特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备研发

大采高综放开采关键技术研究大采高综放工作面的特点是采出率高、生产水平高、经济效益好、安全状况好等，因而是当今开采厚煤层的一个关键发展趋势，而大采高综放开采关键技术是确保厚煤层和特厚煤层高效、安全开采的重要保障。

本文首先介绍大采高综放开采技术的优点，重点论述大采高综放开采技术的不足与关键技术，期待能为大采高综放开采技术提供借鉴。

标签：大采高；综放开采；技术研究0 引言我国厚及特厚煤层储量十分丰富，可采储量占生产矿井总储量的45%，研究大采高综放技术具有极为重要的意义。

大采高综放面有诸多优势，有利于顶煤垮落，进一步改善顶煤的冒放性；有利于使用大功率采煤机和前后部刮板输送机；可增加放煤口数量，缩短放煤时间；增加通风断面，降低风阻，有利于稀释放煤口及上隅角瓦斯；缩短工作面循环时间，提高工作面推进速度；提高采出率与单产；提高一次采放的总高度。

随着对综放开采工艺认识的深入和综采装备的快速发展，综放工作面开采参数，装备能力日渐提高。

1 大采高综放开采技术优点1.1 相比较于普通分层开采技术（1）高效和安全。

因为采放平行作业实现，所以会在一面多点一起出煤，这样一来，一个工作面的生产就好比是多个工作面的一起生产，因而比较分层采掘可以提升至少80%的效率。

（2）掘进巷道率低，通常来讲，掘进巷道率要低于分层开采至少80%，从而降低了维护巷道与掘进巷道的成本。

（3）降低了工作面搬家频率。

在相同的状况之下，通常比分层采掘降低至少50%的搬家频率。

（4）大大地降低了支出的吨煤工资与耗材。

相比较于分层采掘，能够使支出的工资、截齿、坑木、电能、金属网等减少，以及确保降低至少10元的工作面吨煤支出费用。

（5）能够有效地适应煤层的赋存条件与地质状况。

事实证实，在缓倾斜煤层当中，综采放顶煤能够适应4m—20m的煤层厚度改变。

针对落差在割煤高度以下的断层以及复杂的三软和破碎顶板煤层，相比较于分层采掘而言具备非常好的适应性。

（6）能夠机械化地采掘急倾斜特厚煤层。

靖远煤业“急—倾斜特厚煤层综放开采技术”研究项目结硕果上官科峰王楠我国厚煤层资源丰富，35°以上煤层占到17%。

然而，大倾角、急—倾斜（38°~49°）厚煤层的开采方法多因倾角的限制，使得开采这类煤层的矿井普遍存在用人多、效率低、效益差的问题，探索一种高产、高效、低耗、安全的适应于此类煤层的长壁综采开采技术，具有重大而深远的意义。

备受全国煤炭系统关注的由靖远煤业有限责任公司立项并组织实施的国家经贸委第二批国家重点技术改造“双高一优”项目导项计划、甘肃省科技重点攻关———《急—倾斜厚煤层长壁综放开采技术》研究项目，针对我国西部和国内急—倾斜厚煤层复杂条件和开采技术难点，进行了整体科技攻关，在急—倾斜长壁开采综合机械化放顶煤新技术的相关理论、设备研制、巷道及工作面布置优化、矿压显现规律、回采工艺、顶煤破坏及放出规律以及安全保障技术等内容进行了深入系统研究和工业性试验，成功地实现了该类煤层高产高效安全开采，取得显著成果。

经煤炭工业权威专家鉴定认为：“该研究成果全面的解决了倾角45°左右厚煤层高效开采的世界性难题，为急—倾斜厚煤层高效机械化开采开创了一条成功之路，具有广阔的推广前景。

该成果属具有自主知识产权的原始创新，达到国际领先水平”，先后获得2003年煤炭工业十大科学技术成果之首、2004年中国煤炭工业科学技术特等奖、第二届国家安全生产科技成果一等奖和2004年甘肃省科学技术进步一等奖。

在我国25°以下的缓倾厚煤层综放开采技术在国际上处于领先地位，60°以上急斜煤层采用水平分段综放开采也已成为采矿界的共识，而45°左右（急—倾斜）煤层综放开采，虽经探索均未成功。

急—倾斜煤层介于倾斜与急斜两类煤层的临界，在这类煤层实施综放开采，存在“支架—围岩”系统的不稳定，特别是大放高形成的大变形、倾斜方向的动载荷、采场设备的下滑倾倒、端头与工作面的不连续一直是没有解决技术难题。

