我國綜合機(jī)械化開采50年發(fā)展歷程與展望

閆少宏，徐 剛，范志忠

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中煤科工開采設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100013)

0 引 言

我國資源稟賦的特點(diǎn)是“富煤、貧油、少氣”，自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)增長提供動(dòng)力的煤炭能源需求日益增長，我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和市場需求促使煤炭工程技術(shù)人員在開發(fā)利用上潛心研究，以綜合機(jī)械化為標(biāo)志的工業(yè)化采煤為我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供了充足的能源供應(yīng)。

1970年11月28日，國內(nèi)第1套綜采裝備在大同礦務(wù)局煤峪口煤礦下井組裝完成，該礦的8710工作面也稱為國內(nèi)首個(gè)試驗(yàn)綜采的作業(yè)面，拉開綜合機(jī)械化開采的序幕[1]。自1977年以來，全國煤炭產(chǎn)量由1978年的6.18億t增加到2018年的36.8億t，全國采煤機(jī)械化程度由1978年的32.34%增加到2018年的78.5%，全國掘進(jìn)機(jī)械化程度由1978年的14.5%增加到60.4%，煤機(jī)制造企業(yè)規(guī)模不斷壯大，供應(yīng)煤炭企業(yè)的裝備歷經(jīng)從短缺或緊俏緊缺到種類繁多、琳瑯滿目的轉(zhuǎn)變，煤機(jī)產(chǎn)品從單一向系列化轉(zhuǎn)變，煤機(jī)企業(yè)從生產(chǎn)產(chǎn)品向提供完整解決方案轉(zhuǎn)變，我國萬噸煤炭產(chǎn)量可配套的煤機(jī)產(chǎn)量已由1978年的3.04 t提高到2018年的10.26 t，提高了3倍多[2]。我國綜合機(jī)械化開采發(fā)展歷程，伴隨著在曲折中前進(jìn)，在前進(jìn)中攻堅(jiān)克難，取得了輝煌成就，也為世界煤炭工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)，走出了一條引進(jìn)、消化、吸收再到發(fā)展創(chuàng)新的成功之路，豐富和發(fā)展了綜合機(jī)械化開采技術(shù)，形成了適合中國煤炭賦存特點(diǎn)的多樣化機(jī)械化開采模式。在看到成績的同時(shí)，也要依然清醒地意識(shí)到目前面臨的問題和挑戰(zhàn)，如我國煤礦綜合機(jī)械化水平地區(qū)之間差異性較大，晉、陜、蒙、寧、甘等華北和西北地區(qū)的煤礦普遍實(shí)現(xiàn)了綜采機(jī)械化，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)相繼建立起了自動(dòng)化集中控制平臺(tái)，管理方面也基本實(shí)現(xiàn)了信息化。而云、貴、川、桂、湘、鄂、贛等西南和華南的煤礦受煤層賦存條件限制，機(jī)械化水平普遍較低，部分礦區(qū)甚至處于起步階段；此外，不同規(guī)模或井型的礦井綜采機(jī)械化發(fā)展水平也不平衡，大型煤礦機(jī)械化程度較高，中小型煤礦機(jī)械化水平普遍較低[3-4]。繼續(xù)實(shí)事求是地創(chuàng)新和攻關(guān)，推動(dòng)我國煤礦開采機(jī)械化水平的進(jìn)一步提高。

1 我國綜合機(jī)械化開采的發(fā)展歷程

回顧我國綜合機(jī)械化開采發(fā)展50 a歷程，以機(jī)械化發(fā)展的標(biāo)志性事件為節(jié)點(diǎn)，大體可分為3個(gè)階段。

1.1 探索階段(20世紀(jì)70—80年代)

20世紀(jì)70—80年代，我國綜采技術(shù)剛剛起步，主要工作就是培訓(xùn)人才，打牢基礎(chǔ)，進(jìn)行多單位多學(xué)科協(xié)同攻關(guān)，處于探索階段。在20世紀(jì)70年代，我國綜采技術(shù)發(fā)展取得了許多劃時(shí)代的成就。

1)建成了國內(nèi)第1個(gè)綜采工作面。1970年11月，我國在大同的煤峪口煤礦建成了國內(nèi)首個(gè)綜采工作面，綜采技術(shù)的安全效益和規(guī)模效益得到了大幅度體現(xiàn)，主要表現(xiàn)在“一少、兩高、三低”[1]。“一少”是指頂板事故大幅度減少，當(dāng)時(shí)井下工人形象地比喻綜采支架操作是“保險(xiǎn)柜里給閥”，摩擦金屬支柱支護(hù)是“老虎嘴里拔牙”；“兩高”是效率高、產(chǎn)量高；“三低”是指“噸煤材料消耗低、掘進(jìn)率低和成本低”，因此煤峪口煤礦的成功試驗(yàn)進(jìn)一步明確了我國煤炭技術(shù)的發(fā)展方向。

