综采工作面快速采煤技术现状及发展趋势

张德生，祝 琨，张 赛，杜尚宇，

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院，北京 100013)

智能化开采是世界煤炭技术革命的主流方向和我国煤炭企业转型发展的必然趋势，也是“十四五”乃至今后一个时期国家煤炭工业高质量发展的重要支撑，安全、高效是智能化开采的目标和可持续发展的内在动力。经过近20a的发展，我国相继突破了高端液压支架、电液控制系统，高可靠性采煤机，大运量智能刮板输送机等核心技术装备，在条件较好煤层初步实现了“无人值守、有人巡视”的智能开采模式[1]。据中国煤炭工业协会统计，截止2019年底，我国已建成千万吨矿井44处，产能6.96亿t/a[2]，上述矿井基本是依托厚煤层资源和超大采高综采、综放技术装备来实现的；而美国等发达采煤国凭借其装备技术优势，形成了长壁工作面快速推进的高效开采模式，在2m左右中厚煤层实现并保持了年产千万吨的世界领先水平[3]，国内在快速采煤技术方面与国外仍存在较大差距。

当前，以陕蒙矿区为代表的西部煤炭主产区高产高效矿井群在超大采高综采、综放开采技术和装备水平上显著提高，厚煤层资源消耗加快，1.3～3.5m中厚煤层逐渐成为支撑矿井千万吨产能的主采煤层[4]，对中厚煤层工作面高产高效技术装备需求迫切。对标国外一流水平，本文通过分析快速采煤核心技术的现状和需求，对技术发展方向提出见解，以期为中厚煤层快速采煤技术装备的开发和应用提供参考。

1 快速采煤及关键影响因素

1.1 双向割煤工艺

双向割煤是当前长壁工作面开采的主流方式，双向割煤的一般流程[5]：采煤机达到回风巷位置起始(机尾滚筒在上，机头滚筒在下)，当割完机尾的煤后，就调换滚筒上下位置(机头滚筒在上，机尾滚筒在下)，进行斜切进刀，输送机完成机尾向前推移动作，采煤机向机尾方向割煤(机尾滚筒调高，机头滚筒调低)，割完楔形三角煤(完成一个端头割煤)，割完机尾端头处煤后(机头滚筒调高、机尾滚筒调低)，采煤机向运输巷方向割煤，达到运输巷处，完成一刀割煤；重复上述同样的操作过程，完成返程进刀。在双向割煤中，液压支架需要随着采煤机割煤而即时移架。

从上述割煤过程可以看出，采煤机割煤速度、液压支架跟机速度、端头三角煤处理时间是提高采煤效率的关键。快速采煤，就是通过缩短上述环节的执行时间，实现“采-支-运”高效协同，最大限度提高回采速度和劳动效率，满足工作面高产高效开采。

1.2 快速采煤关键技术参数

以平均厚度2.0m，长度400m 工作面为例，液压支架中心距1.75m，采煤机截深0.865m，每年工作330d，每天开机时间按20h考虑，采用双向割煤工艺，年产能1000万t，须达到以下指标：平均日产约3.0万t，日循环32刀，煤机速度15m/min(端头割煤时间 15min计)，支架跟机速度 10架/min (6s/架)。

对照上述快速采煤指标，在中厚煤层开采技术方面，我国与先进采煤国差距明显，国产设备尚存在以下问题：

1)采煤机。采煤机截割效率低，当采煤速度提升至 10m/min以上的较高速度时，采煤机存在截割能力不足(截割过载)、牵引能力不足(牵引过载)、整机平稳性差(振动较大)和截割部减速箱温度过高(≥100℃)等问题；采煤机滚筒无法高效地将采落的煤装载至刮板运输机；行走轮等关键部件寿命约在200km左右，更换时间长，无法满足中厚煤层高产高效采煤的要求[6]。以上问题都制约了采煤机截割效率。

2)液压支架。液压支架移架速度慢：快速移架是指快速精准完成液压支架“降—移—升”动作循环(含辅助时间)，是能否实现即时支护的关键，当前移架时间普遍在10s以上。供液管路长(远距离供液时影响更为明显)，造成单架移架速度慢，且通过提高泵压和管路规格的方式遇到瓶颈。同时，电液控制系统中没有考虑顶、底板的耦合效应，丢架现象严重。