厚煤层开采技术综述【摘要】目前我国厚煤层开采工艺大体为三种，即分层开采、大采高一次采全高、放顶煤开采。

这三种开采工艺每一种都有其各自的优点和缺点，文章对此进行了分析。

并分析了厚煤层开采中需要解决的几个问题，即提高煤炭回收率和做好瓦斯防治工作，最后文章分析了厚煤层开采未来的发展方向。

【关键词】厚煤层；开采技术；分层开采；放顶煤；大采高1 前言众所周知，我国是世界上煤炭生产和消费大国。

我国一次能源的70%来自于煤炭，因此煤炭在我国能源结构中具有其它能源无法替代的作用。

在我国现有煤炭储量和产量中，厚度在3.5m以上的厚煤层占了将近一半的比例，对于保障煤炭产量具有重要意义。

而在我国新疆地区，厚煤层更是占了绝大多数，很多煤层的厚度在10m以上，有的甚至达到40 m以上。

因此，做好厚煤层开采技术的研究工作，对于我国煤炭采掘业具有十分重要的意义。

2 我国厚煤层开采的主要方法及其特点分析2.1 分层开采在上世纪80年代以前，由于支架高度有限，一次开采高度也受到限制，厚煤层普遍采用分层开采法开采。

即首先平行于厚煤层面将厚煤层分为若干个分层，每个分层的厚度约2～3m，然后按照一定的顺序依次对每个分层进行回采。

一般是按照自上而下逐层开采，个别也有自下而上逐层开采的。

当自上而下逐层开采时，上一分层开采后，下一分层是在上分层垮落的顶板下进行的，为确保下分层回采安全，上分层必须铺设人工假顶或形成再生顶板。

目前多采用在分层间铺设金属网，作为下一分层开采的“假顶”。

下分层开采在“假顶”保护下作业，称为下行分层开采。

有的矿区为了进行地面保护，或在特易自燃的特厚煤层条件下采用了上行充填开采，如水砂充填、风力充填等，称为上行分层开采。

分层开采的优点是技术相对成熟，是我国长期应用的1种采煤方法，具有设备投资少、一次采高小、瓦斯治理技术相对成熟、上露岩层及地表可以实现缓慢下沉等。

但是也存在许多不足，主要表现在：①采准巷道系统复杂，巷道掘进率高，巷道的掘进与维护费用高；②上分层开采时要铺设人工假顶，增加了工人的体力劳动和生产成本；③对地质构造特别是断层的适应性差；④煤层厚度变化时容易丢煤；⑤单产低、效率低，尤其是特厚煤层的开采更是如此。

