煤矿高效开采技术与装备的最新发展_王国法.pdf

书书书 综综述述 煤矿高效开采技术与装备的最新发展 王国法1， 2，张金虎1， 2 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013; 2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013 ［ 摘 要］介绍了国外煤炭高效开采技术与装备的发展概况，系统总结了近年来我国在智能化 开采、超大采高、大采高和超大采高综放等方面取得的重大技术突破;介绍了实现 0. 6～1. 3m 薄煤 层、中厚煤层智能化高效开采的技术途径及效果; 剖析了 6～8m，8～20m 特厚煤层一次采全厚开采技 术难题，介绍了超大采高综采及综放关键技术及装备。 ［ 关键词］高效开采; 智能化; 超大采高综放 ［ 中图分类号］ TD35［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201801- 0001- 04 Recent Development of Coal Mine Highly Effective Mining Technology and Equipment WANG Guo- fa1， 2，ZHANG Jin- hu1， 2 1. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China Abstract It illustrated development situation of coal highly effective mining technology and equipment of foreign，and systematically summarized important technological breakthrough for intelligent mining，super large mining height，large mining height and super large mining height fully mechanized coal caving mining and so on，and also introduced intelligent highly effective mining technology and it’ s effect of thin and medium- thickness coal seam，which coal seam thickness was 0. 6～ 1. 3m，also introduced the mining difficulty technology than one pass cutting coal mining in extra thickness coal seam，which coal seam thickness was 6～8m，8～20m，the key technology and equipment of fully mechanized mining and fully mechanized top coal caving with super large mining height. Key words highly effective mining; intelligent; fully mechanized top coal caving with super large mining height ［收稿日期］ 2017－11－11［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 01. 001 ［基金项目］ 国家重点研发计划资助项目 2017YFC0804305，08，09 ; 国家自然科学基金资助项目 51704157 ［ 作者简介］ 王国法 1960－ ，男，山东文登人，研究员，中国工程院院士，中国煤炭科工集团 煤炭科学研究总院首席科学家，从事 煤炭高效综采理论技术与装备体系研究工作。 ［ 引用格式］ 王国法，张金虎 . 煤矿高效开采技术与装备的最新发展 ［J］． 煤矿开采，2018，23 1 1－4，12. 近年来，煤炭产业转型发展和技术创新速度加 快，煤炭开采向集约化、高端化和智能化转变， “十二五”时期，年产千万吨级综采成套设备实现 国产化，千万吨级煤矿数量和产量分别达到 53 处 和 0. 73Gt，大型煤炭基地成为煤炭供应的主体。 煤炭高效开采技术与装备创新取得系列重大进展， 智能综采技术达到国际先进水平 ［1 ］，世界首套最 大采高 8. 