兗礦集團(tuán)綜放開采技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展與應(yīng)用

孟祥軍，李明忠，岳 寧，孫計(jì)爽

（1.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)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(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

我國厚煤層資源分布廣泛，其儲(chǔ)量和產(chǎn)量均占 到總量的約40%左右，是煤炭實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效開采的主采煤層。目前，國內(nèi)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(duì)于分層開采，綜放開采和大采高一次采全厚開采更易于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效，巷道掘進(jìn)率低，工作面搬家倒面次數(shù)減少，材料消耗和噸煤成本降低，是我國厚煤層開采的發(fā)展方向，兗礦集團(tuán)自20 世紀(jì)90 年代初開始大采高和綜放開采實(shí)踐，取得了一大批科技創(chuàng)新成果，促進(jìn)了我國煤炭工業(yè)的科技創(chuàng)新與發(fā)展。綜放開采是我國厚煤層傳統(tǒng)開采方法的革命[3]，經(jīng)國外引入，通過成套裝備技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，已實(shí)現(xiàn)成套技術(shù)產(chǎn)品輸出國外，兗礦集團(tuán)作為綜放開采的重要基地，一直致力于不斷提高該技術(shù)的安全可靠性、開采效率、回收率和工效。為此，針對(duì)兗礦集團(tuán)在綜放開采取得的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及科技成果進(jìn)行總結(jié)。

1 綜放開采的引進(jìn)及推廣應(yīng)用

自1992 年開始，兗礦集團(tuán)一直致力于綜放開采技術(shù)及實(shí)踐的創(chuàng)新研究及推廣。經(jīng)過近30 年積極進(jìn)展，綜放開采技術(shù)日漸成熟并廣泛應(yīng)用于厚煤層開采，成為實(shí)現(xiàn)煤炭高產(chǎn)高效開采的重要手段。綜放開采技術(shù)在兗州礦區(qū)的推廣應(yīng)用，極大的促進(jìn)了兗州礦區(qū)煤炭開采技術(shù)水平的提高，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的效益，同時(shí)，綜放開采技術(shù)在兗礦的應(yīng)用也是1個(gè)不斷創(chuàng)新和發(fā)展的過程。

兗礦集團(tuán)自1992 年在興隆莊開始進(jìn)行放頂煤試驗(yàn)開始，到金雞灘煤礦一盤區(qū)東翼實(shí)施7 m 超大采高綜放開采。自1992 年開始放煤試驗(yàn)至“十五”科技攻關(guān)結(jié)束。兗礦集團(tuán)聯(lián)合北京開采所承擔(dān)的“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“緩傾斜特厚煤層高產(chǎn)高效綜放開采成套技術(shù)與裝備研究”解決了綜放開采端頭區(qū)頂煤冒放、采煤機(jī)負(fù)壓二次降塵、液壓支架結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，圍巖穩(wěn)定性控制及頂煤回收率保障等關(guān)鍵技術(shù)問題?！笆濉逼陂g國家技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“600 萬t綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”的實(shí)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(guān)鍵技術(shù)問題。通過“九五”、“十五”期間對(duì)綜放開采技術(shù)不斷深入的研究和發(fā)展，兗礦集團(tuán)帶動(dòng)了我國放頂煤開采技術(shù)水平的發(fā)展和提高，并使兗州礦區(qū)綜放開采技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，為煤炭工業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)[4-5]。

2 綜放開采自主創(chuàng)新及成果輸出

2.1 綜放開采支護(hù)技術(shù)創(chuàng)新

兗礦集團(tuán)總結(jié)綜放開采技術(shù)裝備的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及存在問題，結(jié)合煤炭開采國際、國內(nèi)形勢(shì)提出了“高效集約化綜放開采技術(shù)及關(guān)鍵裝備”項(xiàng)目，以綜采放頂煤技術(shù)為主導(dǎo)，集成了采場(chǎng)圍巖控制、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程通訊、傳感與檢測(cè)、人工智能等科學(xué)技術(shù)手段，以確保綜放開采技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先為目標(biāo)，立足于中國綜放開采技術(shù)裝備更新?lián)Q代的同時(shí)，放眼國際市場(chǎng)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容“兩柱掩護(hù)式綜采放頂煤液壓支架研制”課題被列入2000 年國家技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃。