康红普,徐刚,王彪谋,等．我国煤炭开采与岩层控制技术发展40a 及展望[J]．采矿与岩层控制工程学报,2019,1(1):013501．KANG Hongpu,XU Gang,WANG Biaomou,et al．Forty years development and prospects of underground coal mining and strata controltechnologies in China[J]．Journal of Mining and Strata Control Engineering,2019,1(1):013501．我国煤炭开采与岩层控制技术发展40a 及展望康红普1,2,3,徐㊀刚1,2,3,王彪谋1,2,3,吴拥政1,2,3,姜鹏飞1,2,3,潘俊锋1,2,3,任怀伟1,2,3,张玉军1,2,3,庞义辉1,2,3(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京㊀100013;2．煤炭科学研究总院开采研究分院,北京㊀100013;3．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京㊀100013)摘㊀要:开采方法与装备及岩层控制技术是保证煤炭正常生产的核心技术㊂介绍了改革开放40a 来我国采煤方法与装备㊁岩层控制理论与技术㊁特殊采煤与矿区生态环境保护技术的发展历程㊂基于煤炭科学研究总院开采研究分院主持和参与的科研项目,总结了40a 来煤炭开采与岩层控制技术取得的研究成果㊂包括薄及中厚煤层㊁厚煤层一次采全高综采技术与装备,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术与装备,及智能化开采技术与装备;采场覆岩运动与破断规律,岩层结构假说,液压支架与围压相互作用关系,及坚硬和破碎顶板控制技术;巷道锚杆支护理论与成套技术,破碎围岩注浆加固技术,及高应力㊁强采动巷道水力压裂卸压技术;冲击地压发生机理,冲击危险区域评价技术,冲击地压实时监测㊁预警及综合防治技术;开采沉陷理论,建(构)筑物下㊁近水体下㊁承压水上开采等特殊采煤技术,及矿区生态环境保护技术㊂40a 的研究与实践表明,我国煤矿已形成具有中国特色的煤炭开采与岩层控制成套技术体系,为煤矿安全㊁高效㊁绿色开采提供了可靠的技术保障㊂最后,提出了煤炭开采与岩层控制技术的发展方向与建议㊂关键词:煤矿;采煤方法;装备;岩层控制;冲击地压;特殊采煤中图分类号:TD821㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:2096-7187(2019)01-3501-33收稿日期:2019-02-28㊀㊀修回日期:2019-04-29㊀㊀责任编辑:许书阁㊀㊀作者简介:康红普(1965 ),男,山西五台人,中国工程院院士㊂Forty years development and prospects of underground coal mining andstrata control technologies in ChinaKANG Hongpu 1,2,3,XU Gang 1,2,3,WANG Biaomou 1,2,3,WU Yongzheng 1,2,3,JIANG Pengfei 1,2,3,PAN Junfeng 1,2,3,REN Huaiwei 1,2,3,ZHANG Yujun 1,2,3,PANG Yihui 1,2,3(1.Coal Mining and Designing Department ,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China ;2.Coal Mining and Designing Branch ,China Coal Research Institute ,Beijing 100013,China ;3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization ,Beijing 100013,China )Abstract :Mining methods,equipment and strata control technologies are the core elements to ensure the normal pro-duction of coal mining.This paper introduces the development process of coal mining methods and equipment,stratacontrol theories and associated technologies,special coal mining and mining ecological environmental protection tech-nology during the 40years of reform and opening-up in China since 1978.Based on the scientific and technical re-search projects initiated and participated by the Mining Research Branch of the China Coal Research Institute,the main achievements obtained from coal mining and strata control technologies in