2m 超大采高综采和 20m 特厚煤层综放关 键技术与装备达到国际领先水平，薄煤层和大倾角 等复杂难采煤层综采技术装备取得新突破，综采成 套装备出口到欧美澳等世界主要产煤国家 ［2－6 ］。 1国外煤炭高效开采技术和装备的新发展 1. 1国外高效开采技术与装备发展概况 1990 年，德国推出电液控制自动化系统; 2001 年，澳大利亚开始实施 Landmark 项目; 2006 年，美国 JOY 公司应用虚拟采矿技术方案。近年 来，澳大利亚 CSIRO、美国 JOY、德国 RGA 等又 推出基于惯性导航的采煤机定位技术、防碰撞、煤 流负荷匹配、高效截割等更高等级的智能化综采技 术。 1. 2国外煤机装备最新发展 国际煤机装备制造商持续兼并重组，形成了美 国 CATERPILIAR 和德国 EICKHOFF 等高端设备制 造商。其在采煤机、大型露天开采设备方面依然保 持着优势 ［7 ］。 1. 3国外长壁综采发展现状 随着装备能力的提高和稳定性、可靠性的提 升，矿井开拓向超长工作面、超长走向长度发展， 美国长壁工作面平均长度 376. 7m，平均推进距离 3756m，平均截深约 1m。截至 2016 年底有 13 个长 壁工作面长度不小于 457. 2m 1500ft ，最大走向 长度 7900m，Contura Energy 公司开采的 Pittsburgh- No. 8 煤层，工作面长度 481. 58m 1580ft ，采高 1. 98～2. 13m［8 ］。 以澳大利亚 LASC 为代表的工作面自动化系 1 第 23 卷 第 1 期 总第 140 期 2018 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 1 Series No. 140 February2018 ChaoXing 统，基于高精度光纤陀螺仪为主的三维精确定位技 术，实现了采煤机自动控制、工作面自动矫直等功 能，目前，澳大利亚 60以上的综采工作面使用 了工作面矫直系统。2017 年兖矿集团在国内首次 采用 LASC 技术实现工作面自动矫直，为 3～4m 中 厚煤层年产千万吨提供了可靠保障 ［9 ］。 2我国智能化开采技术与装备研发的新进展 2. 1综采智能化成套装备 智能化开采是煤炭行业升级发展的内在需求， 更是经济社会现代化的必然要求。2007 年首套可 替代进口的国产液压支架电液控制研发成功，为国 产自动化、智能化综采装备研发打下重要基础。通 过国家智能制造装备发展专项 “煤炭综采成套装 备智能系统”的攻关，建立了以成套装备总控制 网络为主，单机装备为执行机构的体系结构，改变 了以单机装备为主、总体协调的研发思路，实现了 具有感知和层级控制的智能化成套系统。该系统包 括由采煤机智能控制、液压支架与围岩智能耦合电 液控制、刮板输送机智能软启动及调速等单机智能 化控制系统，并基于单机控制系统信息互通共享和 协调决策的综采工作面井下智能化集控中心，实现 工作面设备运行参数的自动调整，实现综采工作面 的远程遥控和自动化生产。 2. 2薄煤层智能化开采 薄煤层工作面受限于工作空间狭小，大功率设 备布置、人工操作及实现开采过程自动化难度高， 国外综采装备仅适应 1. 5m 以上煤层。针对 0. 6 ～ 1. 3m 薄煤层工作面狭小空间与大功率装备、设备 高可靠性与高适应范围及薄煤层与高产量、高效率 之间的矛盾，采煤机采用双截割电机并行布置，降 低机面高度，实现薄煤层采煤机矮机身、强截割能 力和高功率，提高对硬煤、夹矸等恶劣赋存条件的 适应性; 根据煤层厚度变化要求，创新双连杆双平 衡千斤顶叠位布置、板式整体顶梁等新结构，实现 支架 0. 5～1. 4m 超大伸缩比; 发明了薄煤层支架群 组自组织有序协调自适应控制全自动化割煤和犁式 装煤新工艺，实现工作面设备的自适应控制 图 1 ，改善薄煤层装煤效果，使采高适应范围提高 了 50，满足了小尺寸、大功率和大适应范围的 要求。研发的 0. 6～1. 3m 复杂薄煤层自动化综采成 套技术与装备在河北峰峰集团等矿区成功应用，解 决了薄煤层制约煤矿协调开发的难题，项目成果获 得 2013 年国家科技进步二等奖 ［10 ］。 图 1薄煤层综采工作面自适应控制系统 2. 3中厚煤层智能化开采 黄陵煤业集团与天地科技股份有限公司合作， 在黄陵一号煤矿 1. 4～2. 2m 中厚较薄煤层成功实施 了首个智能化无人工作面，2016 年又针对 1. 8 ～ 2. 8m 中厚煤层，设计研发了升级版智能化无人开 采工作面系统集成配套方案 2. 0。通过工作面高清 视频监视、煤流负荷智能控制等 12 个子系统构成 工作面智能化控制系统，并与矿压监测系统、主煤 流控制系统、环境监测系统等实现联动控制及闭锁 图 2 。