2)進(jìn)行了2次重大的綜采技術(shù)和設(shè)備引進(jìn)。為借鑒、吸收國外先進(jìn)綜采技術(shù)成果，我國進(jìn)行了2次重大的綜采技術(shù)和設(shè)備引進(jìn)，為我國煤礦機(jī)械化開采和裝備自主制造送來了春風(fēng)。1973年，經(jīng)中央批準(zhǔn)，國家安排專項(xiàng)外匯，從國外引進(jìn)了40多套綜采裝備和部分設(shè)備加工生產(chǎn)線(圖1和圖2)。1977年，經(jīng)鄧小平同志批準(zhǔn) ，我國又從國外引進(jìn)了100套綜采裝備，經(jīng)原煤炭部認(rèn)真組織調(diào)研，上述設(shè)備分期分批從德國、英國、法國、日本、奧地利、美國等6個(gè)國家的13家公司進(jìn)行了引進(jìn)。

圖1 大同礦務(wù)局首次引進(jìn)英國先進(jìn)的綜采設(shè)備(1974年)Fig.1 Datong Mining Bureau introduced advanced fullymechanized mining equipment from Britain for first time in 1974

圖2 國外引進(jìn)設(shè)備聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)Fig.2 Joint commissioning of imported equipment

3)構(gòu)建了我國采掘裝備的配套和測試技術(shù)體系。在引進(jìn)國成套煤機(jī)裝備后，我國對(duì)相關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，逐步建立起了完善的配套和測試技術(shù)體系，相繼攻克了綜采支架的材料和閥組，采煤機(jī)的防爆電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、液壓泵和馬達(dá)，刮板輸送機(jī)的中部槽、鏈輪及圓環(huán)鏈等，帶式輸送機(jī)的托輥、輸送帶等一系列難題，上述工作進(jìn)一步完善了我國煤機(jī)裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈，為煤炭企業(yè)保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了良好的外部條件，也為煤機(jī)制造業(yè)的后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在這期間，科研院所和高校開展了大量的技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行了大量的綜采工作面支架-圍巖相互作用關(guān)系的實(shí)測、理論研究，提出了工作面頂板分類標(biāo)準(zhǔn)，為綜采工作面的設(shè)備選型與參數(shù)確定打下了基礎(chǔ)，使我國綜合機(jī)械化的開展在技術(shù)上有章可循，這一時(shí)期的煤機(jī)裝備大都體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)實(shí)用型[5]。

1.2 大發(fā)展階段(20世紀(jì)90年代)

20世紀(jì)90年代，我國綜采技術(shù)得到了進(jìn)一步推廣，尤其是綜放技術(shù)突破了技術(shù)瓶頸，得到了大面積推廣，綜采放頂煤技術(shù)的成功實(shí)踐又推動(dòng)了厚及特厚煤層機(jī)械化水平的快速發(fā)展，主要表現(xiàn)如下：

一是各礦區(qū)以高產(chǎn)高效為目標(biāo)，發(fā)展各種綜采工藝模式，比較有代表性的礦區(qū)為鐵法礦務(wù)局，1995年，該礦區(qū)成功試驗(yàn)了全國產(chǎn)7 000 t成套綜采設(shè)備，創(chuàng)新研制了大功率、大截深、多電機(jī)橫向布置的新一代電牽引采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)采用鑄焊結(jié)合封底中部槽、交叉?zhèn)刃妒綑C(jī)頭、鏈條自動(dòng)張緊等先進(jìn)技術(shù)，具有運(yùn)量大，可靠性高等特點(diǎn)，上述裝備將我國煤礦工作面的生產(chǎn)能力提高到了300萬～400萬t/a水平。1999年，綜采工作面產(chǎn)量占我國煤炭總產(chǎn)量的51.7%，較發(fā)展初期(1975年)提高了26倍。

二是綜采放頂煤技術(shù)在我國經(jīng)過引進(jìn)、消化、吸收和發(fā)展，引來了我國厚及特厚煤層機(jī)械化開采的革命，實(shí)現(xiàn)了該類煤層的顛覆性技術(shù)變革，其安全高效的優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，形成了具有中國煤礦特色的厚及特厚煤層成套開采技術(shù)。我國綜放開采的發(fā)展大體經(jīng)歷了試驗(yàn)探索、推廣應(yīng)用和創(chuàng)新提高4個(gè)階段：

1)試驗(yàn)階段(1984—1990年)。1984年，首先在沈陽蒲河煤礦進(jìn)行了緩傾斜煤層綜放開采試驗(yàn)，該試驗(yàn)全部采用國產(chǎn)裝備，通過該試驗(yàn)進(jìn)一步總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)；1986年，在窯街二礦進(jìn)行了急傾斜煤層試驗(yàn)并取得成功；隨后又在遼源的梅河口礦和烏魯木齊的六道灣礦進(jìn)行了試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果，其中，梅河口礦取得了厚煤層水平分層綜放工作面年產(chǎn)0.6 Mt的好成績。1987年，在烏魯木齊召開了放頂煤開采技術(shù)研討會(huì)，促進(jìn)了綜放開采的發(fā)展。1988年和1989年，又先后在陽泉一礦和潞安王莊礦進(jìn)行了綜放開采工業(yè)性試驗(yàn)，其中，陽泉一礦8603工作面產(chǎn)量達(dá)0.14 Mt/月，綜放隊(duì)產(chǎn)量1.04 Mt/a，比該礦分層綜采工作面的產(chǎn)量和效率提高一倍以上，成為這一探索階段成功的標(biāo)志。