the past 40years were summarized inthe following aspects:the fully mechanized mining technology and equipment for thin,medium thick,and thick coalseams,the fully mechanized top coal caving mining technology and equipment for thick and extra-thick coal seam,and the technology and equipment for intelligent mining;the movement and breaking laws of strata overlaid above working㊀第1卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol．1㊀No．1㊀㊀2019年11月JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERINGNov．㊀2019㊀faces,the mechanical hypothesis of strata structures,the interaction between shields and surrounding rock,and the con-trol technologies for hard and broken roofs;roadway rock bolting theories and complete set of technologies,grouting re-inforcement technology for fractured rock,and the destressing technology with hydraulic fracturing for roadways withhigh stresses or affected by serious mining activities;rock burst occurrence mechanism,assessment methods for burst risk zones,and the rock burst monitoring with early-warning and integrated control techniques;mining subsidence theo-ries,special mining methods such as mining under buildings,water body,and mining above confined aquifer,as well as the ecosystem and environmental protection in mining areas.The 40-year researches and practices show that a complete set of technical systems for coal mining and strata control have been formed in China with special Chinese characteris-tics,which provides reliable technical supports for safe,efficient and green production of coal mines.Besides,the fu-ture development and suggestions for coal mining and strata control technologies are provided.Key words :coal mines;coal mining method;mining equipments;strata control;rock burst;special coal mining㊀㊀2018年是我国改革开放40周年㊂40a 来,煤炭作为我国的主体能源,为社会经济的快速发展提供了稳定的能源保障㊂40a 来,我国建成年产120万t 及以上的大型煤矿1200余处,其中,千万吨级煤矿42处,在建和改扩建千万吨级煤矿37处[1]㊂原煤产量由1978年的6．2亿t 增加至2018年的36．8亿t(图1),增加了近5倍,累计生产煤炭773亿t㊂煤矿百万吨死亡率则由1978年的9．713降低至2018年的0．093,降低了99%㊂大型煤炭基地已具规模,科学产能稳步提升,我国煤炭工业逐步进入了高质量发展轨道㊂图1㊀改革开放40a 我国煤炭产量变化Fig．1㊀Changes of coal production in China in the past 40years煤炭科技创新有力支撑了煤炭工业的快速发展㊂其中,煤炭开采与岩层控制作为核心,在基础理论㊁关键技术及工程实践方面均取得重大进展㊂煤炭开采技术与装备是实现煤炭安全㊁高效㊁高采出率开采的基础㊂经过40a 持续不断的科研攻关与创新实践,我国煤炭工业实现了由人工采煤㊁炮采㊁普采㊁高档普采到综合机械化开采㊁自动化开采的跨越,并逐步向智能化开采迈进㊂综采是采煤史上的一次重大技术变革,它将井工煤矿工作面的主要生产环节 