我國(guó)井工煤礦開(kāi)采技術(shù)裝備回顧及展望

郭俊生

(煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京市西城區(qū)，100120)

從20世紀(jì)90年代至今，我國(guó)井工煤礦開(kāi)采技術(shù)不斷進(jìn)步，取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，近年來(lái)由高產(chǎn)高效逐漸向安全高效轉(zhuǎn)變。根據(jù)煤層的不同開(kāi)采厚度，厚煤層開(kāi)采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從分層開(kāi)采、一次采全高、放頂煤開(kāi)采、大采高一次采全高的臺(tái)階式遞進(jìn)，薄煤層開(kāi)采技術(shù)也經(jīng)歷了炮采、普采、綜采的技術(shù)轉(zhuǎn)變，相比之下，厚煤層開(kāi)采更明顯地引領(lǐng)和代表了中國(guó)井工煤礦開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展方向。

1 厚煤層開(kāi)采技術(shù)發(fā)展

我國(guó)井工礦厚煤層開(kāi)采技術(shù)經(jīng)歷了炮采-機(jī)采-綜采的發(fā)展歷程，綜采技術(shù)也經(jīng)歷了由試驗(yàn)到研發(fā)、由研發(fā)到升級(jí)的轉(zhuǎn)變[1]， 20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)由建設(shè)高產(chǎn)高效礦井向建設(shè)安全高效礦井轉(zhuǎn)變，我國(guó)厚煤層開(kāi)采技術(shù)也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

根據(jù)煤層開(kāi)采的主要工藝不同，對(duì)我國(guó)30年來(lái)厚煤層開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了以下總結(jié)。

1.1 分層開(kāi)采技術(shù)工藝及裝備

20世紀(jì)七八十年代，我國(guó)厚煤層大多采用分層開(kāi)采的方式，即先開(kāi)采上分層(或者第一分層)，然后鋪設(shè)金屬網(wǎng)，待形成人工假頂后再開(kāi)采下一個(gè)分層，分層厚度一般為2.5～3.0 m，工作面產(chǎn)量普遍為100～200萬(wàn)t/a。如晉煤集團(tuán)古書(shū)院礦緩傾斜6 m厚煤層分2層開(kāi)采，綜采工作面產(chǎn)量180萬(wàn)t/a；開(kāi)灤礦務(wù)局唐山煤礦9～11 m厚煤層分3～4層開(kāi)采，綜采工作面產(chǎn)量超過(guò)100萬(wàn)t/a。

20世紀(jì)90年代后，隨著厚煤層開(kāi)采技術(shù)發(fā)展，特別是高產(chǎn)高效礦井建設(shè)和安全管理要求的提高，分層開(kāi)采存在的巷道掘進(jìn)量大、材料消耗和動(dòng)力消耗大、巷道布置和生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、對(duì)于煤層自然發(fā)火難以控制等不足逐步顯現(xiàn)，制約了厚煤層開(kāi)采的高產(chǎn)高效發(fā)展，分層開(kāi)采逐漸被放頂煤開(kāi)采和一次采全高工藝替代。

進(jìn)入21世紀(jì)后，在特厚煤層開(kāi)采中，由于受到單層開(kāi)采厚度限制，也常應(yīng)用分層開(kāi)采，但分層厚度較大，基本屬于分層放頂煤開(kāi)采或者分層一次采全高工藝系列，因此分層開(kāi)采部分不再敘述。

1.2 一次采全高技術(shù)工藝及裝備

我國(guó)厚煤層一次采全高工藝是在中厚煤層綜采基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的。1978年開(kāi)灤范各莊煤礦試驗(yàn)工作面采高3.6～4.0 m，月產(chǎn)煤炭8.6萬(wàn)t；1985年在西山礦務(wù)局官地煤礦采高 4.0 m工作面、邢東東龐煤礦采高 4.5～4.8 m工作面一次采全高工藝平均月產(chǎn)量均已超過(guò) 14萬(wàn)t。在地質(zhì)條件與煤層開(kāi)采條件相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下，一次采全高工作面產(chǎn)量一般可達(dá)分層開(kāi)采的1.5～2.5倍，因此得到廣泛推廣應(yīng)用。但受綜采技術(shù)與裝備發(fā)展的制約，以及應(yīng)對(duì)煤層與開(kāi)采條件的經(jīng)驗(yàn)不足，一次采全高綜采工作面的最大機(jī)采高度均未能突破5.0 m。

20世紀(jì)90年代，從高產(chǎn)高效礦井要求出發(fā)，我國(guó)厚煤層開(kāi)采技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在對(duì)工作面主要生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造提高和更新?lián)Q代上，使綜采設(shè)備在研發(fā)制造時(shí)更突出強(qiáng)調(diào)綜采的整體配套性，其典型代表就是“八五”國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目“日產(chǎn) 7 000 t 綜采成套設(shè)備的研制”[2]。全套設(shè)備以大功率、大截深交流變頻電牽引采煤機(jī)，交叉?zhèn)刃丁⒎獾阻T焊溜槽的大運(yùn)量刮板輸送機(jī)，大工作阻力、高移架速度的液壓支架為主體，在鐵法礦務(wù)局得到試驗(yàn)應(yīng)用，平均煤炭月產(chǎn)量超過(guò)16萬(wàn)t，綜合產(chǎn)能達(dá)到200萬(wàn)t/a水平，為我國(guó)厚煤層綜采技術(shù)再上“日產(chǎn)1萬(wàn)t”“日產(chǎn)2萬(wàn)t”臺(tái)階奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