2)推廣應(yīng)用階段(1990—1995年)。1990年之后，原煤炭部又選擇一批緩傾斜厚煤層的正規(guī)采區(qū)推廣綜放開采工藝，逐步取代分層綜采。1994年，原煤炭工業(yè)部為加強(qiáng)對(duì)綜放工作的統(tǒng)一規(guī)劃和領(lǐng)導(dǎo)，成立了煤炭部綜放開采技術(shù)專家組，確定了綜放示范點(diǎn)和一批綜放開采技術(shù)攻關(guān)課題，1995年正式頒發(fā)了《綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)暫行規(guī)定》。

3)成熟提高階段(1996—2002年)。從1996年起，國內(nèi)對(duì)綜放開采的認(rèn)識(shí)不斷加深，在復(fù)雜條件煤層中應(yīng)用綜放開采技術(shù)也取得突破，生產(chǎn)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益均大幅提升，產(chǎn)學(xué)研攜手對(duì)制約綜放發(fā)展的技術(shù)難題逐個(gè)進(jìn)行攻關(guān)，相繼取得一批先進(jìn)成果，綜放開采無論是安全優(yōu)勢還是產(chǎn)量優(yōu)勢均深入人心，煤炭生產(chǎn)企業(yè)的積極性得到了大幅提高。

1.3 突破階段(21世紀(jì)初至今)

21世紀(jì)初至今，我國創(chuàng)新發(fā)展了適用于特厚煤層條件的大采高綜放技術(shù)，大采高綜采技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，智能開采發(fā)展迅猛，大傾角綜合機(jī)械化開采有了新突破，并逐步實(shí)現(xiàn)了采煤技術(shù)與煤機(jī)裝備的對(duì)外輸出。主要體現(xiàn)在如下3個(gè)方面：

1)創(chuàng)新發(fā)展了特厚煤層大采高綜放開采技術(shù)。2002年煤炭科學(xué)研究總院開采所提出了割煤高度3.5～5.0 m的特厚煤層大采高綜放開采概念[6]，很快這一理念和相關(guān)開采技術(shù)在類似礦井得到了大面積推廣和應(yīng)用，其安全高效的巨大潛力優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)了綜放工作面年產(chǎn)10 Mt的產(chǎn)量指標(biāo)，2014年“特厚煤層大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)”獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

值得一提的是大采高綜放開采的實(shí)踐促使學(xué)界對(duì)綜放開采礦壓理論重新認(rèn)識(shí)，目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的綜放開采上覆巖層結(jié)構(gòu)模型與力學(xué)模型如圖3、圖4所示。主要的認(rèn)識(shí)有：①特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，工作面有“大、小”周期來壓現(xiàn)象；②工作面上位巖層活動(dòng)范圍在縱向和橫向明顯加大；③工作面上覆巖層形成“短懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)，依此結(jié)構(gòu)確定的支架工作阻力應(yīng)是支架工作阻力的下限值，工作面巖層控制的基本原理就是要維持這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，否則將產(chǎn)生切頂失穩(wěn)和壓垮失穩(wěn)[6-10]。

圖3 頂板“組合懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)Fig.3 Roof structure of “combined cantilever beam hinged rock beam”

圖4 綜放采場圍巖力學(xué)模型Fig.4 Surrounding rock mechanical model of fully mechanized top coal caving face

2)大采高綜采技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。自2003年起，國家科技部、發(fā)改委先后組織煤炭科學(xué)研究總院、神華集團(tuán)、天地科技股份有限公司和骨干煤機(jī)制造企業(yè)開展國家10項(xiàng)重大裝備研制專項(xiàng)“年產(chǎn)600萬t綜采成套裝備研制”的攻關(guān)研究(發(fā)改辦高技[2004]772號(hào))，總體目標(biāo)是攻克3.5～6.0 m煤層一次采全厚成套技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)工作面產(chǎn)量6 Mt/a。該成果打破了這類產(chǎn)品主要靠進(jìn)口引進(jìn)的局面，為國家節(jié)省了大量外匯資金，神東礦區(qū)原幾乎全依賴進(jìn)口的煤機(jī)裝備，逐漸為國產(chǎn)裝備所替代[6]。

項(xiàng)目以大采高巖層控制理論研究為基礎(chǔ)，遵循主流設(shè)備與單件設(shè)備可靠性相匹配，采煤機(jī)落煤能力與輸送機(jī)能力相匹配原則，自主研發(fā)了高可靠性液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及帶式輸送機(jī)，集成創(chuàng)新了由“1個(gè)理論、4套裝備”(36個(gè)關(guān)鍵部件，16項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù))所構(gòu)成的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的年產(chǎn)6 Mt能力綜采成套技術(shù)與裝備。之后大采高綜采配套能力不斷提高，先后成功研發(fā)了6.2、7.0、8.2、8.8 m大采高綜采成套技術(shù)與裝備。2018年神東礦區(qū)上灣煤礦在煤厚7.56～10.79 m，平均9.06 m的12401工作面成功進(jìn)行了采高8.8 m的超大采高綜采實(shí)踐，12401工作面上覆基巖厚度120～220 m，松散層厚度0～27 m，推進(jìn)長度5 254.8 m，工作面寬度299.2 m，如圖5所示。工作面“三機(jī)”配套設(shè)備為ZYG2600/40/88D型液壓支架，MG1100/2925-WD型采煤機(jī)，SGZ1388/3×1600型刮板輸送機(jī)，工作面關(guān)鍵裝備全部采用國產(chǎn)，最高產(chǎn)量146萬t/月，平均每刀產(chǎn)量2 980 t，回采工效達(dá)1 050 t/工，工作面生產(chǎn)期間，設(shè)備運(yùn)行良好，標(biāo)志著國產(chǎn)裝備下大采高綜采達(dá)到了一個(gè)新的高度。