采㊁支㊁运㊁供电㊁检测㊁通信等有机结合㊁协同配置,极大地提高了采煤效率与安全[2]㊂我国1970年首次进行了综采技术与设备的工业性试验,70年代中后期引进了上百套国外综采设备,并根据我国煤层赋存条件进行了自主研发,使得80年代综采技术在我国煤矿得到推广应用,实现了采煤技术的跨越㊂针对我国煤炭资源赋存条件,研发出薄及中厚煤层综采技术与成套装备,厚煤层大采高㊁超大采高综采成套技术与装备,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术与成套装备等,并针对大倾角㊁急倾斜㊁破碎围岩等复杂条件进行了开采技术与装备的创新与实践,基本形成了具有我国煤炭资源赋存特色的开采技术与装备体系㊂最近几年,我国煤矿智能化开采技术取得快速发展,开发出以采煤机记忆截割㊁液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础,以生产系统智能化控制软件为核心的综采成套装备智能系统,并在多个矿区得到成功应用㊂2018年,我国煤矿智能化工作面已达到145个㊂煤炭生产方式正在由粗放向集约高效方向转变㊂大型煤炭企业采煤机械化程度由1978年的32．3%提高到2018年的96．1%;掘进机械化程度由14．5%提高到54．1%;全国煤矿人均生产效率由137t /a 提高到1000t /a,增长了6．3倍㊂最高年人均效率超过5万t(神东矿区补连塔煤矿,原煤工效达167．8t /工)㊂岩层控制技术是煤炭资源安全㊁高效开采的保证㊂岩层控制主要分为两个方面:采场岩层控制和巷道围岩控制㊂在采场岩层控制方面,经过40a 的攻关,形成了 砌体梁 ㊁ 传递岩梁 ㊁ 关键层 等国内经典采场矿压理论[3-7]㊂之后,针对综放采场的 组合悬臂梁-铰接岩梁 ㊁浅埋采场的 切落体 等条件的顶板运移理论成果又相继出现,提高了对采场覆岩运动及矿压活动的认识㊂围绕液压支架与围岩相互作用关系,建立了多种力学模型,提出多个估算液压支架工作阻力的公式,指导了液压支架设计与选型㊂开发出多种采场矿压监测预警系统,能实时监测液压支架工作阻力㊁顶板下沉量㊁超前支承压力和煤柱应力等多个参数,为了解采煤工作面矿压显现规律提供了基础㊂针对坚硬顶板条件,开发出爆破㊁注水软化㊁水力压裂等弱化技术;针对破碎顶板和煤层,开发出多种加固材料与技术㊂这些采场岩层控制理论和技术对我国煤矿采场顶板管理起到重要作用㊂在巷道围岩控制方面,40a来逐步由原来的木支护㊁砌碹支护㊁型钢支护发展到锚杆支护㊂锚杆支护经历了从低强度㊁高强度到高预应力㊁高刚度㊁强力支护的发展历程㊂目前已形成具有中国特色的锚杆支护成套技术体系,锚杆支护成为我国煤矿巷道的主体支护方式[8-12]㊂针对破碎围岩巷道,开发出多种注浆加固技术[13];针对高应力巷道,开发出水力压裂㊁爆破等卸压技术[14],提出支护 改性 卸压 三位一体 围岩控制理念,为复杂困难巷道支护提供了有效途径[15]㊂此外,小煤柱沿空掘巷技术㊁无煤柱沿空留巷技术在适宜的条件下得到推广应用[16-18],在提高煤炭资源采出率㊁减少掘进工程量㊁解决高瓦斯矿井通风与瓦斯问题等方面起到良好作用㊂冲击地压灾害防治一直是岩层控制研究的难点和热点㊂40a来,针对煤岩体冲击倾向性㊁冲击地压发生机理㊁冲击地压监测㊁预警及防治等,开展了连续不断的攻关研究,基本建立了我国煤矿冲击地压理论与技术体系[19-21]㊂研究成果在我国深部㊁高应力㊁强采动等冲击地压矿井得到推广应用,对控制冲击地压灾害起到了重要作用㊂地表沉陷控制和生态环境保护是煤炭开采必须面临的问题,我国建(构)筑物㊁水体及铁路下(简称 三下 )压煤量约140亿t,约95%以上生产矿井存在 三下 压煤,影响了矿井正常生产布置㊂煤炭开采带来的水资源破坏和生态损害成为煤炭行业的突出问题㊂开采沉陷理论和特殊采煤技术作为解放 三下 压煤储量㊁采煤沉陷区治理及生态环境修复的理论基础,经过改革开放40a的持续科研攻关与创新实践,形成了具有中国特色的特殊采煤技术体系[22-25],并逐步向安全㊁绿色和无损害发展㊂伴随充填减沉开采㊁控水开采㊁保水开采等一系列特殊采煤技术的成功应用,矿区生态环境得到了有效改善,为煤炭绿色开采奠定了基础㊂40a来,我国煤炭开采与岩层控制技术取得重大突破,为煤炭工业的发展作出历史性贡献㊂在这个过程中,众多的科研单位㊁大专院校㊁煤炭企业㊁设备与产品厂家等均参与其中,作出了各自的贡献㊂笔者来自于煤炭科学研究总院开采研究分院(原煤炭科学研究总院北京开采研究所),主持和参与了一些科研攻关项目㊂为此,本文基于笔者所在单位取得的科研成果,回顾改革开放40a来,我国煤炭开采与岩层控制技术的发展历程,介绍综采与综放开采技术与装备㊁采场与巷道围岩控制㊁冲击地压防治㊁特殊开采及矿区生态环境保护理论与技术等方面的成果,并对煤炭开采与岩层控制技术的发展进行展望㊂1㊀煤炭开采技术与装备1．1㊀我国煤炭开采技术与装备发展历程我国煤层赋存条件复杂多样,改革开放前以人工开采㊁炮采等高危方式开采为主,生产效率低下,人员伤亡率高㊂自1978年改革开放以来,通过对国外综采综放开采技术与装备进行引进㊁消化㊁吸收㊁再创新,促使我国煤炭开采技术与装备迅猛发展,逐步形成了具有中国特色的煤炭综采技术与装备体系㊂1970年11月,我国第1套综采设备在大同煤峪口煤矿进行工业性试验,拉开了我国综采技术发展的序幕[2]㊂1974年㊁1977年分别引进43套㊁100套综采设备,对推动综采技术的应用起到重要作用㊂在引进国外综采技术与装备的基础上,我国进行了大量的自主研发,实现了由引进消化吸收到创新引领的跨越发展㊂1982年,煤炭科学研究总院率先开展综采放顶煤开采技术与装备的引进与实践,并于1984年4月在沈阳矿务局蒲河煤矿进行了我国第1个缓倾斜厚煤层综放开采技术井下工业试验[26]㊂但受制于支架设计及采空区自然发火等问题,试验效果并不理想㊂1985 1986年,在甘肃窑街矿务局二矿进行了厚度为25m的急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采试验,获得成功,并开始在我国其他矿区大力推广应用综采放顶煤开采技术[27]㊂至1990年底,已经在平顶山㊁阳泉㊁潞安㊁晋城㊁郑州㊁兖州㊁辽源㊁乌鲁木齐㊁平庄等矿区成功推广应用综采放顶煤工作面32个㊂针对厚煤层一次采全高开采技术难题,1985年西山矿务局首次进行国产大采高综采技术与装备的井下试验,工作面采高4．