趋势的基础上，针对石拉乌素煤矿的地质条件，将目前综放工作面割煤高度由小于3.5 m 加大到5.2 m 以上，项目成功研制了目前服役中的支撑高度最大的四柱放顶煤液压支架ZF22000/29/55D 超大采高放顶煤液压支架（图3）。该项目建立了大采深复杂厚煤层大采高综放支架-围岩耦合关系模型，优化设计了支架架型、高度、支护强度和护帮型式等关键结构和参数，研究了适应大采深厚煤层大采高综放强矿压的抗冲击立柱等关键结构，提高了支架设计的可靠性和适应性；通过支架结构优化和研制新型高效放煤机构，优化放煤工艺，提高顶煤回收率；通过液压支架截面优化、强度校核和高强度焊接结构钢及其焊接性研究，实现超强力大采高综放液压支架合理减重；优化设计厚煤层大采高综放工作面、端头、超前支护方式和设备；形成一套适应大采深、强矿压、复杂煤层条件的关键技术及成套装备，并取得良好的经济效益[13]。

图3 ZF22000/29/55D 型超大采高四柱放顶煤液压支架Fig.3 ZF22000/29/55D four-column caving hydraulic support with super mining height

2015 年，兖矿集团联合天地科技开采设计事业部，针对金鸡滩煤矿一盘区东翼煤层地质条件，联合开展特厚硬煤智能化超大采高综放开采技术装备及示范工程项目，探究特厚硬煤覆岩破断及运移规律，制定合理采放工艺，研究超大采高综放工作面支护设备关键技术，优化工作面设备配套总体参数及联合支护方案，集成应用智能化综放开采技术，以实现特厚坚硬煤层条件下年产2 000 万t 目标，达到工作面回收率不低于90%，含矸量不高于5%。该项目创新研发了具备完全自主知识产权的超大采高综放开采成套工艺理论、技术与装备，成功研制了以ZFY21000/35.5/70D 两柱强力掩护式放顶煤液压支架为代表的超大采高综放智能化配套装备，研发了国产惯性导航系统，实现了刮板机直线度控制；研制了世界最大运量煤流运输系统，发明了刮板机煤流卸载口、转载机入料口、破碎机及转载机卸料口四级破碎系统；采用全国产装备实现工作面具备年产2 000 万t 生产能力，实现特厚硬煤高产高效生产。ZFY21000/35.5/70D 超大采高两柱掩护式放顶煤液压支架如图4。

图4 ZFY21000/35.5/70D 超大采高两柱掩护式放顶煤液压支架Fig.4 ZFY21000/35.5/70D two-column shield top coal caving hydraulic support with super mining height

金鸡滩煤矿煤层厚度大，硬度高，特厚硬煤放顶煤开采存在顶煤冒放差、破碎体块度大、支-采-放协同控制难度大等问题，本课题在可行性研究基础上，通过金鸡滩煤矿坚硬特厚煤层绿色智能化超大采高综放开采关键技术及装备研究，形成适应金鸡滩东翼煤层赋存条件的成套开采技术和装备具有重要意义[14]，具体包括以下几个方面。

1）超大采高综放开采成套关键技术与装备是金鸡滩煤矿绿色、安全、高效开采的保障。由于硬煤条件下顶煤较硬，不易垮落，回收率低，而且综放开采一次采出厚度大、覆岩活动空间较大，工作面动压现象明显，顶板跨落时对支架的动载作用明显，因此如何提高综放工作面的回收率，维持覆岩结构的相对稳定是保证工作面回采安全的前提。

2）有利于提高我国综机装备研发水平。大采高综放工作面设备费的一次性投入往往需要达到上亿元，尤其是综放支架所占价值比重最大，而综放支架的结构与支护强度的选择与覆岩结构特征密切相关，如果综放支架架型与参数的选择不合理，那么将直接造成大量的资金浪费，并严重影响综放工作面安全、高效生产。本课题的研发可进一步提高我国综机装备设计、制造水平，提升国际竞争能力。

3）超大采高综放成套关键技术与装备具有广泛的推广价值和示范意义。榆神矿区赋存有大量约9～15 m 的坚硬特厚煤层，目前普遍采用分层或普通综放开采。分层开采下分层难度大，普通综放开采硬煤冒放性差。通过坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放机理的分析，确定合理采放比，制定提高顶煤回收率措施，研发超大采高综放开采成套装备，可进一步拓宽综放开采适用条件，为我国坚硬特厚煤层的高效开采开辟新的解决途径。

4 结 语

从最初的引进吸收到技术出口，从四柱支撑放顶煤液压支架到强力两柱超大采高掩护式综放支架及成套装备，从综合机械化开采到智能化放煤工作面，兖矿集团经过近30 年的研究总结和锐意进取，在综采放顶煤开采技术与装备研究应用领域获得了长足发展并带动了该技术的进一步推广应用。综放开采作为目前厚煤层高产高效开采的重要技术手段，在开采工艺、采场支护、成套装备等方面仍具有广阔深入的研究空间，兖矿集团将继续秉持“创造智慧动能、引领能源变革”的使命，致力于科学技术创新发展及应用，推动我国乃至世界煤炭工业可持续发展。