圖5 上灣礦8.8 m超大采高綜采工作面現(xiàn)場Fig.5 8.8 m super high fully mechanized face in Shangwan Coal Mine

3)智能化開采研究與應(yīng)用發(fā)展迅速。2012年底，國家發(fā)改委、財(cái)政部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合組織實(shí)施了“智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)”，從產(chǎn)學(xué)研角度大力資助煤礦裝備的智能化發(fā)展。2014年7月，該項(xiàng)目關(guān)鍵配套裝備在山西焦煤集團(tuán)斜溝礦進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)試車，并取得成功。關(guān)鍵設(shè)備均能夠自動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，其中，采煤機(jī)、液壓支架和運(yùn)輸系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，并具備相應(yīng)的監(jiān)測監(jiān)控、故障自動(dòng)診斷及預(yù)警能力，實(shí)現(xiàn)了工作面生產(chǎn)作業(yè)從人員現(xiàn)場跟機(jī)操作到地面或遠(yuǎn)程遙控的跨越，初步實(shí)現(xiàn)了千萬噸級(jí)綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)的智能化控制[11-12]。

2014年5月，綜采自動(dòng)化成套裝備研發(fā)項(xiàng)目在陜煤黃陵一號(hào)礦通過技術(shù)鑒定，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。該套裝備不僅具有采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)及遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控等基礎(chǔ)功能，而且實(shí)現(xiàn)了工作面全套綜采設(shè)備的智能監(jiān)測與集中控制，成為我國綜采發(fā)展史上的里程碑事件。

2016年7月，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重大項(xiàng)目“煤炭智能化掘采技術(shù)與裝備”成功進(jìn)行了驗(yàn)收，該項(xiàng)目聚焦我國井工煤礦安全和高效開采，研發(fā)成功了包括大斷面豎井掘進(jìn)機(jī)，智能控制功能的重型巖巷掘進(jìn)機(jī)器人，綜采工作面智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)，自動(dòng)化刨煤系統(tǒng)，大帶寬、長運(yùn)距、高可靠性帶式輸送機(jī)，具有自動(dòng)控制功能的大型提升系統(tǒng)等一大批關(guān)鍵技術(shù)和重大裝備，我國井工煤礦智能化采掘技術(shù)與裝備得到了顯著提升[13]。

2018年8月，國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，原同煤集團(tuán)塔山礦8222智能化大采高綜放工作面整套設(shè)備地面聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)取得成功，如圖6所示，該工作面實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)期間 “無人值守、有人巡視”，工作區(qū)域由原來由8人協(xié)同操作，目前已經(jīng)大幅減少至2人巡視，采煤司機(jī)在地面即可遠(yuǎn)程操控綜采設(shè)備實(shí)施生產(chǎn)作業(yè)，整個(gè)工作面完全實(shí)現(xiàn)了管理的信息化和采煤作業(yè)的智能化，工作面單產(chǎn)水平由原來1 000萬/a提升至1 500萬/a[11-12]。

圖6 塔山煤礦8222智能化綜放工作面地面聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)Fig.6 Ground joint test run of 8222 intelligent fully mechanized caving face in Tashan Coal Mine

據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì)，截止2020年底，我國建成400多個(gè)智能化采掘工作面，采煤、鉆錨、巡檢等19種煤礦機(jī)器人在井下實(shí)施應(yīng)用，71處煤礦列入國家首批智能化示范建設(shè)煤礦。這些智能化礦井中，既有厚度不足1.3 m的薄煤層綜采面，也有7 m以上的超大采高綜采面，這些工作面均具有在順槽監(jiān)控中心對(duì)整套設(shè)備的自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程干預(yù)功能，包括采煤作業(yè)實(shí)現(xiàn)了記憶割煤，設(shè)備前移實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟機(jī)拉架和推移刮板輸送機(jī)，監(jiān)測監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了視頻拼接，部分工作面甚至配置有直線度控制模塊和高清視頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工作面自動(dòng)找直功能，解決了超長工作面開采過程中精準(zhǔn)控制難題。

