當(dāng)前，增加工作面機(jī)采高度與開采長度，成為我國煤炭資源賦存條件較好的大型煤礦提效擴(kuò)產(chǎn)增安的有效方法，是煤礦開采技術(shù)發(fā)展的重要方向。
近年來，中國煤炭科工集團(tuán)開采研究院裝備分院完成了一系列井工煤礦工作面加長、加高代表性項(xiàng)目，如陜煤集團(tuán)小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司450米智能化超長工作面、榆林市神樹畔礦業(yè)投資公司7.2米超大采高綜放工作面等項(xiàng)目。
工作面加長加高成發(fā)展趨勢
自1974年引入綜采技術(shù)以來，我國煤炭開采理論與技術(shù)裝備不斷創(chuàng)新發(fā)展，尤其是近10年來采高不斷突破紀(jì)錄，開采效率得到有效提升。
2007年，國家能源集團(tuán)神東煤炭公司上灣煤礦建成6.3米大采高工作面，年產(chǎn)量突破1000萬噸；2010年，神東煤炭公司補(bǔ)連塔煤礦建成7.0米大采高工作面，年產(chǎn)量突破1200萬噸；2016年，山東能源集團(tuán)兗礦能源金雞灘煤礦建成8.2米大采高工作面，年產(chǎn)量突破1500萬噸；2019年，上灣煤礦建成8.8米大采高工作面，年產(chǎn)量突破1600萬噸等。
目前，國內(nèi)8米以上煤層主要采用超大采高一次采全高和綜放開采方式，最大一次截割高度達(dá)10米。超高工作面礦壓理論、圍巖控制技術(shù)、裝備研制等方面取得較大進(jìn)展，智能控制技術(shù)與系統(tǒng)取得突破。國內(nèi)中厚煤層工作面長度達(dá)到450米，年產(chǎn)量達(dá)千萬噸。超長分區(qū)支護(hù)、裝備研發(fā)、智能協(xié)同控制等技術(shù)取得較大進(jìn)展，開采工藝逐漸完善，超長運(yùn)輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破。
從國外看，2024年，美國28個(gè)在產(chǎn)工作面中，有13個(gè)工作面產(chǎn)量超過500萬噸；最長的工作面481.6米，最大寬度達(dá)到1580英尺。2024年，澳大利亞共有27個(gè)長壁開采工作面，其中26個(gè)工作面在產(chǎn)，15個(gè)工作面年產(chǎn)量超500萬噸；工作面長度為300米至450米，實(shí)現(xiàn)面內(nèi)無人開采。
目前，國內(nèi)采煤工作面普遍面臨地質(zhì)條件趨于復(fù)雜、淺層煤炭資源逐漸枯竭和埋深逐漸增加等難題。薄煤層與急傾斜煤層機(jī)械化開采難度大，設(shè)備適應(yīng)性不強(qiáng)；部分關(guān)鍵核心部件及材料依賴進(jìn)口，采—運(yùn)—支系統(tǒng)協(xié)同性弱，端頭支護(hù)效率低，制約推進(jìn)速度，亟需開采工藝與技術(shù)創(chuàng)新。
同時(shí)，國內(nèi)采煤工作面呈現(xiàn)一些新的發(fā)展趨勢。技術(shù)升級方面，工作面加長加高、充填開采、保水開采等綠色開采技術(shù)得到應(yīng)用。裝備研發(fā)方面，研發(fā)出高工阻、高穩(wěn)定性支護(hù)裝備，超長運(yùn)距智能新型刮板輸送設(shè)備和智能化高可靠快速截割采煤機(jī)等高可靠性裝備。智能化建設(shè)方面，應(yīng)用遠(yuǎn)程自動化控制、感知與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。探索少人化或無人化方面，應(yīng)用機(jī)器人、裝備智能協(xié)同控制、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合等技術(shù)。
有利于產(chǎn)能提高和降本增效
工作面加長有何優(yōu)勢？煤炭資源賦存條件較好的礦區(qū)加長工作面，是產(chǎn)能提高、降本增效的必然要求。
加長工作面有助于實(shí)現(xiàn)“一礦一面”生產(chǎn)，減少巷道掘進(jìn)量和搬家倒面次數(shù)，提高管理效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，加長工作面可使工作面數(shù)量、煤柱和巷道減少約40%至50%，采煤機(jī)直線段高速截割比率提高30%。