21世紀(jì)初，我國(guó)大采高一次采全高技術(shù)和裝備有了進(jìn)一步突破，以神華集團(tuán)神東礦區(qū)最為突出，采用一次采全高的煤層厚度逐步提高，在4～6 m 厚煤層一次采全高生產(chǎn)工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)“一礦一面”煤炭年產(chǎn)量8～10 Mt。如，2003年，神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦4.8 m大采高綜采工作面年產(chǎn)原煤924萬(wàn)t；2004年，神東礦區(qū)上灣煤礦5.4 m大采高綜采工作面年產(chǎn)原煤1 075萬(wàn)t；到2007年，神東礦區(qū)上灣煤礦誕生首個(gè)6.3 m大采高重型綜采工作面，采出率及工效大幅度提高；同期在山西晉城寺河礦也實(shí)現(xiàn)了大采高由5.2 m提高到6.2 m、產(chǎn)能達(dá)1 000萬(wàn)t/a的目標(biāo)。至此，大采高一次采全高工藝有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成為厚度7 m以下厚煤層開(kāi)采的首選工藝。

近10年來(lái)，我國(guó)煤炭行業(yè)開(kāi)展了一系列技術(shù)攻關(guān)，取得了年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)大采高綜采成套技術(shù)與裝備等一批重大成果，其中厚煤層開(kāi)采高度突破7 m是這個(gè)階段的最大亮點(diǎn)，且開(kāi)采高度節(jié)節(jié)攀升，不斷刷新世界紀(jì)錄。我國(guó)晉陜蒙等西部重點(diǎn)煤炭基地的主采煤層大多在7 m以上，由于開(kāi)采技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀所限，這部分煤層也是放頂煤和一次采全高2種工藝都難以完美突破的煤層，因此迫切需要探索出最佳的解決途徑以減少丟煤帶來(lái)的資源浪費(fèi)。在國(guó)內(nèi)外綜采技術(shù)裝備發(fā)展基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了7.2 m 超大采高綜采成套裝備，在陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司等煤礦成功應(yīng)用，平均月產(chǎn)量達(dá)到109.9萬(wàn)t，年產(chǎn)量達(dá)到1 200 萬(wàn)t；研發(fā)了8 m 超大采高綜采成套裝備，在神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦成功應(yīng)用，最高月產(chǎn)134萬(wàn)t，生產(chǎn)能力達(dá)到1 500萬(wàn)t/a以上；研發(fā)了8.2 m 超大采高綜采成套裝備，在陜西金雞灘煤礦成功應(yīng)用,工作面年產(chǎn)量突破1 500萬(wàn)t；研發(fā)了8.8 m 超大采高綜采成套裝備，在神東上灣煤礦成功應(yīng)用,再次刷新世界超大采高綜采工作面采高、產(chǎn)量與工效的記錄，向工作面生產(chǎn)能力1 600萬(wàn)t/a進(jìn)軍[2-3]。目前，采高9 m的采煤機(jī)已經(jīng)問(wèn)世，可望在一次采全高方面取得更大突破，實(shí)現(xiàn)9 m煤層的一次采全高智能化高效開(kāi)采。

1.3 綜采放頂煤技術(shù)工藝及裝備

在總結(jié)厚煤層分層開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)八九十年代，我國(guó)以陽(yáng)泉、潞安、兗州等厚煤層礦區(qū)為代表,逐步試驗(yàn)應(yīng)用綜采放頂煤工藝，并實(shí)現(xiàn)了單產(chǎn)超百萬(wàn)噸的突破，最高年產(chǎn)達(dá) 500 萬(wàn) t。綜采放頂煤工藝具有單產(chǎn)高、效率高、成本低、效益好等優(yōu)勢(shì),特別是高產(chǎn)高效成為煤礦扭虧增盈的主要技術(shù)措施之一。但試驗(yàn)應(yīng)用初期由于工藝設(shè)備不完善，放頂煤經(jīng)驗(yàn)不足，也暴露出綜放開(kāi)采采出率普遍偏低，對(duì)瓦斯、火、粉塵等安全隱患治理難度大等問(wèn)題，特別是由于個(gè)別企業(yè)急功近利地采用綜放開(kāi)采技術(shù)，造成一定煤炭資源損失。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年不斷探索研究，放頂煤技術(shù)工藝和設(shè)備不斷完善，綜采放頂煤技術(shù)日漸成熟，成為厚煤層開(kāi)采的重要手段之一，并逐步走向世界。