3)刮板输送机。国外中厚煤层开采一般布置超长工作面，美国一半以上的链速都大于1.94m/s[7]，超长工作面高链速运行对链条质量提出了更高的要求。国内链条加工制造水平低，链条张紧系统功能不完善，采用国产化链条链速偏低，运载能力差，且超长工作面输送机产品研制和运行经验不足，造成同等输送能力下国产输送机规格选型较国外产品大。

4)开采工艺和系统集成方面。现有开采工艺多基于双向割煤，国外自动化工作面端头处理时间一般在15min以上；国内则要25～30min以上，已成为制约高效开采的最重要因素之一；同时，系统装备可靠度差，开机率无法保障。

2 国内、外快速采煤技术进展和实践

2.1 国外快速采煤技术进展和实践

美国等先进采煤国快速采煤技术的发展源自1984年开发的液压支架电液控技术[8]，该技术的应用使得支架工作循环周期从40s(手控)降低到了12～20s，主动初撑力设置保证了所有工作面内支架能够达到设定值，显著减少支架工人数量并降低劳动强度；1990年，德国推出电液控制自动化系统；2001年，澳大利亚开始实施Landmark项目；2006年，美国JOY公司应用虚拟采矿技术方案；近年来，澳大利亚CSIRO、美国JOY、德国RGA等又推出基于惯性导航的采煤机定位技术、防碰撞、煤流负荷匹配、高效截割等更高等级的智能化综采技术[9]。上述技术发展保障了工作面安全，提升了回采效率，形成了美国Caterpillar(CAT)和日本Komatsu(原美国JOY)两大世界领先的长壁工作面成套设备和自动化装置供应商。

美国开采煤层大部分为中厚煤层，煤层平均厚度为2.37m左右，为实现一井一面安全高效开采的目标，矿井开拓向工作面超长走向长度发展是国外现阶段采矿技术的显著特征，这种布置方式为快速截割和快速移架提供了更好的平台，也提出了更高的要求。开采工艺方面，美国的长壁工作面在20世纪70年代后期至90年代早期，超过75%的采煤机使用单向割煤方式；80年代中后期，随着超长工作面和自动化技术的发展，双向割煤开始占据主导地位，而双向割煤在完成斜切进刀两次切割三角煤时遇到困难，这一端头自动操作问题一直到 21 世纪初才得到了解决，自此追机移架系统得以全面使用。当前除个别煤矿外，美国长壁开采均采用双向割煤。澳大利亚主要四种割煤方式，即双向割煤、单向割煤、半截深割煤和半截深单向割煤，不同于美国的长壁开采方式，随着采煤机容量和牵引速度的提高，相较于双向进刀，澳洲煤矿更倾向于单向半工作面斜切进刀方式。

国外智能化采煤技术发展的另一个显著特点是凭借装备高可靠性，进行高速截割、快速跟机移架来实现高产高效[10]：1984年，美国固本公司鞋匠煤矿在1.66 m煤层综采工作面实现了日割33.5刀，日产1.35万t 的纪录，平均割煤速度达10m/min以上；1994年，美国20英里矿在节理裂隙发育，易漏顶煤层采用浅截深截割工艺，实现了采煤机25m/min的割煤速度，移架速度达到17架/min(单架时间3.5s)，平均每班移架2500架次(推移刮板运输5000架次)，最高每班移架3500架次(推移刮板运输7000架次)，其技术保证之一就是支架电液控制系统指挥下的快速精准移架技术；2017年，美国白橡树煤矿在2.0m左右采高的工作面，达到了年产千万吨的生产水平，依然保持着中厚煤层开采效率的世界纪录。

典型案例：Tunnel Ridge煤矿位于美国西弗吉尼亚州，主采8号煤层倾角为0°～2°，埋深为152m，矿井采用一井一面的生产模式，工作面长度378m，推进长度为4500m，采高为1.98～2.34m，平均2.2m；采用JOY 7LS1-A型采煤机，配备了JOY自动化采煤机系统(ASA)，液压支架宽1.75m，额定工作阻力为9250kN，配备了CAT电液控装置，液压支架自动随机移架和成组移架；2016年商品煤生产能力达到644万t，原煤生产能力为1288万t[11，12]。