实现了工作面自动找直、煤流负荷平衡监 控和工作面环境安全监测联动控制。基于液压支架 高精度推移行程传感器和自动化系统 “自动找直” 命令，通过设立基准支架确定标准位置，定量修正 补偿，实现了工作面的自动找直 图 3 ;建立了 液压支架与采煤机、刮板输送机联动模型，实现了 液压支架 “降－移－升－推”及采煤机割煤和刮板输 送机推移自动协调控制; 基于煤量监测及电机有效 作功综合分析，通过变频调速实现采运协调、煤流 负荷智能调控; 基于 “避锚护顶微扰动” 、 “峰值 助力强支护”原则研发端头、超前支护装备及控 制系统，使巷道内成套装备及工作面成套装备全部 实现智能化的协同控制，采场真正实现了全部的自 动化和智能化开采。 黄陵一号煤矿为我国智能化开采做了开创性的 2 总第 140 期煤矿开采2018 年第 1 期 ChaoXing 图 2黄陵中厚煤层工作面智能化控制系统组成结构 图 3工作面自动找直流程示意 实践，实现了方案设计、装备研制、系统应用全过 程的国产化，实现了常态化 “无人操作、有人巡 视”的智能化无人开采，该项目获得 2016 年中国 工业大奖 ［11－12 ］。 3超大采高综采技术与装备的新发展 2005 年开始，我国启动高端综采技术装备国 产化项目，研制的 6Mt/a 大采高综采成套技术与装 备采高达到 6m，并完全取代进口，奠定了高端综 采装备国产化基础。2006 年，首次提出了 7m 超大 采高综采技术与装备方案，并成功进行了研发和实 践。目前，机采高度为 6～7m 的超大采高综采技术 与装备已经广泛应用。 为解决西部大型煤炭基地 8m 左右厚煤层高效 高采出率开采难题，2015 年起，兖矿集团与天地 科技股份有限公司等合作，进行了 8. 2m 超大采高 综采成套技术与装备研发，攻克了超大采高工作面 超大空间、超强矿压、超高煤壁、强扰动岩层运动 导致的围岩控制、液压支架高动压敏感结构特有的 服役特性及失效机理、超大煤量自适应运输及大块 煤破碎、装备系统协调运行及高效高回采率开采等 四大难题，发明超大采高液压支架新结构和提高稳 定性技术，解决液压支架大尺度、高动压敏感结构 稳定性和可靠性难题。发明基于能量耗散原理的大 缸径抗冲击立柱适应超大采出空间、强矿压、强冲 击要求; 发明智能耦合伸缩梁与护帮板分离的三级 协动护帮装置 图 4满足超高煤壁稳定性防控; 发明微隙准刚性四连杆稳定机构提高超大采高支架 稳定性; 发明超大采高工作面 “大梯度小台阶” 短缓过渡配套方式 图 5 ，实现由工作面中部 8. 0m到上、下两端头巷道 4. 5m的直接过 渡，解决了工作面端头三角煤损失问题; 创新研制 大流量电液控制实现快速移架系统。研制出了世界 首套 8. 2m 超大采高综采装备，在金鸡滩煤矿成功 应用，达到日产 61. 6kt，月产 1. 53Mt 以上水平， 具备了年产 20Mt 能力。项目获得 2017 年度中国煤 炭工业协会科学技术奖一等奖 ［13－14 ］。 图 4液压支架三级协动护帮机构 4大采高和超大采高综放技术与装备的新发展 4. 1大采高综放开采 “十一五”期间，针对 15～20m 特厚煤层开采 难题，提出了特厚煤层大采高综放成套技术与装备 3 王国法等 煤矿高效开采技术与装备的最新发展2018 年第 1 期 ChaoXing 图 5大梯度小台阶短缓过渡配套方式 研发，被列入 “十一五”国家科技支撑重大项目， 研发了 ZF15000/28/52 型大采高综放液压支架，解 决了特厚煤层超大空间、超高煤壁、超厚顶煤开采 技术难题，实现塔山煤矿 20m 特厚煤层一次高效 综放开采，其成果广泛推广应用。 4. 2智能化综放开采 2003～2006 年，天地科技与兖矿集团合作研发 了首套两柱式放顶煤液压支架及自动化放煤技术， 并成功在澳大利亚澳斯达煤矿实施综放开采，开发 了世界首套放顶煤液压支架电液控制系统和综放工 作面自动化控制系统。研发了综放工作面支架自动 跟机移架、前后部运输机及转载机的自动推移、自 动化放顶煤工艺等自动化技术; 试验了基于放煤声 音识别的煤岩识别技术。 “十二五”期间，实施了 “863 重大专项” 煤矿智能化掘采装备研发，研发了两柱式超强力智 能化放顶煤液压支架，攻克井下恶劣工况下支架空 间位姿、受力状态精确感知等技术难题，创新研发 支架与围岩智能耦合控制系统，实现高度姿态、立 柱压力检测及自动增压、合力作用点位置监测等耦 合控制功能; 构建了基于时间控制与人工干预相协 调的自动化放煤控制机制，发明综放开采智能化放 顶煤控制方法，基于散体介质流理论开发了基于分 段多窗口多轮放煤工艺的时序控制自动化放煤控制 系统; 进行了基于煤矸识别的智能放煤控制试验， 为 “十三五”进一步研发智能化综放技术奠定了 基础。 