作為典型代表之一，山東兗礦集團(tuán)采用國(guó)產(chǎn)技術(shù)裝備，在綜采放頂煤發(fā)展的20～30年間，應(yīng)用綜采放頂煤開(kāi)采工藝實(shí)現(xiàn)單個(gè)工作面產(chǎn)量由200～300萬(wàn)t/a 到600～700萬(wàn)t/a的跨越，放頂煤開(kāi)采高產(chǎn)高效礦井建設(shè)推動(dòng)了全行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，也帶動(dòng)了世界開(kāi)采技術(shù)發(fā)展。根據(jù)礦區(qū)煤層及開(kāi)采條件的不同，在20世紀(jì)七八十年代工作面煤炭產(chǎn)量100～200萬(wàn)t/a水平(低檔)的基礎(chǔ)上，兗礦集團(tuán)采用“八五”攻關(guān)設(shè)備，建成了煤炭產(chǎn)量200～300萬(wàn)t/a水平(中檔)工作面；采用“九五”攻關(guān)設(shè)備，建成了煤炭產(chǎn)量400～500萬(wàn)t/a水平(高檔)工作面；采用“十五”攻關(guān)設(shè)備及年產(chǎn)600萬(wàn)t自動(dòng)化信息化設(shè)備，建成了600～700萬(wàn)t/a水平(超高檔)工作面。與之對(duì)應(yīng)，分別在南屯煤礦“一礦一井一面”達(dá)到200～300萬(wàn)t/a的生產(chǎn)水平，興隆莊、鮑店、濟(jì)寧二號(hào)煤礦“一礦一井一面或兩面”達(dá)到400～800萬(wàn)t/a的生產(chǎn)水平,礦井原煤生產(chǎn)效率達(dá)到10～20 t/工；東灘礦和濟(jì)寧三號(hào)礦 “一礦一井兩面”達(dá)到800～1 000萬(wàn)t/a的生產(chǎn)水平，礦井原煤生產(chǎn)效率達(dá)到20～40 t/工，為兗礦集團(tuán)綜放技術(shù)走向世界奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[4]。2004年兗礦集團(tuán)以其先進(jìn)的防滅火技術(shù)和綜采放頂煤技術(shù)競(jìng)標(biāo)成功，將綜放技術(shù)引入澳大利亞，建立了采用中國(guó)技術(shù)的第1個(gè)國(guó)外綜放開(kāi)采示范基地，使綜放開(kāi)采技術(shù)設(shè)備走向世界，為世界采礦業(yè)做出了貢獻(xiàn)[5]。

進(jìn)入21世紀(jì)，綜放開(kāi)采工藝向著“高大上”方向發(fā)展，采高加大，采出率提高，單產(chǎn)和工效大大提升。由于受到《煤礦安全規(guī)程》中“緩傾斜、傾斜厚煤層的采放比大于1∶3且未經(jīng)行業(yè)專(zhuān)家論證的，嚴(yán)禁采用放頂煤開(kāi)采”的限制，我國(guó)厚度12 m以上厚煤層放頂煤開(kāi)采也受到較大程度制約。因此提高開(kāi)采高度相應(yīng)加大放煤高度成為進(jìn)一步研究攻關(guān)方向。經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，成功攻克了大采高綜采放頂煤開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)工藝、“采運(yùn)支”等主要工作面裝備、工作面大斷面巷道支護(hù)技術(shù)和裝備、輔助運(yùn)輸設(shè)備、大采高安全保障等技術(shù)難題，試驗(yàn)應(yīng)用采高從3.5 m逐步提高至5.2 m，放頂煤煤層厚度也從12 m提升至20 m，一般工作面單產(chǎn)600萬(wàn)t/a以上，最高突破1 000萬(wàn)t/a，極大提高了開(kāi)采效率和采出率[6]。如神東礦區(qū)大柳塔煤礦大采高綜放開(kāi)采最高工作面月產(chǎn)64萬(wàn)t；平朔安家?guī)X煤礦大采高綜放開(kāi)采最高工作面月產(chǎn)130萬(wàn)t；大同同忻煤礦大采高綜放工作面實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1 006萬(wàn)t，塔山礦8105 大采高綜放開(kāi)采工作面年產(chǎn)量達(dá)到1 085萬(wàn)t。

1.4 安全高效現(xiàn)代化礦井建設(shè)

1.4.1高產(chǎn)高效向安全高效礦井的轉(zhuǎn)變

過(guò)去的30年間，我國(guó)現(xiàn)代化礦井建設(shè)由20世紀(jì)90年代的 “高產(chǎn)高效礦井”，實(shí)現(xiàn)了向21世紀(jì)“安全高效礦井”的轉(zhuǎn)變。根據(jù)1995年原煤炭工業(yè)部出臺(tái)的《關(guān)于加快高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的決定》，高產(chǎn)高效礦井重在“高產(chǎn)”和“高效”，即“依靠科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，深化改革，挖掘潛力，采用新技術(shù)、新裝備、新工藝、新材料，實(shí)現(xiàn)高度合理集中生產(chǎn)；以提高經(jīng)濟(jì)效益為中心，以扭虧增盈為目標(biāo)，加快高產(chǎn)高效礦井建設(shè)”[7]。2001年，全國(guó)100處高產(chǎn)高效礦井原煤產(chǎn)量突破2億t，占當(dāng)年原國(guó)有重點(diǎn)煤礦產(chǎn)量的1/3以上，對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化礦井建設(shè)起到了重要推進(jìn)作用。