2003 年，兗礦集團(tuán)與北京開采所王國法院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)了ZFY6800/18/35 型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架成套裝備技術(shù)，在興隆莊煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)并取得成功，隨后開發(fā)了ZFY8500/21/40 型兩柱掩護(hù)式大采高放頂煤液壓支架，首先在東灘煤礦應(yīng)用并成功推廣。

兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架通過平衡千斤頂調(diào)節(jié)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(hù)效率及架前控頂能力得到有效提升。

2.2 兩柱掩護(hù)式低位放頂煤成套技術(shù)創(chuàng)新成果

基于兩柱掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架的成套裝備和技術(shù)進(jìn)一步提高了綜放開采的適應(yīng)性和自動(dòng)化水平，為綜放開采的發(fā)展注入了新的動(dòng)力，兩柱掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 兩柱掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of two-column shield type low level caving hydraulic support

1）該技術(shù)提出兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架與圍巖相互作用力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，率先在全球范圍內(nèi)研制了放頂煤液壓支架電液控制及其基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，成功研發(fā)了放頂煤工作面成套裝備自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)，包括采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架、煤流運(yùn)輸設(shè)備自動(dòng)推移及煤流平衡監(jiān)控，配合自主開發(fā)的自動(dòng)化放煤工藝、工作面自動(dòng)監(jiān)控及遠(yuǎn)程通訊等自動(dòng)化技術(shù)手段[6]，成就了綜采放頂煤技術(shù)和裝備的重大突破。

2）發(fā)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(dǎo)向式強(qiáng)擾動(dòng)放煤機(jī)構(gòu)、五齒四棱錐型破煤機(jī)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了放頂煤液壓支架圍巖支護(hù)及頂煤冒放性能，為實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化開采提供了有力因素；發(fā)明了新型立柱、千斤頂活塞及活塞桿用密封結(jié)構(gòu)和密封圈等，顯著提高了支護(hù)可靠性[7]。

3）首次闡明綜放工作面塵源產(chǎn)生、分布和遷移規(guī)律，發(fā)明了放頂煤開采工作面負(fù)壓二次降塵技術(shù)，自主研發(fā)了采煤機(jī)高壓水霧吸塵系統(tǒng)，研制了與兩柱掩護(hù)式綜放液壓支架控制系統(tǒng)相結(jié)合的自動(dòng)噴霧引射降塵技術(shù)和工作面架間噴霧沖塵技術(shù)[8]，降塵效果顯著，解決了制約工作面生產(chǎn)的安全隱患，創(chuàng)造了安全生產(chǎn)條件。

4）在澳大利亞澳斯達(dá)煤礦成功實(shí)施放頂煤開采。按照澳大利亞煤礦開采法律法規(guī)要求進(jìn)行適應(yīng)性研究和創(chuàng)新，首次把綜采放頂煤技術(shù)引進(jìn)澳大利亞，澳大利亞工業(yè)部盛贊其開創(chuàng)了澳大利亞煤炭開采的新紀(jì)元。

強(qiáng)力兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架的開發(fā)研制是兗礦集團(tuán)對(duì)我國煤炭工業(yè)，尤其是綜采放頂煤開采技術(shù)的重大貢獻(xiàn)，它標(biāo)志著綜放開采技術(shù)將進(jìn)入1個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。2006 年，綜采放頂煤開采技術(shù)成功轉(zhuǎn)讓兗州煤業(yè)澳大利亞有限公司澳思達(dá)礦，CAT公司依據(jù)該項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，首次在國外生產(chǎn)了成套放頂煤工作面開采設(shè)備。這是我國先進(jìn)的采礦技術(shù)首次走出國門，輸送到發(fā)達(dá)國家。CAT 生產(chǎn)的兩柱放頂煤成套裝備如圖2。