2.2 国内快速采煤技术进展

国内快速采煤技术发展同样以快速移架技术发展为标志，早在20世纪90年代，煤炭科学研究总院就开发了手动控制快速移架系统[13]，开展了操纵阀、液控单向阀以及液压系统的总体配套设计，采用环形供液方式，单架降、移、升总时间不超过12～15s，跟机速度达到8m/min，在铁法矿务局实现日产7000t的高效产能；20世纪初，北京开采所开展了液压支架移架速度的定量化研究，并提出了“恒流状态”“压力-流量动态状态”和“压力饱和状态”的概念，太原研究院开发了支架全液压程序控制快速移架系统，指出降柱和推溜是高阻状态，耗费时间长；2002年，潞安矿务局在ZFS6000支架上应用大流量快速移架系统，日产原煤提高到1万t[14]；2005年，郑煤机为提高移架速度，研制了大流量换向阀FHS400/32[15]，通流能力达到普通阀的2倍以上；平阳重工针对泵站和管路等对升降柱的影响进行仿真研究[16]，表明增大泵站流量可提高升柱速度，但对降柱时间影响不明显；平煤机研究应用了大流量立柱快速供液阀技术，由电磁换向阀控制，直接经反冲过滤器供液，快速供液阀的流量可以达到2000L/min，同时开发了立柱液控单向阀加交替单向阀的旁路系统，提高降柱速度。随着高效高产矿井建设进程加快以及液压支架电液控制系统技术水平的不断提高，为了满足综采工作面快速移架、推溜的需要，促使液压支架供液系统朝高压、大流量、自动化的方向发展：供液系统压力由31.5MPa提升到33.5～40MPa，最大达到50MPa；进液管规格达DN63，回液管达DN89。在上述技术的支持下7m大采高液压支架的理论移架时间降低到10s左右[17]，神东8.8m超大采高液压支架技术，也同样把解决超大工作阻力支架，提高支架移架速度作为重要攻关方向，采用三进三回供液网络，每隔50架，电缆槽内液管与支架间液管连接1次，液压支架单架循环时间不大于12s[18]。

我国采煤机的研制从20世纪80年代开始起步，90年代全面发展。21世纪开始，国内各大煤矿先后引进国外大功率采煤机，2006年国内使用进口大功率采煤机的综采工作面，最高单产已超10Mt/a，各主要采煤机制造公司开始自主生产大功率采煤机[19，20]；2012年，“高速高可靠性电牵引采煤机”项目将国产化采煤机的可靠性提高到一个新水平。但在采煤机截割速度等方面仍和国外产品差距明显，且国内在高速采煤机运行方面无公开研究成果和试验数据。

中厚煤层高产高效探索方面，济宁二号井为解决中厚煤层工作面生产能力小、单产水平低的问题，采用双采煤机开采工艺，工作面长度327.1m，截煤高度2.68m，工作面月单产水平由单采煤机工作面的19.95万t提高到47.1万t，产量增加325.8万t/a[21，22]。近年来国内煤矿工作面长度呈逐年上升态势，神东哈拉沟煤矿12上101工作面布置了450m超长综采工作面。为实现2～3m中厚煤层千万吨生产能力，国内一些地质条件较好，开采技术水平较高的煤矿开始布局高产高效工作面。

典型案例：

转龙湾煤矿位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗，Ⅱ-3号煤层厚度2.92～4.49m，平均 3.92m，确定采煤机截深为865mm，工作面长度为 300m，为了实现“一矿一井一面”的千万吨级智能化矿井建设目标，研制了ZY16000/23/43D液压支架、MG900/2400-WD采煤机、SGZ1250/3×1000刮板输送机，并在国内首次应用了基于惯性导航系统的综采工作面直线度精确检测技术，最高牵引割煤速可达14m/min以上，行走位置控制精度优于±3cm，最高日产达到3.78万t，最高月产 90.13万t，具备了年产1 000万t的水平。

3 智能化系统解决方案

3.1 发展方向

当前，国外长壁自动化开采技术无重大改进，主要致力于提高工作面设备的可靠性、安全防护与工人健康：将两柱掩护式支架作为设计标准，不断提高支架的支撑能力和可靠性，控制程序不断发展，安全功能增加；为适应开采煤层的变化和满足中国市场的需求，国外采煤机也在朝着大功率、大采高方向发展；快速移动工作面设置了多重警示系统，以确保工人的安全；优化了端头往返割煤和斜切进刀的运行操作，实现了全工作面自动化开采。