2007年，我國(guó)從轉(zhuǎn)變煤炭行業(yè)發(fā)展理念出發(fā)，為突出安全第一、安全生產(chǎn)理念，將原“高產(chǎn)高效礦井”建設(shè)更名為“安全高效礦井”建設(shè)[8]?！鞍踩碧娲案弋a(chǎn)”，體現(xiàn)了“以人為本”的科學(xué)發(fā)展觀，不僅從產(chǎn)量及效益方面，而且從安全生產(chǎn)、采掘機(jī)械化程度、信息化建設(shè)和環(huán)境保護(hù)等方面，對(duì)安全高效礦井建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)提出了更嚴(yán)格和更全面的要求，糾正了單純依靠高產(chǎn)來(lái)達(dá)到高效的片面發(fā)展思路。

1.4.2安全高效礦井建設(shè)

從20世紀(jì)90年代起，按照高產(chǎn)高效向安全高效現(xiàn)代化礦井轉(zhuǎn)變的方向進(jìn)行建設(shè)，我國(guó)相繼誕生了許多代表世界先進(jìn)水平的現(xiàn)代化煤礦。例如濟(jì)寧三號(hào)礦井是兗礦集團(tuán)繼興隆莊煤礦、東灘煤礦、鮑店煤礦等大型礦井后，在濟(jì)寧礦區(qū)建設(shè)的又一對(duì)立井厚表土層條件現(xiàn)代化大型煤礦。在經(jīng)世界銀行委托咨詢(xún)?cè)u(píng)估確定5個(gè)采區(qū)、5個(gè)綜采工作面保證500萬(wàn)t/a的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)優(yōu)化為投產(chǎn)2個(gè)工作面，綜采工作面設(shè)備采用1臺(tái)進(jìn)口采煤機(jī)加1臺(tái)國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)(MGTY400/900-3.3D)、支護(hù)設(shè)備為四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤液壓支架(ZFS6200/18/35)，采用立井無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)，傾斜大巷布置，強(qiáng)力帶式輸送機(jī)運(yùn)輸(帶寬1.2～1.4 m，運(yùn)量1 500～2 500 t/h)，2套22 t多繩箕斗，生產(chǎn)工效由5 t/工提高到20 t/工，創(chuàng)造了投產(chǎn)即達(dá)產(chǎn)、向千萬(wàn)噸級(jí)礦井邁進(jìn)的新紀(jì)錄。20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)的神東大柳塔煤礦采用平硐開(kāi)拓，盤(pán)區(qū)式布置，大巷兩側(cè)布置條帶工作面，加大工作面推進(jìn)長(zhǎng)度至5 km，生產(chǎn)模式為“一礦兩井兩面”，生產(chǎn)布局為“一綜二連”，在全國(guó)率先引進(jìn)世界先進(jìn)裝備，2000年“一礦一井一面”模式年產(chǎn)800萬(wàn)t商品煤，全礦定員345人；2001年“一礦兩井兩面”模式年產(chǎn)1 400萬(wàn)t商品煤，全礦定員480人，各項(xiàng)指標(biāo)居世界前列，成為安全高效礦井的典范。

至2000年前后，我國(guó)已建成各類(lèi)高產(chǎn)高效礦井超過(guò)100處，極大提高了礦區(qū)生產(chǎn)技術(shù)程度和單產(chǎn)水平。如神華集團(tuán)榆家梁煤礦、大柳塔煤礦，兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦、東灘煤礦等均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先和先進(jìn)技術(shù)水平,主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。2007年后，我國(guó)按照“安全高效”標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，安全高效礦井?dāng)?shù)量逐年增加, 特別是近10多年我國(guó)建成的安全高效礦井?dāng)?shù)量有了大幅增加，在出臺(tái)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中也逐步增加了綠色、智能等相關(guān)指標(biāo)。例如，2008年我國(guó)安全高效礦井共有292處，到2018年上升到了901處，10年間我國(guó)安全高效礦井?dāng)?shù)量增長(zhǎng)209%[9]。