圖2 CAT 生產(chǎn)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(shù)出口

2006 年至2007 年兗礦集團(tuán)首次實(shí)現(xiàn)綜放開采技術(shù)出口，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和積極的國際影響。本項(xiàng)目針對(duì)澳大利亞行業(yè)法律法規(guī)下采煤工藝方法改變所帶來的種種制約因素和影響，經(jīng)過充分論證和審慎評(píng)估，將理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究相結(jié)合，通過一系列具有針對(duì)性的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與試驗(yàn)，成功將我國放頂煤開采技術(shù)引進(jìn)澳大利亞，實(shí)現(xiàn)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(tuán)通過充分研究澳思達(dá)煤礦的煤巖地質(zhì)條件、圍巖穩(wěn)定性控制難題，通過集成頂煤跨落規(guī)律及自動(dòng)化配套技術(shù)要求，創(chuàng)新形成了澳大利亞綜放開采自動(dòng)化配套系統(tǒng)和技術(shù)體系。

2）綜采工作面集成多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)手段，建成全球首個(gè)自動(dòng)化綜采放頂煤工作面，首次實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架、煤流運(yùn)輸自動(dòng)平衡及CST 軟啟動(dòng)。

3）工作面配套放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能出色。在實(shí)際工作面使用中，能夠保持機(jī)構(gòu)可靠及與圍巖的良好耦合，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩柱式放頂煤支架的優(yōu)越性能。首次采用支架高壓自動(dòng)補(bǔ)壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了支架高初撐力的自動(dòng)保持，通過較高的系統(tǒng)壓力保證足夠的初撐力，在實(shí)現(xiàn)頂板支護(hù)的同時(shí)對(duì)頂煤產(chǎn)生預(yù)破碎效應(yīng)，為工作面頂板的有效控制和頂煤順利放出創(chuàng)造了條件[9]。

4）設(shè)計(jì)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(hù)了端頭超前支護(hù)部位設(shè)備和人員安全作業(yè)空間，端頭支架、超前支架及巷道內(nèi)配套轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸設(shè)備采用煤巷集中控制，提高了煤巷設(shè)備推移效率，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)、高效開采配套設(shè)備協(xié)調(diào)快速推進(jìn)[10]。

5）首次實(shí)施了適應(yīng)膠輪車運(yùn)輸安裝設(shè)備的大斷面切眼施工工藝和支護(hù)技術(shù)，工作面超前影響區(qū)采用了無支柱強(qiáng)力錨索二次支護(hù)技術(shù)，保障了大斷面切眼頂板的穩(wěn)定性和端頭區(qū)空間的穩(wěn)定和安全。

3 大采高綜放開采成套技術(shù)及裝備

在綜放開采和大采高綜采成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，兗礦集團(tuán)于2004 年在興隆莊煤礦進(jìn)行大采高放頂煤開采試驗(yàn)，解決了大采高放頂煤液壓支架開采裝備與綜放技術(shù)等關(guān)鍵問題[11-12]；2009 年，對(duì)兗州礦區(qū)放頂煤項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，將綜放開采割煤高度提高到4.0 m，解決了兗州礦區(qū)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(fā)展戰(zhàn)略，滿足大型煤炭基地建設(shè)和形成億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)骨干企業(yè)的需求，引領(lǐng)煤炭行業(yè)開采技術(shù)的發(fā)展和促進(jìn)煤機(jī)制造技術(shù)的提升，在認(rèn)真調(diào)研國外綜放技術(shù)裝備發(fā)展形勢(shì)和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)石拉烏素煤礦的地質(zhì)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(xiàng)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(xiàng)目建立了大采深復(fù)雜厚煤層大采高綜放支架-圍巖耦合關(guān)系模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)了支架架型、高度、支護(hù)強(qiáng)度和護(hù)幫型式等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)，研究了適應(yīng)大采深厚煤層大采高綜放強(qiáng)礦壓的抗沖擊立柱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，提高了支架設(shè)計(jì)的可靠性和適應(yīng)性；通過支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和研制新型高效放煤機(jī)構(gòu)，優(yōu)化放煤工藝，提高頂煤回收率；通過液壓支架截面優(yōu)化、強(qiáng)度校核和高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼及其焊接性研究，實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)力大采高綜放液壓支架合理減重；優(yōu)化設(shè)計(jì)厚煤層大采高綜放工作面、端頭、超前支護(hù)方式和設(shè)備；形成一套適應(yīng)大采深、強(qiáng)礦壓、復(fù)雜煤層條件的關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備，并取得良好的經(jīng)濟(jì)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(tuán)聯(lián)合天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，針對(duì)金雞灘煤礦一盤區(qū)東翼煤層地質(zhì)條件，聯(lián)合開展特厚硬煤智能化超大采高綜放開采技術(shù)裝備及示范工程項(xiàng)目，探究特厚硬煤覆巖破斷及運(yùn)移規(guī)律，制定合理采放工藝，研究超大采高綜放工作面支護(hù)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化工作面設(shè)備配套總體參數(shù)及聯(lián)合支護(hù)方案，集成應(yīng)用智能化綜放開采技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)特厚堅(jiān)硬煤層條件下年產(chǎn)2 000 萬t 目標(biāo)，達(dá)到工作面回收率不低于90%，含矸量不高于5%。該項(xiàng)目創(chuàng)新研發(fā)了具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超大采高綜放開采成套工藝?yán)碚?、技術(shù)與裝備，成功研制了以ZFY21000/35.5/70D 兩柱強(qiáng)力掩護(hù)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(fā)了國產(chǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刮板機(jī)直線度控制；研制了世界最大運(yùn)量煤流運(yùn)輸系統(tǒng)，發(fā)明了刮板機(jī)煤流卸載口、轉(zhuǎn)載機(jī)入料口、破碎機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)卸料口四級(jí)破碎系統(tǒng)；采用全國產(chǎn)裝備實(shí)現(xiàn)工作面具備年產(chǎn)2 000 萬t 生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)特厚硬煤高產(chǎn)高效生產(chǎn)。ZFY21000/35.5/70D 超大采高兩柱掩護(hù)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(hù)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(xié)同控制難度大等問題，本課題在可行性研究基礎(chǔ)上，通過金雞灘煤礦堅(jiān)硬特厚煤層綠色智能化超大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究，形成適應(yīng)金雞灘東翼煤層賦存條件的成套開采技術(shù)和裝備具有重要意義[14]，具體包括以下幾個(gè)方面。

