韩会军1，2，4，韩春福3，李明忠1，4，张金虎1，2，4，张 权3，曾明胜2，4
(1.煤炭科学研究总院开采分院，北京市朝阳区，100013；2.中煤科工开采研究有限公司，北京市朝阳区，100013；3.陕西陕煤曹家滩煤矿业有限公司，陕西省榆林市，719001；4.天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013)
摘 要 通过调研陕西陕煤曹家滩煤矿业有限公司2-2煤层赋存条件，探究了超大开采空间矿压显现规律及超高煤壁片帮特点，总结了超大采高综采工作面围岩控制关键技术，分析了超大采高综采工作面端头区支护特点，提出“大梯度+小台阶”端头区过渡模式，实现了综采工作面中部到两端头巷道6 m高差的短缓过渡及端头区三角煤高回收率支护；基于综采工作面智能化成套开采装备选型配套，研发了适应10 m超大采高综采工作面的成套开采装备，实现了超大开采空间安全防护、特厚煤层高效截割、超大运量煤流顺畅运输；搭建工作面“采-支-运”一体化智能协同作业控制系统及多源系统集成与数据融合分析平台，支撑10 m超大采高综采工作面安全高效开采。
关键词 10 m超大采高；厚及特厚煤层；开采技术及装备；智能化开采
煤炭安全高效开采对保障我国能源安全具有重要战略意义。我国厚及特厚煤层资源丰富，其储量及产量均占煤炭资源总量的45%左右，是国家主力开采煤层。目前厚及特厚煤层开采方法有分层开采、综放开采及一次采全高综采3种，其中一次采全高综采在开采效率、资源回收率及安全性方面具有明显的优势，因此在条件允许的情况下，增加开采高度是综采工作面实现安全高效开采的有效途径。经过近60年的引进、吸收、发展、创新[1]，伴随着对安全高效开采技术的不断追求，我国厚煤层一次截割高度逐步提升，山东能源兖矿能源集团股份有限公司金鸡滩煤矿(以下简称“金鸡滩煤矿”)8.2 m及国能神东煤炭集团有限责任公司上湾煤矿(以下简称“上湾煤矿”)8.8 m超大采高综采工作面单面产能超过千万吨，完成了8 m级超大采高综采技术及装备发展方向探索，但8 m以上超大采高开采面临的综采工作面围岩控制难度大、缺乏超高开采装备等难题，制约了超大采高开采的进一步发展。
2019年，陕西煤业化工集团与中国煤炭科工集团针对陕西陕煤曹家滩煤矿业有限公司(以下简称“曹家滩煤矿”)煤层赋存条件开展10 m超大采高综采关键技术与成套装备研究，力求通过开采技术及装备的创新升级，推动厚煤层安全高效开采的研发和应用。
榆神矿区是我国重要的能源基地，矿区内煤层赋存结构简单，厚及特厚煤层约占一半以上，对其开展安全高效开发，对加快释放优质产能有显著影响。曹家滩井田属于西部榆神矿区，主采2-2煤层，埋深255～338 m，可采煤层平均厚度为11.2 m，前期采用6.3 m超大采高综放开采。2-2煤层硬度基本在2以上，单轴抗压强度平均为23.89 MPa，抗拉强度平均为0.92 MPa。井田15%的面积存在伪顶，岩性以泥岩、砂质泥岩为主；直接顶岩性以薄层粉砂岩、细砂岩、中厚层砂质泥岩为主，属Ⅱ类中等稳定顶板，厚度一般2 m，最大厚度 8.33 m；基本顶岩性以厚层节理不发育的整体均质的粉砂岩、中粒砂岩为主，厚度为3.94～20.83 m，其中粉砂岩单轴抗压强度平均为31.37 MPa，砂岩单轴抗压强度平均为38.86 MPa。2-2煤层伪顶分布面积小、厚度薄，直接顶和基本顶稳定性中等，节理裂隙不发育。底板为粉砂岩或砂质泥岩，厚度为0.65～1.80 m，遇水易软化。矿山压力显现为明显强烈。
10 m超大采高综采工作面布置于12盘曲东翼122104综采工作面，该综采工作面范围内煤层平均埋深为318 m，无断层等地质构造，煤层赋存条件简单，顶板完整性较好，煤层近水平，平均煤厚约10.2 m。该综采工作面倾向长度约300 m，推进长度约6 000 m。煤巷断面为矩形断面，断面尺寸(宽×高)如下：主运输巷为7.5 m×5.2 m，辅运输巷为6.5 m×5.2 m，回风巷为6.5 m×5.2 m。
2.1.1 超大采高综采工作面矿压显现规律