0m,平均月产达14．57万t㊂1986年,邢东东庞煤矿开展4．5~4．8m大采高开采试验,实现最高月产14．22万t㊂至20世纪90年代初,大采高一次采全高开采技术成功在我国铜川㊁开滦㊁西山㊁兖州㊁徐州㊁邢台㊁双鸭山等矿区进行推广应用,但受制于综采技术与装备的发展,一次采全高综采工作面的最大机采高度均未能突破5．0m㊂1995年之后,煤炭科学研究总院北京开采研究所与相关单位合作,推动了我国综采综放开采技术与装备进入高产高效创新发展㊁提高阶段㊂ 十五 期间,与兖矿集团合作率先完成年产600万t综放开采技术与装备研发,创造了综放开采单产㊁工效和采出率的世界最高记录[28]㊂2003年,针对晋城寺河矿厚煤层赋存条件,开展了高端大采高液压支架的国产化研发,研制出ZY8640/25．5/55国产高端大采高液压支架,工作面最大采高5．2m,实现最高日产3万t㊂2005年,开展了国家重大技术装备研制专项 年产600万t综采成套装备研制 的攻关,在神东万利一矿实现大采高工作面年产600万t㊂2008 2011年,依靠国家 十一五 科技支撑计划项目 年产千万吨级矿井大采高综采成套装备及关键技术 ,研发出ZY12000/28/64型大采高液压支架,在山西焦煤集团斜沟煤矿实现工作面年产1000万t㊂针对陕北红柳林煤矿㊁金鸡滩煤矿,及神东补连塔煤矿㊁上湾煤矿等煤层厚度为6~8m的坚硬厚煤层一次采全高开采技术难题,2009 2013年在红柳林煤矿研发应用了7m超大采高综采成套技术和装备,实现综采工作面年产1200万t㊂2015年在金鸡滩煤矿研发应用了8．2m超大采高综采成套技术与装备,单一工作面年产突破1500万t㊂2018年3月,上湾煤矿8．8m超大采高综采技术与装备成功应用,再次刷新世界超大采高综采工作面采高㊁产量与工效记录㊂随着我国综采技术与装备的持续创新发展,煤炭科学研究总院北京开采研究所提出大采高综放开采技术,研发出系列大采高综放开采技术与装备,有效提高了厚煤层综放工作面的煤炭采出率㊂2008 2009年,在神东柳塔煤矿成功应用了采高4．2m的大采高综放开采技术与装备,实现最高月产64万t㊂同年在平朔安家岭煤矿实现综放工作面月产130万t 的记录㊂ 十一五 期间,针对大同塔山煤矿14~20 m特厚煤层大采高综放开采难题,成功研发了最大机采高度5．0m的国产大采高综放开采技术与装备,年产突破1000万t㊂针对我国西部矿区坚硬特厚煤层顶煤冒放性差的难题,研发出5．0m两柱强力大采高液压支架及成套装备,在双山煤矿㊁神树畔煤矿等实现了坚硬特厚煤层高产㊁高效㊁高采出率开采㊂2018年,针对兖矿集团金鸡滩煤矿平均厚度约12m的浅埋深㊁坚硬㊁特厚煤层,研发出最大机采高度7．0m的超大采高综放开采技术与装备,进一步提高了我国综放开采技术与装备水平㊂随着物联网㊁大数据㊁人工智能等新一代科技的快速发展与创新应用,促使我国煤矿自动化㊁智能化水平不断提高[29-32]㊂2001年铁法煤业集团通过引进德国成套刨煤机组,配套国产液压支架,在小青矿㊁晓南矿实现了薄煤层自动化开采;2007 2013年,针对冀中能源峰峰煤矿复杂坚硬薄煤层条件,研发了适用于0．6~1．3m薄煤层的综采自动化成套技术与装备,实现了0．6~1．3m薄煤层自动化安全高效开采㊂2014年,针对黄陵一号煤矿中厚煤层自动化㊁智能化开采需求,研发了1．4~2．2m中厚煤层自动化成套装备,开创了工作面 有人巡视㊁无人值守 的自动化㊁智能化开采模式,并成功将液压支架自动跟机移架㊁采煤机记忆截割㊁刮板输送机智能变频调速等自动控制技术在厚煤层大采高综采综放工作面推广应用㊂2017年,针对赋存条件较简单的中厚煤层高产高效智能化开采技术难题,研发了3~4m煤层年产千万吨智能化综采成套技术与装备,在兖矿集团转龙湾煤矿实现了中厚煤层安全㊁高效㊁智能化开采㊂由于我国煤矿智能化开采技术与装备尚处于初级阶段,受制于我国煤层赋存条件复杂多样的开采现状,煤矿智能化㊁少人化甚至无人化开采技术与装备仍需持续攻关与突破㊂1．2㊀一次采全高综采技术与装备自20世纪80年代以来,我国综采经历了消化吸收国外技术与装备并研制试验国产普通综采装备㊁研制高端综采支护装备完全替代进口㊁研发超大采高综采支护装备引领世界的3个发展阶段,形成了适用于薄煤层㊁中厚煤层㊁厚及特厚煤层㊁复杂难采煤层的系列化综采技术与装备㊂(1)薄及中厚煤层综采技术与装备我国各大煤炭主产区均赋存有薄煤层,其资源储量约占煤炭资源总储量的20．4%㊂薄煤层覆存条件的特殊性,决定了其开采作业空间小㊁安全性差㊁成本高㊁产量小㊁效率低的特点㊂因此降低工人劳动强度,提高作业人员的安全系数,提高生产效率是薄煤层开采的关键因素㊂针对薄煤层安全高效开采技术难题,基于冀中能源集团峰峰煤矿0．6~1．3m复杂薄煤层赋存条件,研发了系列大伸缩比㊁高可靠性薄煤层液压支架,如图2所示㊂采用大弧度缸底和活柱无上腔外进液口的结构形式,简化了外缸上腔进液口,通过将上㊁下进回液口集成设计在一个阀板上,降低了立柱固定段长度,增大了立柱的伸缩比㊂采用紧凑型整体插装式电液控制阀,解决了控制阀组小体积㊁大流量与高集成度等难题㊂通过采用板式整体顶梁㊁双平衡千斤顶等结构,并对液压支架底座的筋板布置㊁连杆与底座铰接形式等进行优化设计,解决了薄煤层液压支架大伸缩比与高可靠性的矛盾㊂针对急倾斜薄煤层开采条件,提出了急倾斜工作面俯伪斜布置方法,有效提高了综采设备的稳定性㊂为了适应俯伪斜开采工艺,设计研发了菱形液压支架,如图3所示㊂菱形液压支架及俯伪斜布置方法在图2㊀薄煤层液压支架主体结构Fig．