在過(guò)去的30年間，隨著我國(guó)設(shè)計(jì)建設(shè)水平的提高，復(fù)雜地質(zhì)條件下深井建設(shè)也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，一批具有世界水平的“一井一面”模式、一次采全高或者綜采放頂煤采煤工藝的特大型安全高效現(xiàn)代化礦井相繼建設(shè)投產(chǎn)。如華東地區(qū)安徽淮南顧橋礦井、山東巨野礦區(qū)新巨龍煤礦(原龍固礦井)等。顧橋礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a，為松散層厚400 m、高瓦斯、高地溫、高地壓等復(fù)雜條件下的新建礦井，設(shè)計(jì)采用分區(qū)開(kāi)拓、煤與瓦斯共采，工作面采用SL750進(jìn)口采煤機(jī)、國(guó)產(chǎn)ZY8800/18/38液壓支架、國(guó)產(chǎn)SGZ1000/1400刮板輸送機(jī)等設(shè)備，采用一次采全高采煤工藝，“一井一面”的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到500萬(wàn)t/a，“一井二面” 的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到1 000萬(wàn)t/a。新巨龍煤礦是山東省巨野礦區(qū)開(kāi)發(fā)的第1對(duì)特大型礦井，生產(chǎn)能力600萬(wàn)t/a，巨厚松散表土層且煤層埋藏深度大，還存在高地溫疊加高地壓災(zāi)害，條件極為復(fù)雜，有些甚至屬于世界級(jí)難題。依靠科技進(jìn)步，通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)，設(shè)計(jì)攻克巨厚松散表土層建井難題，采用立井分區(qū)開(kāi)拓，傾斜大巷布置，合理劃分采區(qū)，設(shè)計(jì)利用國(guó)產(chǎn)高效裝備，以“一區(qū)一面”模式首次實(shí)現(xiàn)在高地溫、大涌水、易自燃條件下的千米深井達(dá)到年產(chǎn)600～1 000萬(wàn)t的目標(biāo)，為同類(lèi)型礦井建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為礦井經(jīng)濟(jì)效益提升提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[10-11]。

最近幾年來(lái)，智能化工作面成功應(yīng)用并推廣，為安全高效礦井建設(shè)再上臺(tái)階增添羽翼，再次提高了我國(guó)安全高效礦井建設(shè)領(lǐng)先水平。

2 薄及中厚煤層開(kāi)采技術(shù)及裝備發(fā)展

相比厚煤層的開(kāi)采技術(shù)發(fā)展，薄及中厚煤層開(kāi)采技術(shù)也取得一定進(jìn)步。從20世紀(jì)80年代采用薄煤層采煤機(jī)開(kāi)始，薄煤層開(kāi)采經(jīng)歷了薄煤層普通機(jī)采、刨煤機(jī)開(kāi)采、綜合機(jī)械化開(kāi)采、智能化開(kāi)采的發(fā)展歷程。

20世紀(jì)90年代起，我國(guó)在引進(jìn)蘇聯(lián)電磁調(diào)速外牽引采煤機(jī)基礎(chǔ)上, 經(jīng)歷了由仿制到研制，從液壓驅(qū)動(dòng)、鋼絲繩或鏈牽引到電牽引采煤機(jī)的發(fā)展，最終在經(jīng)濟(jì)型綜采和高檔普采采煤機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)薄煤層滾筒采煤機(jī)在薄—中厚、煤質(zhì)中硬以下、緩傾斜煤層條件下滿足開(kāi)采需求。

刨煤機(jī)的應(yīng)用始于21世紀(jì)初。2001年，鐵法集團(tuán)引進(jìn)德國(guó)成套刨煤機(jī)組,配套國(guó)產(chǎn)液壓支架,在小青礦、曉南礦進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采，在薄煤層實(shí)現(xiàn)平均日產(chǎn)3 385 t、最高日產(chǎn)5 300 t的水平。2007年，小青煤礦綜采刨煤機(jī)隊(duì)在煤層平均厚度1.91 m條件下,全年生產(chǎn)原煤137萬(wàn)t，平均月產(chǎn)21.87萬(wàn)t[2,12]。

近10年來(lái)，薄及中厚煤層開(kāi)采借助智能化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，向著高效、智能進(jìn)一步邁進(jìn)，工作面長(zhǎng)度逐步加長(zhǎng)，智能化水平逐步提高。例如在神東礦區(qū)，神東公司在工作面回采過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，工作面鋪設(shè)長(zhǎng)度經(jīng)歷了240、300、360、400 m的變化，特別是2012年哈拉溝煤礦在較薄—厚煤層工作面長(zhǎng)度增加至450 m，按照月產(chǎn)原煤 20萬(wàn)t進(jìn)行裝備。工作面加長(zhǎng)使原計(jì)劃用連采設(shè)備回采的邊角煤區(qū)域全部納入到綜采工作面，采出率由原來(lái)的 88% 提高到 95%，可多采煤炭 30 萬(wàn) t[12]。

2007-2013年,冀中能源峰峰煤礦在復(fù)雜堅(jiān)硬薄煤層條件下,應(yīng)用0.6～1.3 m薄煤層的綜采自動(dòng)化成套技術(shù)與裝備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化安全高效開(kāi)采[3]；2014年,黃陵一號(hào)煤礦在1.4～2.2 m中厚煤層配備自動(dòng)化成套裝備,開(kāi)創(chuàng)了工作面“有人巡視、無(wú)人值守”的自動(dòng)化、智能化開(kāi)采模式；2019年，薄煤層智能化采煤機(jī)組在山東棗礦集團(tuán)濱湖煤礦應(yīng)用，工作面平均采高1.35 m，工作面長(zhǎng)度139 m，創(chuàng)出了薄煤層單面日產(chǎn)4 000 t的紀(jì)錄，并且推動(dòng)取消了夜班生產(chǎn)，徹底顛覆了煤炭行業(yè)“24 h連軸轉(zhuǎn)”的傳統(tǒng)工作模式。