4)30°～50°傾角煤層機(jī)械化開采取得了突破和廣泛推廣。30°～50°傾角煤層曾經(jīng)是綜合機(jī)械化開采的“禁區(qū)”，21世紀(jì)以來，該類煤層的機(jī)械化開采有了實(shí)質(zhì)性突破，解決了設(shè)備防倒防滑，整體滑移的關(guān)鍵性技術(shù)問題。如綠水洞煤礦在2.65 m煤厚，平均角度達(dá)53°的大傾角煤層中成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化綜采，工作面平均產(chǎn)量達(dá)4.9萬t/月。該類大傾角煤層的綜采綜放開采，為我國西南地區(qū)、西北地區(qū)的類似礦井機(jī)械化開采解決了關(guān)鍵性技術(shù)難題，豐富和發(fā)展了我國綜合機(jī)械化開采技術(shù)的應(yīng)用范圍。

5)我國煤機(jī)裝備與采礦技術(shù)逐漸出口和走出國門。21世紀(jì)初至今，我國煤機(jī)裝備與采礦技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)出口并走出國門，2010—2016年，天地科技股份有限公司分別向?yàn)蹩颂m、俄羅斯出口3套薄煤層綜采成套設(shè)備、1套大采高綜采設(shè)備、1套中厚煤層綜采設(shè)備。近年來，鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司液壓支架也成功出口俄羅斯、印度、土耳其、越南、澳大利亞等海外市場。這一時(shí)期的煤機(jī)裝備整體向大型化、高端化、高可靠性方向發(fā)展，展現(xiàn)了我國煤炭行業(yè)的綜合實(shí)力。

2 我國煤礦機(jī)械化開采技術(shù)與裝備現(xiàn)狀

2.1 煤礦綜采、綜掘率顯著提高

近年來，我國煤礦機(jī)械化發(fā)展的明顯指標(biāo)就是工作面綜采、綜掘率顯著提高，見表1。也正是得益于機(jī)械化程度的提高礦井的工作面數(shù)量大幅減少，單產(chǎn)增加，開采參數(shù)也明顯加大。

表1 大型煤炭企業(yè)采煤機(jī)械化程度Table 1 Mechanization degree of coal mining in large coal enterprises

2.2 綜采工作面開采強(qiáng)度加大

1)工作面開采強(qiáng)度逐漸增大。

在工作面斜長方面，20世紀(jì)80～90年代我國綜采工作面平均長度為124.5 m，一般為150 m左右，目前已達(dá)到了300～450 m(綜采)，300～350 m(綜放)，200～300 m(刨煤機(jī)綜采)水平，這些礦井大多集中在我國蒙陜礦區(qū)，神東、榆神礦區(qū)部分礦井工作面參數(shù)見表2。

表2 部分高強(qiáng)度開采工作面傾向長度和采高分布Table 2 Dip length and mining height distribution of some high intensity mining faces

在工作面推進(jìn)長度方面，綜采技術(shù)應(yīng)用早期工作面推進(jìn)長度普遍小于1 000 m，目前基本都超過1 000 m，綜放工作面多在2 000 m以上，如大同塔山煤礦，走向長度達(dá)2 650 m，安家?guī)X井工礦綜放工作面走向長度達(dá)3 150 m；綜采工作面長度多超過3 000 m，如神東活雞兔井達(dá)5 300 m，補(bǔ)連塔煤礦長達(dá)4 500 m，2003年神東礦區(qū)榆家梁煤礦45202工作面推進(jìn)長度達(dá)6 380 m。

此外，綜采工作面采高逐漸增大。20世紀(jì)90年代以前，我國綜采工作面采高大都在3.5 m以下，20世紀(jì)90年代后期，隨著大采高綜采技術(shù)在神東礦區(qū)的推廣，采高逐年增長，現(xiàn)最大采高已達(dá)8.8 m。

我國綜放開采起初割煤高度多在2.5～3.5 m，隨著大采高綜放概念的提出，割煤高度達(dá)3.5～5.0 m的大采高綜放在平朔、神東、潞安、晉城、榆神、兗州、大同等礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用，更大割煤高度的超大采高綜放工藝在蒙陜礦區(qū)的金雞灘煤礦也已投入應(yīng)用，其采用ZFY21000/35.5/70D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，最大割煤高度達(dá)7.0 m。

2)工作面單產(chǎn)逐漸增高。

由于綜采技術(shù)的進(jìn)步，工作面布置長度、割煤高度以及推進(jìn)速度不斷加大，隨之而來的是開采強(qiáng)度逐年提高，表3為我國大型煤炭企業(yè)近10 a來綜采工作面單產(chǎn)統(tǒng)計(jì)。目前，普通綜采面日推進(jìn)可達(dá)8～10刀，部分中厚煤層智能化工作面甚至達(dá)到20刀以上；綜放工作面日推進(jìn)可達(dá)6～8刀，部分綜放工作面達(dá)到10刀以上。上灣礦12401超大采高工作面，日推進(jìn)15～17刀，工作面具備年產(chǎn)1 600萬t生產(chǎn)能力。

表3 大型煤炭企業(yè)回采工作面單產(chǎn)Table 3 Unit output of working face in large coal enterprises

2.3 裝備系列化、重型化，可靠性提高

2.3.1 綜采液壓支架

我國適應(yīng)不同條件，不同開采參數(shù)的綜采液壓支架發(fā)展迅速，液壓支架的基本架型主要是四柱式和兩柱式，美國、澳大利亞、南非和德國等多采用兩柱掩護(hù)式，國內(nèi)放頂煤液壓支架目前以四柱式為主，但兩柱式放頂煤液壓支架也有部分應(yīng)用[6]。