分析现有榆神矿区金鸡滩煤矿、上湾煤矿等7.0～8.8 m超大采高开采现状可知，综采工作面呈现强矿压显现状态，周期来压步距短且动载效应强烈[2-4]。根据超大采高综采工作面顶板“悬臂梁+砌体梁”结构模型[5]，综采工作面采高增加，采空区充填不充分，关键块滑落或回转失稳空间增加，顶板结构动态破断造成工作面动载效应明显[6]。曹家滩煤矿首采122106综采工作面采用7 m 超大采高开采，初采期间由于煤层上覆基岩厚度大，综采工作面顶板出现大面积悬顶，根据开采期间矿压数据分析，该采区内存在多层厚硬顶板，来压状态沿工作面倾向有较强的同步性，存在明显的“大、小周期来压现象”，大周期来压期间，顶板压力动载系数达到1.6。
依据曹家滩煤矿122104综采工作面煤层赋存情况，搭建10 m超大采高综采相似模型实验平台，如图1所示。实验结果显示，直接顶基本随采随冒，但基本顶悬顶明显，尤其在开采初期，悬顶长度长，垮落波及高度大，且垮落后岩体相对较少，碎胀不足，老塘充填不充分，单次垮落规模大，造成周期来压期间的动压现象明显。
图1 10 m超大采高综采工作面相似模拟试验
2.1.2 超高煤壁片帮特点
在采动影响下，煤壁受到支承压力发生弹塑性变形，所受应力超过其强度极限发生拉裂破坏或剪切破坏。煤壁片帮受到煤层硬度、工作面构造发育、埋深及采高等影响，煤层硬度越低，越容易发生片帮；采高越大，煤壁裸露面积越大，片帮概率越大[7]。超大采高综采工作面煤壁与液压支架共同组成“π”型承载状态，支撑顶板悬臂梁结构，综采工作面液压支架对前端顶板的切顶能力及护帮机构能有效减小煤壁失稳，当煤壁与支架形成的耦合系统不足以维持煤壁完整，则煤壁发生破坏，且片帮位置多发生在煤壁的中上部，采高增加对支架支撑力及护帮力的需求越大[8]。超大采高综采工作面护帮板煤壁防护效果示意如图2所示。
图2 超大采高综采工作面护帮板煤壁防护效果示意
2.1.3 综采工作面液压支架强力支护
作为支护顶板、防护煤壁、隔绝采空区的采场支护装备，液压支架的支护能力是控制顶板下沉和煤壁片帮的关键。根据支架与围岩耦合关系[9-11]，液压支架工作阻力必须克服上覆岩层载荷，保证“工作面底板+液压支架+煤壁+直接顶板”组成的系统具有足够耦合刚度，以减缓顶板过早离层，基于此液压支架配置初撑力保持系统，确保支架具有足够的初撑力。为适应超大采高综采工作面顶板动载来压，支架需配置大流量安全阀，在顶板来压时及时卸荷，减少压力对支护装备的冲击影响。同时为减小煤壁所受支承压力，减小片帮概率，在不影响采煤机割煤的条件下，应减小支架前方空顶距离，液压支架配置大流量供液系统，提升支架跟机移架速度，使围岩支护具有快速的响应速度。超大采高综采工作面围岩支护系统组合刚度示意如图3所示。
图3 超大采高综采工作面围岩支护系统组合刚度示意
2.1.4 坚硬顶板区域性治理
122104综采工作面顶板具有较好的完整性，容易造成采空区顶板大面积悬顶，且为应对多层厚硬顶板可能造成的强来压现象，工作面采用长钻孔定向水力压裂技术对工作面上方多层厚硬岩组进行区域性治理，对采区范围进行压裂卸压，降低开采过程中形成的支承压力，主动弱化工作面采空区垮落冲击烈度，为超大采高综采工作面创造有利的应力环境。压裂关键层位的选择直接决定压裂改造的效果。根据相邻工作面微震监测结果分析，工作面顶板大周期来压引发多个层位发生大能量事件[12]，其在中高位厚硬岩层集中分布特征明显，主要分布在50～80 m范围内，综合原位测试结果，确定在15、35、55 m这3个基本层位实施联合压裂。压裂后122014综采工作面初次来压步距缩小到 49.3 m，相比邻近122106、122108工作面初次来压步距减小约100 m，顶板来压动载系数由1.66降低到1.40，为10 m超大采高围岩稳定控制提供了良好的支撑。长钻孔定向水力压裂示意如图4所示。
图4 长钻孔定向水力压裂示意
2.1.5 矿压监测预警与支架工况管理
在综采工作面回采过程中，借助微震监测系统和顶板灾害智能监测预警系统，对顶板灾害实施近、远场协同监测预警，通过加强矿压监测分析和预警，及时发现灾害征兆；加强工作面支护质量管理与顶板日常管理，提高支架初撑力，保障支架工况良好。
2.1.6 综采工作面快速推进