3 安全高效礦井配套技術(shù)裝備發(fā)展

3.1 綜合機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，懸臂式綜掘機(jī)在我國(guó)煤礦得到空前應(yīng)用，其中重型、超重型掘進(jìn)機(jī)大批出現(xiàn)，掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、后配套水平日趨完善，逐步跨入世界先進(jìn)國(guó)家行列[13]。特別是中煤科工集團(tuán)太原研究院研制的EBH450型掘進(jìn)機(jī)，采用了截割工況識(shí)別和智能決策、截割轉(zhuǎn)速交流變頻調(diào)速控制、截割牽引調(diào)速控制等先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2000年以來(lái)，以 EBJ系列為代表的懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，月進(jìn)尺達(dá)1 000 m以上。

近10年來(lái)，我國(guó)在影響掘進(jìn)速度的“破巖、錨護(hù)、運(yùn)輸”三要素上發(fā)力，消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，在連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)基礎(chǔ)上改進(jìn)提高，研發(fā)應(yīng)用掘錨機(jī)組及其配套系統(tǒng)，成為綜掘技術(shù)發(fā)展的亮點(diǎn)。系統(tǒng)由掘錨機(jī)組、10臂錨桿鉆車(chē)及其后配套設(shè)備組成，掘錨分離、平行作業(yè)，多排多臂同時(shí)錨護(hù)作業(yè)，掘錨同步匹配，極大提高了掘進(jìn)速度。2003年，神東礦區(qū)烏蘭木倫礦應(yīng)用JOY-12CM15-15DDVG 掘錨機(jī)組掘進(jìn)最高月進(jìn)尺1 200 m，山西上榆泉煤礦使用奧地利ABM20掘錨機(jī)組，最高月進(jìn)尺1 388 m；對(duì)比之下，2014-2016年，神東礦區(qū)大柳塔煤礦應(yīng)用國(guó)產(chǎn)JM340掘錨機(jī)組高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)，平均月進(jìn)尺2 400 m，最高月進(jìn)尺3 088 m，大大刷新了世界紀(jì)錄。

近年來(lái)，全斷面掘進(jìn)機(jī)、全斷面盾構(gòu)機(jī)的廣泛應(yīng)用，是煤(炭)-鐵(建)融合、取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互完善、共同提高的標(biāo)志。神華集團(tuán)神東補(bǔ)連塔煤礦斜井工程總掘進(jìn)里程2 745 m，最大月進(jìn)尺639 m，連續(xù)4個(gè)月進(jìn)尺超過(guò)500 m，是我國(guó)國(guó)內(nèi)第1個(gè)采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工貫通的煤礦斜井工程，掘進(jìn)速度和單次掘進(jìn)距離全球領(lǐng)先；神華新疆能源有限責(zé)任公司所開(kāi)發(fā)的瑪納斯?jié)硥螢趁旱V副平硐工程是國(guó)內(nèi)首次將大型復(fù)合式巖石掘進(jìn)機(jī)用于煤礦巷道的工程,掘進(jìn)長(zhǎng)度5 900 m，于2012-2014年冬季施工、連續(xù)掘進(jìn)、洞內(nèi)拆機(jī)；陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)高家堡煤礦成功應(yīng)用在西區(qū)輔運(yùn)大巷(6 500 m)和西區(qū)2號(hào)回風(fēng)大巷(6 500 m)施工，山東巨野礦區(qū)新巨龍等多個(gè)煤礦均在井下大巷巖石掘進(jìn)應(yīng)用，取得較好的掘進(jìn)紀(jì)錄。

3.2 提升運(yùn)輸技術(shù)與裝備

提升運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)展，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供了可靠支持。立井提升中，隨著大型及特大型礦井、深部礦井的不斷增加，大直徑大功率提升機(jī)、特大容量箕斗的研發(fā)應(yīng)用，為千萬(wàn)噸、千米深礦井提升創(chuàng)造了條件，也是我國(guó)煤礦運(yùn)輸設(shè)備發(fā)展的重大突破。30年來(lái)，我國(guó)礦井建設(shè)中，塔式提升機(jī)最大直徑由4.0、4.5、5.0 m逐漸發(fā)展至目前最大的6 m，如巴拉素、大海則煤礦副井提升機(jī)采用的JKM-6×6多繩摩擦式提升機(jī)；落地摩擦式提升機(jī)規(guī)格最大直徑可以達(dá)到6.2 m，如華能甘肅能源公司核桃峪和新莊礦副井提升機(jī)采用的JKMD-6.2×4多繩摩擦式提升機(jī)；與大功率、大直徑、大容量的提升設(shè)備相適應(yīng)，大功率的交-直-交變頻系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)已成為礦井提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，并向著提升機(jī)精確調(diào)速控制、位置閉環(huán)控制、機(jī)電液協(xié)調(diào)控制、無(wú)人值守全自動(dòng)化智能集控技術(shù)、遠(yuǎn)程故障診斷及健康管理技術(shù)進(jìn)軍。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)貴州高原礦山機(jī)械廠研制生產(chǎn)的永磁電機(jī)內(nèi)裝提升機(jī)得到了大力發(fā)展，已經(jīng)有幾十臺(tái)的使用案例，其特點(diǎn)是高效節(jié)能，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