我國自主研發(fā)了支護(hù)高度0.5～10 m，工作阻力2 000～29 000 kN，支架寬度最寬2.4 m，立柱缸徑最大630 mm，單臺(tái)液壓支架最重超過120 t，能適應(yīng)傾角0～50°的500多種不同類型與支護(hù)參數(shù)的系列化液壓支架。近年來，年產(chǎn)千萬噸大采高液壓支架，大采高綜放液壓支架，8.8 m超大采高液壓支架等相繼研發(fā)成功并投入使用(圖7)，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，國產(chǎn)最新的ZY29000/45/100D兩柱掩護(hù)式液壓支架也已經(jīng)研發(fā)成功，將會(huì)給我國煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供新的技術(shù)支撐。

圖7 國產(chǎn)ZY26000/40/88D超大采高液壓支架Fig.7 Domestic ZY26000/40/88D super large mining height hydraulic support

但國產(chǎn)液壓支架耐久性試驗(yàn)一般為8 000～10 000次，而進(jìn)口液壓支架則達(dá)35 000次以上，國內(nèi)支架閥組等液壓元件的耐久性一般為5 000次左右，而國外則要求20 000次以上。目前，我國在高端液壓支架制造領(lǐng)域已完全替代進(jìn)口，但總體發(fā)展水平而言，我國在支架材料、焊接與加工工藝、液壓元器件等方面與國外相比尚有一定差距。

2.3.2 采煤機(jī)

我國電牽引采煤機(jī)經(jīng)過多年引進(jìn)消化吸收和自主創(chuàng)新，已經(jīng)形成了割煤高度滿足0.8～8.8 m，能適應(yīng)傾角0°～60°的系列化產(chǎn)品。目前，國產(chǎn)在用采煤機(jī)裝機(jī)功率最大達(dá)3 030 kW(圖8)，最大落煤能力達(dá)6 000 t/h，牽引速度超過20 m/min，逐步攻克了采煤機(jī)結(jié)構(gòu)剛性和可靠性、搖臂潤滑和冷卻、智能感知和控制等技術(shù)難題。目前，大量創(chuàng)新技術(shù)在國產(chǎn)采煤機(jī)上逐步得以應(yīng)用，如“T”型對(duì)接面技術(shù)，在輕量化的同時(shí)有效提升了機(jī)身連接剛性；箱式拉杠預(yù)緊連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了行走與機(jī)身的可靠連接；長搖臂多腔潤滑技術(shù)與冷卻系統(tǒng)多單元分布式布置方法，解決了搖臂在大傾角工作狀態(tài)下溫升問題；微合金殼體鑄造材料，綜合性能指標(biāo)接近進(jìn)口產(chǎn)品水平；在電傳控制系統(tǒng)方面，部分采煤機(jī)創(chuàng)新采用了數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，總線共模干擾大幅降低。

圖8 國產(chǎn)MG1100/3030-GWD大采高采煤機(jī)Fig.8 Domestic MG1100/3030-gwd large mining height Shearer

但與世界先進(jìn)的Eickhoff和JOY公司采煤機(jī)相比，我國采煤機(jī)產(chǎn)品在大修周期和關(guān)鍵部件可靠性方面仍存一定差距，如Eickhoff型號(hào)采煤機(jī)5.5～6.0 m大修周期6 Mt，實(shí)際超過6 Mt。國外采煤機(jī)設(shè)計(jì)壽命和大修壽命與國內(nèi)MT/T1003.1—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相比，進(jìn)口采煤機(jī)大修周期和設(shè)計(jì)回采面積分別約為67萬m2和300萬m2?！禡T/T 1003.1—2006滾筒采煤機(jī)大修規(guī)范》規(guī)定(國產(chǎn))整機(jī)、搖臂、行走減速箱等主要元部件大修周期的回采面積為52萬～71萬m2，截割高度6 m時(shí)割煤量4～6 Mt，截割電機(jī)等大修周期的回采面積為39萬～59萬m2，截割高度6 m時(shí)割煤量3.0～4.5 Mt，因此粗略估計(jì)國外采煤機(jī)開機(jī)率要比國內(nèi)采煤機(jī)高30%左右[14]。與Eickhoff和Joy等進(jìn)口產(chǎn)品相比，在電控系統(tǒng)、整機(jī)穩(wěn)定性與可靠性等方面仍有一定差距。

2.3.3 刮板輸送機(jī)