裝備分院主導(dǎo)設(shè)計(jì)的400米以上超長工作面部分案例，都取得了巨大成功。中厚煤層中，陜煤集團(tuán)小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司二號煤礦采高2.54米、工作面長450米；山東能源集團(tuán)兗礦能源轉(zhuǎn)龍灣煤礦采高2.6米、工作面長450米。厚煤層中，兗礦能源石拉烏素煤礦采高3.7米、工作面長400米；陜西延長石油礦業(yè)集團(tuán)巴拉素煤礦采高4米、工作面長400米；陜煤集團(tuán)小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司一號煤礦采高6米、工作面長400米。
以小保當(dāng)?shù)V業(yè)公司二號煤礦450米超長工作面為例。該工作面應(yīng)用1臺采煤機(jī)、216架液壓支架、1臺刮板輸送機(jī)，研發(fā)應(yīng)用了國產(chǎn)化“支—采—運(yùn)”高端裝備。該工作面創(chuàng)造了單面日產(chǎn)量5.2萬噸、月產(chǎn)量120萬噸，全年產(chǎn)量達(dá)1000萬噸的行業(yè)紀(jì)錄。
陜西延長石油礦業(yè)集團(tuán)可可蓋煤礦厚煤層超大開采空間綜采工作面，是全國首個(gè)富水含水層下厚煤層超大開采空間400米超長工作面。該工作面平均采高5.65米，平均每天割煤18刀，日產(chǎn)量穩(wěn)定在4.8萬噸以上，單面具備年產(chǎn)1500萬噸能力。
加高工作面有何優(yōu)勢？煤層厚度大、賦存穩(wěn)定的煤層采高增加，是提升單產(chǎn)水平、實(shí)現(xiàn)集約化生產(chǎn)的重要途徑。一次采全高，可減少分層開采次數(shù)和放頂煤損失，提高資源回收率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，加高工作面回采率可提升10%至15%，相比分層開采可減少工作面數(shù)量及搬家倒面次數(shù)，巷道維護(hù)成本降低30%至40%。
上灣煤礦8.8米大采高工作面配套1臺采煤機(jī)、128架中部液壓支架、1臺刮板輸送機(jī)。該礦12401綜采工作面和12402綜采工作面累計(jì)產(chǎn)量約2200萬噸；特厚煤層一次采全高8.8米，最高日產(chǎn)量5.84萬噸，最高月產(chǎn)量146萬噸。
仍然面臨一些技術(shù)難題
采煤工作面加長雖是提高單產(chǎn)的重要手段，但實(shí)際應(yīng)用中受到技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)等方面制約，如容易造成頂板壓力多點(diǎn)集中，來壓規(guī)律不清，裝備能力與協(xié)同控制困難，通風(fēng)降塵安全難度增加，易堵煤、煤壁片幫嚴(yán)重、頂板控制困難等。
采煤工作面加長需要解決一些技術(shù)難題，如揭示超長工作面全覆巖頂板運(yùn)移規(guī)律、確定超長工作面頂板支護(hù)強(qiáng)度與快速跟機(jī)參數(shù)、探究超長工作面水平應(yīng)力產(chǎn)生與破壞影響機(jī)理、合理優(yōu)化超長工作面參數(shù)及布置方式、研究超長工作面“高能積比”配套模式、開展超長工作面超前“運(yùn)—支”一體化研究等。
針對采煤工作面加長面臨的難題，裝備分院科研團(tuán)隊(duì)開展了一系列研究，并取得了一些研究成果。
裝備分院科研團(tuán)隊(duì)揭示了工作面支護(hù)應(yīng)力三峰值M型分布規(guī)律，建立了基于熵權(quán)的開采強(qiáng)度評價(jià)模型，可科學(xué)量化特定賦存條件厚煤層開采強(qiáng)度，進(jìn)而判定超長工作面傾角、長度、采高、埋深等參數(shù)的影響規(guī)律；基于逐步逼近原理，求解出極限開采強(qiáng)度下超長工作面長度和推進(jìn)速度；利用超長工作面斜長參數(shù)綜合評價(jià)方法，基于AHP多因素層次分析法，圍繞地質(zhì)條件等8個(gè)方面因素展開研究，最終可確定工作面參數(shù)及布置方式。
裝備分院科研團(tuán)隊(duì)揭示了綜采工作面長度與開采效率、煤炭損失的定量關(guān)系，研發(fā)了中厚煤層“高能積比”配套模式，能積比（單位體積或空間內(nèi)的能量存儲與轉(zhuǎn)換效率）提高3倍以上；明確采煤機(jī)機(jī)身高度最小化、裝機(jī)效率最大化、牽引速度高速化、高可靠性運(yùn)轉(zhuǎn)常態(tài)化“四化”，降低液壓支架最低高度、頂梁厚度和操作強(qiáng)度和增加液壓支架最大高度、支架工阻和過機(jī)空間“三降三增”以及刮板輸送機(jī)低矮槽幫等配套原則，可全面解決中厚煤層過煤空間、裝煤效果與臥底量等方面存在的問題。