立井箕斗已經(jīng)從最初的幾噸、十幾噸發(fā)展至幾十噸，例如20世紀(jì)90年代濟(jì)寧三號(hào)煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a，采用2對(duì)22 t箕斗；2000年前后新巨龍煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600萬(wàn)t/a，采用2對(duì)32 t箕斗；2010年后，紅慶河煤礦、葫蘆素煤礦、門(mén)克慶煤礦都是設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 200～1 500萬(wàn)t/a的特大型礦井，采用2對(duì)50 t箕斗，保證了礦井提升需要，也見(jiàn)證了大容量箕斗及提升設(shè)備技術(shù)的發(fā)展歷程。立井罐籠已從提升1.0、1.5、3.0 t礦車(chē)的軌道運(yùn)輸，發(fā)展為全無(wú)軌運(yùn)輸，神華黃玉川煤礦擁有國(guó)內(nèi)第1套特大罐籠提升系統(tǒng)，最大載荷45～57 t, 巴拉素、大海則煤礦的大罐籠載荷已達(dá)78.5 t。

在斜井或大巷提升運(yùn)輸方面，從20世紀(jì)90年代起，隨著我國(guó)高產(chǎn)高效礦井的不斷出現(xiàn)，長(zhǎng)距離、高帶速、大功率、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)成為斜井或大巷提升運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向。以中煤科工集團(tuán)上海研究院產(chǎn)品為例，經(jīng)過(guò)30年研發(fā)，大功率、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)已經(jīng)形成系列產(chǎn)品，最大運(yùn)距8.7 km，最大帶寬2.2 m，最高帶速5.6 m/s，最大運(yùn)量7 500 t/h，最大裝機(jī)功率4×3 150 kW，最高帶強(qiáng)7 000 N/mm，處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。目前最大運(yùn)行膠帶帶寬2 200 mm，輸送量7 000 t/h，速度4.7 m/s，采用3×1 600 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用于神華萬(wàn)利布爾臺(tái)煤礦主斜井；山西西山晉興能源斜溝煤礦主斜井角度為15°～17°，最大運(yùn)輸長(zhǎng)度1 364 m，采用帶寬1 800 mm，運(yùn)量4 500 t/h，帶速5 m/s，采用4×2 240 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)；山西同煤同忻煤礦最大運(yùn)輸距離4 600 m，帶寬1 800 mm，運(yùn)量4 800 t/h，帶速5 m/s，采用6×1 800 kW多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)；小保當(dāng)一號(hào)礦井主斜井運(yùn)輸距離1 730 m，帶寬2 000 mm，運(yùn)量5 800 t/h，帶速5.6 m/s，采用4×2 800 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)。帶式輸送機(jī)的大型化給帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)、電氣控制和保護(hù)系統(tǒng)提出了更高要求。2000年前多采用液力調(diào)速裝置，2000年之后變頻調(diào)速裝置成為首選。近年來(lái)直聯(lián)式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)和永磁電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)憑借其系統(tǒng)簡(jiǎn)單和高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)得到了大力發(fā)展，直聯(lián)式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)最大功率已達(dá)1 600 kW, 永磁電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)最大功率已達(dá)630 kW。

輔助運(yùn)輸方面，無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸、單軌吊等連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備的成功應(yīng)用，也為煤礦安全高效發(fā)展提供了必要條件。其中無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸繼在神華大柳塔活雞兔等平硐或斜井煤礦成功應(yīng)用后，在濟(jì)寧三號(hào)煤礦、新巨龍煤礦等立井、深部煤礦也相繼成功應(yīng)用，拓展了連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備的應(yīng)用空間，為立井現(xiàn)代化礦井建設(shè)創(chuàng)造了條件。20世紀(jì)90年代，我國(guó)研制成功第1臺(tái)TY6/20型客貨膠輪車(chē)和第1臺(tái)TY3061FB型自卸膠輪車(chē)，2006年我國(guó)研制成功第1臺(tái)WC40Y型框架式支架搬運(yùn)車(chē)，改變了我國(guó)煤礦無(wú)軌輔助運(yùn)輸設(shè)備完全依賴(lài)進(jìn)口的格局。隨后，我國(guó)又成功研制載客5～30人的運(yùn)人車(chē)、載重12 t的材料運(yùn)輸車(chē)、載重55 t的鏟板式搬運(yùn)車(chē)、載重80 t支架搬運(yùn)車(chē)等，形成了煤礦井下無(wú)軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)配套工藝技術(shù)。目前在煤層開(kāi)采條件適宜的大型、特大型礦井，不再區(qū)分立井、斜井，采用大直徑、超寬罐籠可將無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備整體升降，只需井底稍作轉(zhuǎn)換即可使用，基本實(shí)現(xiàn)了從地面到工作面的一站式運(yùn)輸，打通了煤礦輔助運(yùn)輸?shù)牡托款i。