我國已成功研制了多種系列刮板輸送機(jī)、并在高產(chǎn)高效礦井中得到應(yīng)用。刮板輸送機(jī)槽寬630～1 400 mm(630、730、764、800、900、1 000、1 200、1 350、1 400)，整機(jī)功率90～3×1 600 kW，輸送量450～4 500 t/h；轉(zhuǎn)載機(jī)槽寬630～1 800 mm，輸送量500～6 000 t/h，整機(jī)功率90～700 kW；破碎機(jī)破碎能力500～6 000 t/h，整機(jī)功率90～700 kW。在高端刮板輸送機(jī)領(lǐng)域，針對(duì)超大采高等極限負(fù)荷工況，我國對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)量、運(yùn)距、壽命、高可靠性等方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，相繼研制了高強(qiáng)耐磨材料及端頭拼焊中部槽，強(qiáng)度較常規(guī)結(jié)構(gòu)提高20%，壽命增加30%以上，大修周期過煤量高達(dá)20 Mt；此外，還研發(fā)了工作面“三機(jī)”智能監(jiān)控系統(tǒng)，具備智能控制、自動(dòng)調(diào)速、機(jī)尾自動(dòng)張緊、鏈輪自動(dòng)潤滑、系統(tǒng)故障智能診斷等功能，系統(tǒng)可靠性大幅度提高。

國產(chǎn)輸送機(jī)雖然在主要技術(shù)參數(shù)方面已經(jīng)接近或達(dá)到國外先進(jìn)水平，但大功率、高可靠性等高端輸送機(jī)的關(guān)鍵材料、零部件、動(dòng)力和控制仍依賴進(jìn)口。目前，國外重型輸送機(jī)減速器大修周期過煤量通常輸送3～4 Mt，鏈輪、鏈條可達(dá)2～3 Mt。而國產(chǎn)刮板輸送機(jī)的鏈輪、減速器、鏈條大修周期過煤量普遍為1～3 Mt。瑞典Hardox耐磨板、德國Boehler焊材、Breuer大功率高壓變頻電機(jī)等產(chǎn)品依然在國內(nèi)有較高的市場占有率，整機(jī)與Caterpilla，JOY相比可靠性存一定在差距。

2.3.4 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)是煤礦井下遠(yuǎn)距離連續(xù)運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，近年來，煤礦用帶式輸送機(jī)也有了很大的發(fā)展，輸送機(jī)產(chǎn)品型號(hào)不斷增多，從定型的SDJ、SSJ、STJ、DT等系列發(fā)展到具有多功能、能適應(yīng)特種用途的各種帶式輸送機(jī)系列[15]。固定高強(qiáng)度帶式輸送機(jī)國內(nèi)現(xiàn)有近10種軟啟動(dòng)方式，較好地解決了大型輸送機(jī)的啟動(dòng)問題，運(yùn)量最大達(dá)到7 000 t/h，運(yùn)距最長達(dá)到8 700 m，帶寬最大達(dá)到2.2 m，帶速最高達(dá)5.6 m/s，驅(qū)動(dòng)總功率最大達(dá)到6×1 850 kW。可伸縮帶式輸送機(jī)解決了大運(yùn)量、長距離、高效運(yùn)輸和單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)難題，運(yùn)量達(dá)5 000 t/h，提升高度達(dá)60 m，運(yùn)距達(dá)到6 000 m，帶速達(dá)到4.5 m/s，裝機(jī)總功率達(dá)到3×1 600 kW，帶寬達(dá)到1.8 m，實(shí)現(xiàn)了機(jī)頭集中驅(qū)動(dòng)、低阻、智能化控制要求。大傾角輸送機(jī)通過改進(jìn)和研制不同帶寬的雙排V形深槽托輥組，提高了摩擦因數(shù)，適應(yīng)傾角范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，采用普通光面輸送帶可達(dá)到28°，花紋輸送帶時(shí)可提高到35°，原煤允許含水量從10%提高到20%。

雖然近年來我國帶式輸送機(jī)制造水平迅猛發(fā)展，在運(yùn)量、運(yùn)距、可靠性、自動(dòng)控制等方面都有了長足發(fā)展，但與國外相比，軟啟動(dòng)、功率平衡、關(guān)鍵部件壽命、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、監(jiān)控及保護(hù)裝置等關(guān)鍵技術(shù)依然落后，無法滿足國內(nèi)煤礦高強(qiáng)度條件需求，帶式輸送機(jī)的發(fā)展方向在于適應(yīng)高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)的需要，長距離、高帶速、大運(yùn)量、大功率是今后發(fā)展的必然趨勢。

2.3.5 乳化液泵站

乳化液泵站作為綜采工作面液壓支架的動(dòng)力輸出裝備，隨著高強(qiáng)度開采成套技術(shù)及裝備的不斷突破，乳化液泵站供液系統(tǒng)需滿足支架高初撐力、高工作阻力、快速移架等需求，同時(shí)還需具備高可靠性、定量精確控制等特征。我國在關(guān)鍵元部件可靠性、泵站系統(tǒng)及自動(dòng)化控制技術(shù)等方面不斷嘗試，變頻控制、多級(jí)過濾單元、乳化液自動(dòng)配比、電磁卸荷閥、自動(dòng)補(bǔ)水補(bǔ)液等先進(jìn)技術(shù)逐漸應(yīng)用在國產(chǎn)泵站的設(shè)計(jì)和制造中，2017年，國產(chǎn)首套大流量630 L/min泵站在補(bǔ)連塔煤礦8 m大采高工作面投入使用。