2㊀Main structure of hydraulic shied for thin coalseam图3㊀薄煤层菱形液压支架Fig．3㊀Rhomboid hydraulic shield for thin coal seam松藻逢春煤矿成功应用,实现了煤层厚度0．84m㊁煤层平均倾角64ʎ薄煤层工作面的安全高效开采㊂针对薄及中厚煤层自动化㊁智能化开采要求,研发了适用于0．6~1．3m 复杂薄煤层的综采自动化成套技术与装备,提出了 有人值守㊁无人操作 的薄煤层自动化开采模式,如图4所示㊂冀中能源集团薛村煤矿成功应用薄煤层自动化综采成套技术与装备,在0．6~1．3m 不稳定㊁有硬夹矸㊁复杂煤层条件下,实现了薄煤层工作面自动化㊁少人化开采,工作面年产达100万t㊂黄陵一号煤矿在1．4~2．2m 中厚煤层应用智能化综采成套技术与装备,实现了智能化㊁少人化开采,工作面年产达400万t㊂针对转龙湾3~4m 中厚煤层开采条件,通过将采煤机的电控系统与LASC 惯导系统进行有效融合,实现了采煤机位置㊁姿态的实时监测;通过开发工作面循环记忆截割系统,实现了采煤机的记忆截割及刮板输送机的直线度控制㊂通过对采煤机的截割速度㊁图4㊀薄煤层工作面自动化控制系统Fig．4㊀Automatic control system for workingface in thin coal seam位置㊁摇臂摆动角度㊁液压支架推移量等进行实时解算,获取采煤机的实时截割落煤量;结合刮板输送机煤量扫描系统,实现了对刮板输送机煤流量的实时监测㊂采用刮板输送机变频控制系统,对刮板输送机进行变频调速控制,实现了煤流运输的精细化管理㊂采用上述技术,利用国产高可靠性装备,实现了3~4m 煤层年产1000万t㊂(2)厚煤层大采高综采技术与装备大采高开采技术是我国厚煤层实现高产㊁高效的主要开采技术之一,主要应用于晋㊁陕㊁蒙㊁新等大型煤炭基地㊂目前,我国大采高综采技术的一次开采高度已经由3．5m 提高至8．5m(液压支架高度8．8m)㊂随着工作面开采高度的不断增加,煤壁片帮㊁液压支架压垮㊁倾斜失稳等成为了制约大采高工作面安全高效开采的主要因素㊂为了解决大采高工作面易发生煤壁片帮等问题,国内外学者相继在煤壁片帮影响因素㊁片帮破坏形式㊁片帮机理等方面开展了大量的研究工作,形成了提高支架初撑力及支护阻力㊁控制采高及工作面长度㊁减小空顶距㊁加快工作面推进速度㊁注浆加固等大采高煤壁片帮防治成套技术㊂另外,针对超大采高工作面煤壁片帮㊁冒顶问题,设计了专门的护帮结构㊂通过对比分析两种超大采高液压支架护帮结构的力学特性(图5),发现支架伸缩梁与护帮板分体结构具有护帮合力大㊁护帮合力作用点更靠近煤壁易片帮位置㊁护帮结构可靠性高等优点㊂图中,F d ㊁F s ㊁F 4f 分别为作用在顶梁㊁伸缩梁㊁护帮结构上的力;q 1㊁q 2为作用在护帮结构上分布力的最大㊁最小值;a 为护帮结构合力作用点的距离㊂针对大采高液压支架结构及稳定性,在支架架型㊁结构㊁综采工作面布置方式等方面进行了创新性改进㊂由于大采高工作面中部机采高度与两侧巷道高度存在较大落差(3~4m),传统大采高开采技术图5㊀支架护帮结构力学特性对比分析Fig．5㊀Comparative analysis of mechanical properties ofcoal side retaining structures in a shield采用小台阶逐级过渡的配套方式,造成工作面两端头大量三角煤损失㊂为了解决这一技术难题,提出了大采高工作面大台阶直接过渡布置方式,如图6所示,通过研发带有大侧护板的特殊过渡液压支架,实现了由工作面机采高度至巷道支护高度的一次性过渡,单一工作面可多回收煤炭资源近40万t㊂图6㊀大采高工作面大梯度过渡布置方式Fig．6㊀Transition layout of large mining heightworking face with large gradient超大采高液压支架架型可分为两柱掩护式与四柱支撑掩护式两大类㊂针对传统观点认为四柱支撑掩护式液压支架具有 四平八稳 特点的认识,进行了超大采高液压支架合理架型结构研究㊂通过对比分析两种架型液压支架的结构力学特性[33],发现掩护式液压支架较支撑掩护式液压支架具有支护强度大㊁前后连杆受力状态好等优点,如图7所示(负值代表压应力),更适用于超大采高工作面㊂图7㊀大采高液压支架架型对比分析Fig．7㊀Comparison and analysis of shields withlarge mining height为了解决超大采高液压支架高强度结构钢的焊接及可靠性问题,提出了无重复预热自动焊接㊁多层多道焊等焊接工艺,研发了机器人焊接生产线,极大地提高了液压支架的焊接效率与成品率,保障了超大采高液压支架的高可靠性㊂针对超大采高工作面采高增加带来的液压支架稳定性差的问题,在单台液压支架稳定性控制的基础上,提出了超大采高工作面液压支架群组分布式协同控制策略[34],如图8所示,大幅提高了超大采高工作面支护系统与围岩的稳定性㊂图8㊀液压支架分布式群组协同控制逻辑Fig．8㊀Distributed group collaborative controllogic for hydraulic shields为解决超大采高工作面大断面巷道超前支护难题,通过分析巷道超前支护区域应力的分布特征(图9),提出了 低初撑㊁高工阻 与 非等强支护 的巷道超前支护理念㊂采用自动遥控式控制技术,实现了巷道超前支护区域的液压支架自动控制㊂。

