大采高綜采技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李偉榮,孫 軒,楊小龍,楊 帆,張青飛,杜彥偉

（華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 華亭 744100）

煤炭是我國的主要能源，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要地位，2050年前煤炭在能源結(jié)構(gòu)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(zhàn)略中起著重要作用[1]。我國厚及特厚煤層儲(chǔ)量十分豐富，可采儲(chǔ)量占生產(chǎn)礦井總儲(chǔ)量的45%，厚煤層的高效開采是提高煤礦產(chǎn)量的重要舉措[2-7]。我國自1978年采用大采高綜采技術(shù)，在幾十年的發(fā)展過程中大采高綜采技術(shù)與設(shè)備均取得較大進(jìn)步，當(dāng)前已成為厚煤層高效安全開采的主要發(fā)展趨勢之一?？梢?，研究大采高綜采技術(shù)具有極為重要的意義[8]。本文圍繞大采高綜采技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行述評，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單展望。

1 國外大采高綜采技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期，日本設(shè)計(jì)研究開發(fā)出采高為5m液壓支架，德國研發(fā)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(gè)綜采工作面使用DOMA-25/45型兩柱掩護(hù)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(hào)礦采用長壁大采高綜采技術(shù)開采厚煤層，采高4.5～4.7m，日產(chǎn)量6200t。20世紀(jì)末期以來，美、澳、英、德等國家采用大功率可控傳動(dòng)、微機(jī)工況檢測監(jiān)控、自動(dòng)化控制、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)等先進(jìn)適用技術(shù)，研制出適應(yīng)不同煤層條件的高效綜采大型設(shè)備，設(shè)備功能內(nèi)涵取得重大突破，綜采成套設(shè)備的生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到3000t/h以上，美國新一代高產(chǎn)高效綜采設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，其中液壓支架的發(fā)展尤為突出，美國長壁綜采工作面液壓支架以掩護(hù)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(chǎn)，美國大采高液壓支架的發(fā)展趨勢為向兩柱式掩護(hù)支架發(fā)展和廣泛應(yīng)用電液控制技術(shù)[9]。近年來，美國諸多綜采工作面采用電牽引采煤機(jī)、電液控制液壓支架等新型裝備，實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)的半自動(dòng)化，平均年產(chǎn)量達(dá)到300萬t以上，德、英等加緊煤炭企業(yè)技術(shù)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(chǎn)量突破400萬t，綜采新型裝備的使用取得較好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效果[10]。

2 國內(nèi)大采高綜采技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀

王國法等針對厚煤層綜采開采過程中遇到的技術(shù)難題，提出大采高綜采開采面臨的科學(xué)問題，建立基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的厚煤層開采方法適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)模型?；谝簤褐Ъ芘c圍巖的強(qiáng)度耦合、剛度耦合、穩(wěn)定性耦合原理，建立液壓支架與圍巖的耦合動(dòng)力學(xué)模型及煤壁片幫的“拉裂-滑移”力學(xué)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(wěn)定性控制的矛盾，提出增大液壓支架的初撐力及優(yōu)化液壓支架架型結(jié)構(gòu)等方法緩解兩者之間矛盾[11]。華亭煤業(yè)集團(tuán)大柳煤礦4號(hào)煤層1404工作面采用大采高綜采采煤工藝，工作面采煤機(jī)選用大功率、電牽引采煤機(jī)，具有工況監(jiān)測監(jiān)控功能，并裝備先進(jìn)的電控系統(tǒng)，采用先進(jìn)的信息處理技術(shù)和傳感技術(shù)，刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)均采用最新的變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，具有與采煤機(jī)能力協(xié)調(diào)適應(yīng)的運(yùn)輸能力；配套工作阻力13000kN采高6.5m掩護(hù)式液壓支架，液壓支架電液控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制，工作面亦實(shí)現(xiàn)智能化聯(lián)動(dòng)、記憶切割、液壓支架等綜采設(shè)備連續(xù)、協(xié)調(diào)、高效、安全運(yùn)行。太原重型機(jī)械集團(tuán)煤機(jī)有限公司、天地科技股份有限公司等單位聯(lián)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(xué)科協(xié)同優(yōu)化配套技術(shù)、超大采高工作面圍巖控制技術(shù)及工藝等綜采成套技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)采煤工藝技術(shù)新突破。中國煤炭科工集團(tuán)和大同煤礦集團(tuán)等十幾個(gè)單位聯(lián)合研究，掌握大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和控制技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)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(tuán)補(bǔ)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(shù)及工作面兩端頭與巷道割煤過渡技術(shù)和工作面礦壓顯現(xiàn)情況等關(guān)鍵技術(shù)[13]。有關(guān)學(xué)者研制8.2m超大采高綜采成套裝備，設(shè)計(jì)采用“大梯度+小臺(tái)階”過渡配套方式，解決了金雞灘煤礦端頭煤損失問題，實(shí)現(xiàn)了工作面日產(chǎn) 5.7萬 t，月產(chǎn) 150萬t以上[14]。李建軍提出在大釆高綜采工作面實(shí)行新型超前支護(hù)技術(shù)，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(yè)人員工作效率[15]。王金君等通過對同忻、塔山、平朔一號(hào)井等礦井工作面地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、產(chǎn)量及采出率、設(shè)備使用情況和礦壓顯現(xiàn)及安全可靠性等方面研究，分析大采高綜放開采技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀，提出針對“三機(jī)”配套和開采工藝相關(guān)意見和建議[16]。