提升综采工作面推进效率，尽量在顶板离层前完成采煤机截割作业，并将液压支架支撑作用点前移，使综采工作面单次推进循环内的上覆岩层下沉量减小[13]，减轻综采工作面超前支承压力对作业空间的影响。加快综采工作面推进速度的前提是开采装备具有足够的适应性和可靠性，以应对高强度开采进程。
2.2.1 综采工作面开采成套装备技术参数
图5 综采工作面装备系统性选型配套示意
2.2.2 端头及超前区域支护
端头区域是煤机装备及作业人员的集中区域，需要严密的支护保证作业空间安全。10 m超大采高综采工作面运输巷和回风巷高度为5.2 m，与综采工作面高度存在约4.8 m的高度差，采用普通过渡方式，采高由综采工作面中部约10 m逐渐过渡到5.2 m，过渡过程将有24架支架参与高度降低，该区域将损失三角煤102.8万t。采用常规超大采高垂直过渡方式[14]，4.8 m高度差意味着过渡支架需要有超过4.8 m的高侧护板，但如此大的侧护板一方面不利于支架运输，另一方面在安装工作面时，要求开切眼具有足够高度，给开切眼的掘进及支护带来极大困难。本项目采用“大梯度+小台阶”综合过渡方式，通过5架支架逐步过渡到9 m，再设置9 m高大梯度过渡支架，实现10 m超大采高综采工作面顺利过渡及端头区域安全支护。不同过渡方式对比如图6所示。
图6 不同过渡方式对比
超大采高综采工作面采用机轨合一的布置方式，设备列车布置于运输巷内，运输巷宽度为7.5 m，回风巷断面宽度为6.5 m。工作面巷道超前段为支承压力高压区[15]，为减少巷道变形，超前支护采用2列迈步式超前支架组。运输巷内在破碎机前、后部分别布置1组超前支架组，超前支护长度约25 m。回风巷采用双排立柱全封闭式超前支架，2架一组，共设置6组，支护长度约45 m。回风巷全封闭式超前支架支护示意如图7所示。
图7 回风巷全封闭式超前支架支护示意
2.2.3 大块煤破碎技术
超大采高综采工作面在开采过程中存在大块煤堵塞煤流过煤空间，且给煤流运输带来额外负担，因此在煤流运输过程中设置大块煤破碎系统非常必要[16-18]。10 m综采工作面在煤流运输关键节点如转载机段及带式输送机机头分别安装锤式破碎机及辊式破碎机，针对超大采高特点，开发了摇臂式液压冲击破碎装置，分别安装在第15号支架底座及刮板输送机卸载点，用于煤流进入转载机前的预破碎，防止大块煤在刮板输送机卸载点处形成淤塞，影响煤流运输效率，全煤流运输形成多级破碎系统，保障煤流运输通畅。刮板输送机卸载点摇臂式液压冲击破碎装置如图8所示。
图8 刮板输送机卸载点摇臂式液压冲击破碎装置
我国煤机装备研制经过多年的快速发展，取得了大量国际领先的先进成果，但现有装备技术参数及性能无法满足10 m特厚煤层一次采全高高效开采需求，针对曹家滩煤矿超大采高开采，研制出世界首套10 m超大采高综采成套开采装备，并成功完成地面联合试运转。
综采工作面最大割煤高度达到10 m，采煤机面临着整机稳定性、大仰角长摇臂润滑冷却等关键问题。MG1200/3350-GWD型采煤机通过先进的高性能材料、研发手段及加工工艺研究，采用调高油缸下置式布置，在保证调高范围的同时，有效降低机面高度及机身重心，与机身高强度紧固技术配合，有效提升整机稳定性。轻量化滚筒采用高强度低密度材料，设计变厚度连接盘及减重孔，在易磨损区域加焊碳化钨材料以增强耐磨性。大仰角长摇臂采用高速腔、惰轮腔、行星腔隔封设计，三腔分别润滑，可靠性高、系统发热量小、润滑效果良好。整机集成了大承载牵引结构、201节距鼓形齿轨轮创新性研发，实现首台10 m超大采高重载截割采煤机研发。MG1200/3350-GWD型超大采高采煤机示意如图9所示。
图9 MG1200/3350-GWD型超大采高采煤机示意
倾角仪、高精度编码器等感知原件搭建采煤机高精度姿态定位系统，通过无线传感器实时监测摇臂油温、油位、油质、振动数据，实现摇臂、牵引部监测及状态分析。在采煤机机身外置5G CPE终端设备，采用机载5G无线通讯和有线数据(CAN总线、光纤、宽带载波)相融合的数据冗余通信方式，大幅提高采煤机通信系统的可靠性。根据不同工艺段的滚筒高度、牵引速度、牵引方向、折返点等信息下发控制指令，指导采煤机规划截割，最终实现10 m超大采高采煤机多态融合智能控制，助力10 m特厚煤层高效开采。