但我國乳化液泵普遍通過增加柱塞直徑來提高輸出流量，造成泵站尺寸大、易泄漏、壓力損失大等一系列問題，國產(chǎn)乳化液泵站基本均采用五柱塞結(jié)構(gòu)，與國外同類產(chǎn)品相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修保養(yǎng)難度大，受制造水平制約，關(guān)鍵元部件加工精度較低，使用壽命短。目前，進(jìn)口的高壓(42 MPa)大流量(1 350 L/min)卸荷閥，較當(dāng)前國內(nèi)最大卸荷閥，通流能力提升一倍，并且具備乳化液泵兩路獨(dú)立強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)和獨(dú)立冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超大流量泵體低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的智能快速潤滑和冷卻。而國產(chǎn)乳化液泵站控制系統(tǒng)主要采用變頻器+電磁卸荷+PLC控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量、壓力等供液參數(shù)的監(jiān)控，智能供液技術(shù)尚不成熟，在智能化程度、系統(tǒng)可靠性及控制效率方面，與國外同類產(chǎn)品存在一定差距。

2.4 智能化綜采技術(shù)得到了長足發(fā)展

改革開放后，我國煤炭工業(yè)經(jīng)過近50 a的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，歷經(jīng)人工采煤、半機(jī)械化、機(jī)械化、綜合機(jī)械化、自動(dòng)化采煤等階段，并已開始由機(jī)械化和自動(dòng)化向智能化開采邁進(jìn)[16-18]。近年來，我國建成了一批具有世界領(lǐng)先水平的現(xiàn)代化大型煤礦，截至2020年底，國內(nèi)大型煤礦的采煤機(jī)械化程度達(dá)到98.86%，建成智能化采掘工作面484座，其中，千萬噸級(jí)煤礦52座。目前，主要智能化開采技術(shù)與裝備全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，走出了一條從“引進(jìn)消化吸收，跟隨國外發(fā)展”到“創(chuàng)新引領(lǐng)世界綜采技術(shù)與裝備發(fā)展”的跨越式發(fā)展之路，在煤炭安全、高效、智能化開采領(lǐng)域，取得了一大批創(chuàng)新成果，為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了核心技術(shù)支撐[7]。

在智能化開采模式方面，針對(duì)不同煤層賦存條件，相繼推廣了薄煤層刨煤機(jī)無人化開采、薄及中厚煤層滾筒采煤機(jī)智能化開采、厚煤層大采高智能化綜采、特厚煤層綜放智能化控制與人工輔助放煤、復(fù)雜煤層條件機(jī)械化+局部智能化等模式，在鐵法、神東、黃陵、同煤等礦區(qū)得到了推廣應(yīng)用，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[19-21]。

近年來，5G技術(shù)的出現(xiàn)，助力了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在煤礦的推廣應(yīng)用，但我國煤層賦存條件千差萬別，且煤礦智能化領(lǐng)域尚有煤巖識(shí)別、煤矸識(shí)別、高精度傳感、低照度視頻監(jiān)控等核心技術(shù)瓶頸有待突破，總體而言，我國智能化采煤尚處于初級(jí)階段，智能化采煤切忌一哄而上，搞大躍進(jìn)，應(yīng)結(jié)合礦井實(shí)際，圍繞地質(zhì)勘探與測繪、電子通信、信息處理與分析、裝備智能化等技術(shù)的進(jìn)步而逐步開展。

3 結(jié)論與展望

1)我國資源稟賦的特點(diǎn)是“富煤、貧油、少氣”，自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)增長提供動(dòng)力的煤炭能源需求日益增長，我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和市場需求促使煤炭工程技術(shù)人員在開發(fā)利用上潛心研究，以綜合機(jī)械化為標(biāo)志的工業(yè)化采煤為我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供了充足的能源供應(yīng)。

2)我國煤礦機(jī)械化開采走出了一條引進(jìn)、消化、吸收再到發(fā)展創(chuàng)新的成功之路，豐富和發(fā)展了綜合機(jī)械化開采技術(shù)，形成了適合中國煤炭賦存特點(diǎn)的多樣化機(jī)械化開采模式。

3)20世紀(jì)80—90年代我國煤機(jī)發(fā)展理念總體是突出經(jīng)濟(jì)和實(shí)用型，90年代后期至今，逐步向重型化、高可靠性方向發(fā)展，盡管我國煤機(jī)裝備研制水平有了大幅提高，縮短了與國際先進(jìn)國家煤機(jī)裝備的差距，但在關(guān)鍵元部件、材料、工藝、整機(jī)可靠性方面，依然存在一定的差距。

4)采煤方法與工藝依然是機(jī)械化發(fā)展的基礎(chǔ)，采煤方法與工藝的變革促進(jìn)了煤機(jī)裝備的升級(jí)換代，甚至脫胎換骨的進(jìn)步，而煤機(jī)裝備僅是采煤方法與工藝的載體。煤機(jī)裝備的研發(fā)和應(yīng)用應(yīng)立足于采煤方法與工藝的不斷創(chuàng)新，也是煤炭科技發(fā)展的必由之路。

5)煤礦智能化是煤炭行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是煤炭科研攻關(guān)的重點(diǎn)方向，但其前提必須是裝備要具有高可靠性，而且智控采煤工藝的取得突破與巖層控制的定量化技術(shù)是智能化實(shí)現(xiàn)的先決條件。