3.3 建井技術(shù)與裝備

在30年間，隨著我國(guó)設(shè)計(jì)建設(shè)水平的提高，復(fù)雜地質(zhì)條件下深井建設(shè)也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。特別是20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，我國(guó)開(kāi)發(fā)了適應(yīng)大直徑、深井快速施工的普通法鑿井工藝技術(shù)及大型裝備，研制了鉆井直徑可達(dá)13 m的豎井鉆井、鉆井直徑5 m的反井鉆井、鉆井直徑5.8 m的豎井掘進(jìn)機(jī)，發(fā)展了凍結(jié)、注漿和鑿井平行作業(yè)技術(shù)，創(chuàng)新形成了表土層鉆井與基巖段注漿的平行作業(yè)工藝。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦井筒最大凍結(jié)深度950 m，為甘肅核桃峪煤礦副井凍結(jié)工程；凍結(jié)表土層深度754 m，為山東巨野萬(wàn)福煤礦主副井凍結(jié)工程；最大鉆井深度660 m，鉆井成井直徑8.3 m，為安徽板集主井鉆井工程。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)建井技術(shù)與裝備的最大突破，首選巨厚表土層條件下的成功建井。為解決華東地區(qū)深厚表土層建井難題，采用凍結(jié)法與鉆井法相結(jié)合，開(kāi)展了深厚表土層條件下鉆井法鉆進(jìn)深厚黏土層蠕變控制、新型井壁結(jié)構(gòu)、井壁漂浮下沉、機(jī)械化壁后充填等技術(shù)研究，開(kāi)展了凍結(jié)壁設(shè)計(jì)計(jì)算、凍結(jié)工藝、低溫狀態(tài)下高強(qiáng)混凝土、新型井壁結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用等，形成了以新巨龍煤礦雙主井一風(fēng)井鉆井法、副井凍結(jié)法為代表的深厚表土層鉆井工藝，取得多項(xiàng)技術(shù)突破。新巨龍煤礦主采3號(hào)煤層埋藏深度大，一般為800～1 200 m；上覆松散層(第三系+第四系)厚度大，一般為530～800 m，屬于世界級(jí)難題。在鉆井建設(shè)中創(chuàng)新井筒設(shè)計(jì)，采用鉆井法施工主井風(fēng)井3個(gè)井筒，鉆井深度達(dá)到583 m，采用鋼筋混凝土和鋼板混凝土復(fù)合井壁；副井采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)井筒深度650 m，采用雙層鋼筋混凝土和高性能鋼筋混凝土井壁，創(chuàng)造了巨厚表土層建井的4個(gè)“世界第一”，獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，礦井工程獲得魯班獎(jiǎng)[10-11]。

4 中國(guó)井工煤礦開(kāi)采發(fā)展前景展望

隨著我國(guó)井工煤礦開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，安全、高效、綠色、智能將成為未來(lái)的主要發(fā)展方向，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)復(fù)雜煤層安全高效開(kāi)采。由于我國(guó)未來(lái)井工煤礦煤層條件日趨復(fù)雜，因此研發(fā)復(fù)雜煤層條件安全高效開(kāi)采技術(shù)工藝、高可靠性裝備, 提升煤機(jī)裝備智能制造水平,提高工作面自動(dòng)控制水平，成為安全高效礦井建設(shè)最迫切的要求，也是智能化發(fā)展的趨勢(shì)。

(2)井工煤礦智能無(wú)人開(kāi)采。依靠科技進(jìn)步，井工煤礦開(kāi)采、掘進(jìn)、運(yùn)輸、支護(hù)、通風(fēng)、選煤等系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)人化，探索深部煤炭資源無(wú)人化開(kāi)采方法和技術(shù)裝備，以無(wú)人化高可靠性精準(zhǔn)采煤機(jī)器人、井下全斷面無(wú)人化智能掘進(jìn)機(jī)器人替代井下工人，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人化。

(3)煤炭資源綠色一體開(kāi)采。針對(duì)煤炭開(kāi)發(fā)地表塌陷、植被和地下水體破壞、廢棄物排放和共伴生資源浪費(fèi)等問(wèn)題，探索煤礦開(kāi)采的生態(tài)環(huán)境近零損害開(kāi)采工藝與設(shè)備；探索精準(zhǔn)局部充填開(kāi)采技術(shù)，地下水資源高效儲(chǔ)存、利用技術(shù)，應(yīng)用保水采煤技術(shù)、煤與瓦斯共采技術(shù)、煤水共采技術(shù)、煤與地?zé)峁膊杉夹g(shù)、采選充一體化技術(shù)等，開(kāi)展新型開(kāi)采方法、技術(shù)和裝備研究。