为保障超大采高液压支架支护质量，10 m液压支架配套了完善的工况监测系统，由矿用无线微功耗倾角传感器、矿用无线微功耗压力传感器、矿用无线显示终端等部件组成，基于标准协议与工作面集控系统对接，实现支架压力、姿态、釆高等数据采集、处理及分析，除具备常用的四连杆位姿测量功能外，通过立柱工作阻力、平衡千斤顶阻力参数推算液压支架顶梁的承载状态，指导液压支架及时调整工作状态，实现支架与围岩的自适应耦合支护。
通过研发复合框架重型中部槽及其千兆级槽帮材料保障刮板输送机中部槽的可靠性。研发准渐开线内凹球面齿形牵引轮，实现自对中，减少销排的横向受力、提高传动效率。通过创新链条张力管理技术，实现链条张紧力的敏捷动态调节，成套装备输送能力为8 000 t/h以上、总装机功率为8 400 kW、满足10 m超大采高综采工作面高效生产煤流运输的需求。针对超大采高综采工作面输送机重载启动困难、运输负载不均衡等难题，研发了慢变动力特性启动方法及煤量分布模型的刮板机智能控制方法，按照启动速度将启动过程分为初启动、匀速调整、加速运动及匀速运动过程4个阶段，运行过程中对工作面输送装备进行综合负载分析，提升驱动系统效率，降低运行能耗。慢变动力特性启动速度变化曲线如图11所示。
图11 慢变动力特性启动速度变化曲线
针对10 m超大采高综采工作面开采空间大、装备自重大、装备群姿态调整控制难等问题，采用5G无线通信与有线通信融合的数据冗余通信技术，实现设备数据的接入、监测、分析及预警；围绕集中控制中心[21]，开展工作面“围岩-装备”系统运行态势融合分析，创新开发以快速推进为目标、动载影响为约束的工作面“采-支- 运”一体化智能协同作业工艺，集采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、泵站等系统与其监测通信于一体，研发开采装备群一体化智能协同作业控制系统，以实现融合工作面围岩控制质量监测、采煤机自主规划截割、输送机智能调控的超大采高综采工作面装备群智能协同推进，形成高效的超大采高综采工作面智能化控制系统，保障工作面的安全、高效、智能生产。综采工作面智能化开采控制系统架构如图12所示。
图12 综采工作面智能化开采控制系统架构
为确保10 m超大采高成套开采装备协同运行综采工作面的安全高效生产，开发了多源系统集成与数据融合分析平台，该平台集成了综采工作面设备故障诊断系统、截割预警系统、矿压监测系统、微震监测系统、覆岩移动监测系统、矿井水文监测系统等分系统功能，通过三维可视化综采工作面看板实时反馈开采进程及装备工况，通过跨专业数据采集及融合分析，为综采工作面智能化开采提供了有效的技术支撑。多源系统集成与数据融合分析平台架构如图13所示。
图13 多源系统集成与数据融合分析平台架构
10 m超大采高智能化开采技术及装备的研发将为我国煤炭安全、高效开发提供可靠的技术支撑，推动世界煤炭资源开采技术进入新的发展阶段。
(1)10 m超大采高综采工作面采出空间大，直接顶充填采空区不充分，造成综采工作面顶板动载强烈，且超高煤壁暴露面积增加，容易发生煤壁片帮。通过优化液压支架结构及技术参数，使支架提供充足的覆岩支撑力及煤壁防护力，是开采作业空间安全防护的必要条件。通过对关键岩层进行压裂改性及配置顶板灾害智能监测预警，有助于超大开采空间的围岩稳定性控制。
(2)采用成套装备系统化设计思路开展综采工作面开采装备的配套研发，更有利于装备间时空配合关系的推理及验证。超大采高综采工作面端头区域采用“大梯度+小台阶”的过渡方式，能在提升三角煤回收率的基础上提供更好的顶板支护方案；在综采工作面运输系统中设置多级破碎装置，有助于工作面煤流顺利运输。
(3)通过高效的通信网络，串联精准的环境及工况感知、中心决策、机构动作控制，实现“采-支-运”一体化智能协同作业是智能化开采的关键，综采工作面多源系统集成与数据融合分析可以为推动能源行业低碳转型、响应智慧能源建设规划创造有利条件。
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HAN Huijun1,2,4, HAN Chunfu3, LI Mingzhong1,4, ZHANG Jinhu1,2,4, ZHANG Quan3, ZENG Mingsheng2,4