1）超大采高綜放開采成套關(guān)鍵技術(shù)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(dòng)空間較大，工作面動(dòng)壓現(xiàn)象明顯，頂板跨落時(shí)對(duì)支架的動(dòng)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(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定是保證工作面回采安全的前提。

2）有利于提高我國綜機(jī)裝備研發(fā)水平。大采高綜放工作面設(shè)備費(fèi)的一次性投入往往需要達(dá)到上億元，尤其是綜放支架所占價(jià)值比重最大，而綜放支架的結(jié)構(gòu)與支護(hù)強(qiáng)度的選擇與覆巖結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，如果綜放支架架型與參數(shù)的選擇不合理，那么將直接造成大量的資金浪費(fèi)，并嚴(yán)重影響綜放工作面安全、高效生產(chǎn)。本課題的研發(fā)可進(jìn)一步提高我國綜機(jī)裝備設(shè)計(jì)、制造水平，提升國際競(jìng)爭(zhēng)能力。

3）超大采高綜放成套關(guān)鍵技術(shù)與裝備具有廣泛的推廣價(jià)值和示范意義。榆神礦區(qū)賦存有大量約9～15 m 的堅(jiān)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(jiān)硬特厚煤層綜放開采頂煤冒放機(jī)理的分析，確定合理采放比，制定提高頂煤回收率措施，研發(fā)超大采高綜放開采成套裝備，可進(jìn)一步拓寬綜放開采適用條件，為我國堅(jiān)硬特厚煤層的高效開采開辟新的解決途徑。

4 結(jié) 語

從最初的引進(jìn)吸收到技術(shù)出口，從四柱支撐放頂煤液壓支架到強(qiáng)力兩柱超大采高掩護(hù)式綜放支架及成套裝備，從綜合機(jī)械化開采到智能化放煤工作面，兗礦集團(tuán)經(jīng)過近30 年的研究總結(jié)和銳意進(jìn)取，在綜采放頂煤開采技術(shù)與裝備研究應(yīng)用領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足發(fā)展并帶動(dòng)了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。綜放開采作為目前厚煤層高產(chǎn)高效開采的重要技術(shù)手段，在開采工藝、采場(chǎng)支護(hù)、成套裝備等方面仍具有廣闊深入的研究空間，兗礦集團(tuán)將繼續(xù)秉持“創(chuàng)造智慧動(dòng)能、引領(lǐng)能源變革”的使命，致力于科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展及應(yīng)用，推動(dòng)我國乃至世界煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。