3 國內(nèi)大采高綜采工作面存在的主要問題

1）煤壁片幫較為嚴(yán)重。在大采高綜采作業(yè)的過程中，煤壁片幫是其中存在的一個(gè)主要問題，對于大采高綜采技術(shù)的應(yīng)用，會(huì)存在支架圍巖關(guān)系，而且較為復(fù)雜，如果處理不善，則會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

2）快速回撤、搬面存在運(yùn)輸問題。隨著開采技術(shù)的發(fā)展，大采高綜采工作面單產(chǎn)和采高均取得飛速發(fā)展，綜采設(shè)備向大、重、高方向發(fā)展，在我國，最大高度支撐為7m的液壓支架重量可達(dá)70t，采煤機(jī)重量可達(dá)130t。在當(dāng)前技術(shù)下，特別對于礦井地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道變形嚴(yán)重礦井，快速回撤、搬面存在著一定的運(yùn)輸問題。

3）國內(nèi)大采高綜采工作面設(shè)備設(shè)施與國外相比仍存在差距。國內(nèi)采煤機(jī)在總裝機(jī)功率、生產(chǎn)能力和工作可靠性、交流變頻電牽引技術(shù)、工況檢測與故障診斷、自動(dòng)控制技術(shù)以及整機(jī)可靠性方面與國外尚有差距。國產(chǎn)液壓支架與進(jìn)口支架在結(jié)構(gòu)件選材、焊接工藝技術(shù)及質(zhì)量控制、液壓密封元件、電液控制系統(tǒng)等方面與國外相比仍有差距。國產(chǎn)工作面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)生產(chǎn)能力、性能參數(shù)偏低，元部件可靠性、軟啟動(dòng)技術(shù)、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控、自動(dòng)控制技術(shù)及在帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析與監(jiān)測技術(shù)、可控軟啟動(dòng)技術(shù)與多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率均衡技術(shù)、機(jī)尾自控張緊技術(shù)和阻燃輸送帶、輸送機(jī)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(shù)與裝備發(fā)展趨勢

大采高綜采技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展前景相對較好，其未來應(yīng)用還會(huì)向著地質(zhì)構(gòu)造更加復(fù)雜的礦層進(jìn)行發(fā)展，而且大采高綜采技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。伴隨著煤礦開采面向大規(guī)模、集中化和智能化方向發(fā)展，大功率、高效率的機(jī)械化開采設(shè)備十分關(guān)鍵，大采高綜采技術(shù)在未來發(fā)展中必然朝著機(jī)械設(shè)備大型化、裝備自動(dòng)化、機(jī)械技術(shù)安全的方向發(fā)展。