Abstract Based on the investigation of the occurrence conditions of 2-2 coal seam in Shaanxi Shanmei Caojiatan Mining Co., Ltd., the strata behavior law in super large mining space and the characteristics of super high coal wall fall were explored, the key technologies for surrounding rock control of fully mechanized mining face with super large mining height were summarized, the support characteristics of the end zone of the working face were analyzed, and the end zone transition mode with large gradient and small step was put forward, achieving short and gentle transition with a 6 m height difference from the middle of the working face to both end roadways, as well as end zone support with high recovery of triangular coal. Based on the selection and matching of intelligent mining equipment for fully mechanized mining face, a complete set of mining equipment suitable for working face with 10 m super high mining height has been developed, achieving safety protection for super large mining space, efficient cutting of super thick coal seams, and smooth transportation of super large coal flow. An integrated intelligent collaborative operation control system with mining, supporting and transportation in the working face was built, as well as a multi-source system integration and data fusion analysis platform, supporting the safe and efficient mining of fully mechanized mining face with 10 m super large mining height.
Keywords 10 m super high mining height; thick and extra-thick coal seam; mining technology and equipment; intelligent mining
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基金项目：国家重点研发计划(2023YFC2907503)；中煤科工开采研究院有限公司科技创新基金重点基金(KCYJY-2023-ZD-01)；天地科技创新创业资金专项项目(2021-TD-ZD003)