裝備分院科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了超長工作面與超前支護(hù)多系統(tǒng)協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)、超前支護(hù)多系統(tǒng)協(xié)同控制裝置；研發(fā)了分布式敏捷供液裝置，進(jìn)行了液壓系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了快速跟機(jī)移架；研發(fā)了增容緩沖能量耗散型抗沖擊立柱，研制了高強(qiáng)度輸送機(jī)鏈條與輕量化刮板，提升了抗拉強(qiáng)度等。
采煤工作面加高同樣受制于一些條件，比如現(xiàn)有裝備開采高度低，無法支撐煤層大厚度；裝機(jī)功率小，無法支撐開采高強(qiáng)度；支護(hù)強(qiáng)度低，無法支撐礦壓大波動；系統(tǒng)協(xié)同差，無法支撐多系統(tǒng)協(xié)同推進(jìn)。
隨著采高增加，上覆巖層大范圍運(yùn)移破壞，超大空間、超強(qiáng)礦壓、超高煤壁給圍巖穩(wěn)定控制帶來極大難度；超大采高開采形成的超大空間、超高煤壁引發(fā)強(qiáng)動載沖擊，導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)，片幫冒頂難控制；工作面與巷道存在大梯度落差，現(xiàn)有裝備無法滿足連續(xù)開采高可靠性、高適應(yīng)性和系統(tǒng)協(xié)同推進(jìn)的要求。
針對采煤工作面加高面臨的難題，裝備分院科研團(tuán)隊(duì)建立了超大采高裝備與圍巖動力學(xué)模型，揭示了超大采高液壓支架與圍巖的作用關(guān)系；研究了超大采高液壓支架載荷動態(tài)仿真變化，提出了液壓支架三維動態(tài)優(yōu)化方法，突破了液壓支架“被動承載”工作阻力單因素的傳統(tǒng)方法，液壓支架壽命由1.5萬次工作循環(huán)增加到6萬次工作循環(huán)以上。
裝備分院科研團(tuán)隊(duì)制定了端頭“大梯度+小臺階”短緩過渡配套方案，解決了超大采高工作面端頭區(qū)存在的大落差空間下圍巖支護(hù)及三角煤損失核心問題，實(shí)現(xiàn)了超大采高工作面連續(xù)作業(yè)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“雙層伸縮梁+三級護(hù)幫板”結(jié)構(gòu)型式，提高了支架護(hù)幫護(hù)頂能力；研發(fā)出630毫米大缸徑抗沖擊立柱、每分鐘1000升超大流量底閥，滿足了立柱升降要求。
裝備分院科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了支護(hù)、運(yùn)輸裝備時(shí)序控制程序，研發(fā)了自移機(jī)尾控制、融合超前支護(hù)裝備調(diào)偏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超前支護(hù)裝備與工作面間的同步推移；創(chuàng)建了超大采高工作面成套開采裝備系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了裝備群三維虛擬化數(shù)字孿生協(xié)同配套平臺，避免了工作面運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)備間相互制約，最大程度發(fā)揮了裝備性能。
總體來看，液壓支架是決定采煤工作面加長加高開采是否可行的核心裝備。液壓支架設(shè)計(jì)受到原材料強(qiáng)度、配套設(shè)計(jì)參數(shù)等制約。液壓支架的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于液壓支架中心距，中心距越寬，支護(hù)強(qiáng)度越大。
采煤工作面加長加高是一個(gè)動態(tài)發(fā)展的過程，符合開采效率發(fā)展趨勢。我們要在目前的開采場景上繼續(xù)提升工作面推進(jìn)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高開采質(zhì)量。
（作者系中國煤炭科工集團(tuán)開采研究院裝備分院院長）
來源：中國煤炭報(bào)