针对采煤机牵截割效率低，液压支架跟机速度慢的普遍问题，对标国际一流水平，补齐短板。针对中厚煤层工作面工作条件，研究高速截割状态下采煤机动态响应规律和劣化机理，开发新型高效截割装载滚筒及高功率密度中厚煤层采煤机，行走轮等关键部件寿命不小于1000km，在硬度f3以下近水平煤层采割煤牵引速度达到15m/min以上；开发液压支架液压系统拓扑结构数字化高精度分析模型；研发液压支架“集中-分布”组合式敏捷高效供液系统，平均单架移架速度降到6s以下，制定工作面设备群高效推进协同控制策略。

3.2 快速采煤关键技术

3.2.1 高速采煤机开发

针对采煤机高速截割状态下振动、发热、磨损问题，功率密度大的特点，对采煤机高速运行的动态响应和关键部件劣化机理进行研究，提出减小采煤机振动的方法和措施，使采煤机在高速采煤状态下能平稳运行；研究采煤机截割功率、牵引功率、滚筒转速、牵引速度之间的匹配关系，合理确定各参数值，使得采煤机发挥最大工作效能。

3.2.2 液压支架敏捷高效供液系统

移架速度是高性能液压支架的一个主要性能指标，其核心技术是通过供液网络拓扑模型分析获得合理的大流量供、回液系统，采用高性能元器件及控制方法实现高可靠性运行。针对远及超远距离高压流体输送技术中的压降、高压产生的爆管、群组移架过程中带来系统整体压降“刚度”降低等问题，创新“集中-分布”组合式敏捷供液体系，研究基于工作面液压支架压力-流量补偿机制；开展液压支架双供液系统动态特性及试验研究；开发液压支架独立自供液压力、流量动态补偿调控装置和大缸径立柱自适应调控装置，研究综采工作面支架液压系统的快速响应系统，实现电液控与供液系统的智能联动控制[23]。

3.2.3 刮板输送机

精确控制销排的节距变化，提高运行平稳性和可靠性；突破传统的刮板链恒预紧力管理方法，研究采煤机在不同位置时的刮板链控制策略，结合刮板机驱动电机电流，实时控制伸缩机尾油缸，实现在整个采煤机割煤过程中，刮板链保持最佳的张紧状态。同时，加强高端链条等核心零部件的国产化能力。

3.2.4 工作面采煤路径规划及设备群协同推进

采煤机进刀方式直接影响到工作面的产量和效率，因而要根据采煤机的实际能力，选择合适的采煤机进刀方式，缩短工作循环周期，提高综采工作面产量。研究长壁工作面的各种斜切进刀开采工艺，确定单向割煤中部斜切进刀方式割煤工艺和双向割煤端头斜切进刀方式割煤工艺影响因素和影响因子，并给出相应的算法。

采用精准时序调控技术，减少快速跟机过程的丢架现象，保证综采工作面装备群有序、高效推进。研究建立工作面液压支架带压移架工况力学模型，得出移架过程中所需推力与各参数之间的数学关系，分析推移千斤顶所需推力随煤层倾角、支架与顶底板的摩擦系数、顶板压力的变化规律，保证工作面装备群协同有序推进。

4 结 语

智能化是实现快速采煤的技术支撑，快速采煤是智能化开采发展的目标和内在动力，两者相互协调促进。为提高我国快速采煤技术装备发展水平，进一步缩短在中厚煤层快速采煤技术方面与国外一流水平的差距，现阶段需重点做好以下工作：①补齐装备短板：加快高速高可靠采煤机、快速移架系统和高链速刮板输送机方面的研发工作，满足中厚煤层千万吨级矿井建设需求；②高效协同推进技术：根据国产化设备能力和特点，优化截割路径，提高设备在高强度快速推进条件下自动化运行能力，利用智能化技术和手段保障工作面高效协同推进；③系统可靠性工作：在满足单机装备性能的技术上，进一步提高单机设备及综采系统可靠性；以需求为牵引，以实践为平台，打造高水平的操作和管理人才队伍，实现系统可靠稳定运行。