创新之路Way of Innovation姜鹏飞：解决煤炭问题是最重要的事　吕腾波煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是最廉价的能源之一。

在我国，煤炭作为基础能源和重要的工业原料，为国民经济建设作出了巨大的历史性贡献，是国家能源安全、支撑工业生产和社会民生的重要战略物资。

虽然我国的煤炭储量非常丰富，但煤炭是不可再生资源，如何安全、高效、绿色、智能地开采煤炭，推动煤炭产业高质量发展，成为业界共同关注的热点和难点。

谁能率先找到突破口，谁就能在这场“战斗”中占据制高点。

作为全球唯一全产业链综合性煤炭科技创新型企业——中国煤炭科工集团有限公司——的一员，姜鹏飞自2008年加入之日起，就以强烈的使命感和责任感，以减少煤矿顶板灾害为己任，长期从事煤矿巷道围岩控制理论与技术开发研究。

经过十多年的创新实践，姜鹏飞已成为独当一面的团队“家长”，他和团队在煤矿巷道锚杆支护、井下综合应力场分布与演化、深部巷道围岩控制、巷道快速自动化掘进与支护及岩层区域水力压裂技术等多个方面取得了重要的研究成果，成为我国煤炭巷道支围岩控制研究领域的中坚力量。

2021年是姜鹏飞出任中煤科工开采研究院有限公司（天地科技开采设计事业部）科创中心副主任的第四年，也是中国煤炭行业处于安全、高效、绿色、智能发展的关键时期，姜鹏飞将继续坚守自己的“战场”，带领团队以满腔的热忱积极投身于深部巷道围岩控制、巷道快速自动化掘进与支护、岩层区域水力压裂卸压等行业共性关键技术攻关中，不惧艰辛，一往无前。

从偶然到热爱初出茅庐的煤炭新人如果要回顾姜鹏飞接触煤炭的契机，那应该是冥冥之中的安排，虽然中国矿业大学（北京）只是姜鹏飞的第三志愿，但他最终被这所大学录取，从此开启了他与煤炭不得不说的不解之缘。

起初，姜鹏飞对煤炭的了解还停留在：煤炭是我国工业的粮食、煤炭产量在世界位居前几位这样浅显的表面，但随着他进入大学，与学校里众多的煤炭科学家接触，就越发感觉到煤炭没有他想象中的那么简单。

复杂条件特厚煤层综放开采提高煤炭采出率技术摘要：本文研究了复杂条件下特厚煤层的开采技术，探讨了如何提升煤炭采出率。

首先，综述了提高煤炭采出率的关键因素，包括地质条件、工程技术和开采技术。

其次，研究了特厚煤层开采过程中复杂条件如何影响采出率及矿区安全稳定，并对相应技术措施提出了建议。

最后，通过工程实践与分析，总结了提升煤炭采出率的方法和技术，并建议了今后的研究方向。

关键词：特厚煤层；复杂条件；采出率；开采技术正文：一、引言随着煤炭资源开发的不断深入，复杂条件下特厚煤层的开采已经成为煤炭行业中非常重要的一个研究领域。

特厚煤层可以提供资源丰富的煤炭，但是由于复杂的地质条件，其采出率相对较低，因此提高采出率尤为重要。

本文将综述针对复杂条件下特厚煤层的开采技术，深入研究几个关键原因，并对针对特厚煤层的采出率提升技术提出建议。

二、分析复杂条件下特厚煤层采出率开采特厚煤层的采出率会随着地质条件、工程技术和开采技术的不同而变化。

1）地质条件：地质条件是影响特厚煤层可采出率的关键因素之一，特厚煤层的特征主要包括煤层厚度、煤层陷落程度、岩性结构特点等。

2）工程技术：另外，煤矿工程技术也是影响特厚煤层采出率的关键因素之一，特厚煤层开采的技术包括顶板处理、采掘工艺的选择、飞灰管理技术、煤炭分级技术、岩石处理技术、支护技术等。

3）开采技术：开采技术对特厚煤层采出率的影响也非常明显，特厚煤层开采的技术包括掘进技术、拆除技术、采掘机械技术、采掘工具技术、管理技术等。

三、提升特厚煤层采出率的技术1）顶板处理技术：顶板处理技术是特厚煤层采出率提升的关键，采用顶板处理技术可以提高采空区内的物料流动，改善采出率。

根据特厚煤层的地质条件，选择适当的顶板处理技术，能够有效提高采出率。

2）采掘工艺：采掘工艺是提高特厚煤层采出率的重要因素，选择适当的采掘工艺可以有效提高采出率。

常见的采掘工艺有大穴采掘、台形全空采掘、毛穴采掘、半采薄煤采掘等。