4. 3超大采高综放开采 金鸡滩煤矿 2 －2上 煤层厚度约 8～12m，煤层坚 固性系数 f 2. 8，埋深约 240m，针对其埋深浅、 硬度高、厚度大造成顶煤冒放性较差的难题，进行 了特厚坚硬顶煤冒放性、综放支架结构参数和放煤 工艺的优化研究。 通过建立埋深较浅、坚硬、特厚顶煤的单一悬 臂梁力学模型，定量计算得到不同机采高度顶煤极 限悬顶长度 图 6 。 通过数值模拟手段首次定量分析了液压支架反 图 6不同机采高度顶煤极限悬顶长度 复支撑作用力、支撑次数对顶煤的损伤破坏作用 图 7 ，为支架结构优化设计提供理论基础。顶煤 位移量随支架反复支撑次数增加而增大，虽然不能 显著影响顶煤最终损伤破坏深度，但反复支撑次数 能有效影响一定深度的顶煤块度大小; 支护力与顶 煤破坏深度呈非线性关系，顶煤破坏效果发生突变 的支撑次数为 4 次; 两柱整体顶梁强力放顶煤液压 支架较四柱铰接前梁综放支架具有支架顶梁前端支 顶力大、有效反复支撑次数多等优点，可以实现有 效缓解煤壁片帮防治，同时提高顶煤冒放性。 图 7反复支撑次数与顶煤位移量 设计研发了 ZFY21000/35/63D 两柱掩护式强 力超大采高综放液压支架，解决了特厚坚硬煤层综 放开采中支护、控制和放煤等关键技术难题。本项 目预期将在 “十三五”期间实现特厚硬煤智能化 综放技术的重大进展。 5结束语 高效智能化综采装备的发展促进了煤炭高效开 采，经过几十年的发展，我国不仅是世界最大产煤 国，而且，主要综采技术装备也达到了世界先进水 平，在大采高综采综放、薄煤层和复杂难采煤层开 采等方面引领着世界开采技术发展。今后，要通过 不断的技术攻关与创新，进一步提高煤矿成套技术 下转 12 页 4 总第 140 期煤矿开采2018 年第 1 期 ChaoXing 4结论 1以实际矿井为例，同时运用 2 种评价方 法对其进行底板突水脆弱性评价，通过对比评价过 程，总结出两者的异同点。 22 种方法如何选择主要取决于如下 3 个因 素 突水资料、评价精度要求、时间精力; 如果没 有突水资料最好选择 AHP 型，如果评价精度要求 高建议选择 ANN 型，如果时间精力有限最好选择 AHP 型。 32 种方法各有异同，并没有优劣之分，只 是适用条件不同，在工作中要根据实际的评价需要 及基础资料丰富程度来选择评价方法，不能一味地 使用哪一种方法，最终可能没有资料可用，那么这 样的评价结果就是脱离实际的，对水害防治工作没 有指导意义。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 李建林，张洪云，王心义，等 . 脆弱性指数法在煤层底板突 水预测中的应用与建议 ［J］ ． 煤炭学报，2014，39 4 725 －730. ［ 2］ 武强，张志龙，张生元，等 . 煤层底板突水评价的新型实 用方 法 Ⅱ 脆 弱 性 指 数 法 ［J］ ． 煤 炭 学 报，2007，32 11 1121－1126. ［ 3］ 武强，王金华，刘东海，等 . 煤层底板突水评价的新型实 用方法Ⅳ 基于 GIS 的 AHP 型脆弱性指数法应用 ［J］． 煤炭 学报，2009，34 2 233－238. ［ 4］ 武强，解淑寒，裴振江，等 . 煤层底板突水评价的新型实 用方法Ⅲ 基于 GIS 的 ANN 型脆弱性指数法应用 ［J］． 煤 炭学报，2007，32 12 1301－1306. ［ 5］ 武强，庞炜，戴迎春，等 . 煤层底板突水脆弱性评价的 GIS 与 ANN 耦合技术 ［J］． 煤炭学报，2006，31 3 314－ 319. ［ 6］ 刘守强，武强，曾一凡，等 . 基于 GIS 的改进 AHP 型脆弱 性指数法 ［J］． 地球科学，2017，42 4 625－633. ［ 7］ 杜伟升，姜耀东，焦振华，等 . 基于脆弱性指数法的整合矿 井底板突水评价及主控因素分析 ［J］． 矿业科学学报，2017 2 129－136. ［ 8］ 许树伯 . 实用决策方法层次分析法原理 ［M］． 天津天津 大学出版社，1988. ［ 9］ 朱大奇，史慧 . 人工神经网络原理及应用 ［M］． 北京 科 学出版社，2006. ［ 10］ 武强，刘守强，贾国凯 . 脆弱性指数法在煤层底板突水评 价中的应用 ［J］． 中国煤炭，2010，36 6 15－19. ［ 11］ 武强，杨柳，朱 斌，等 . “脆弱性指数法”在赵各庄 矿底板突水评价中的应用 ［J］． 中国煤炭地质，2009，21 6 40－44. ［ 12］ 武强，张波，赵文德，等 . 煤层底板突水评价的新型实 用方法Ⅴ基于 GIS 的 ANN 型、证据权型、Logistic 回归型 脆弱性指数法的比较 ［J］． 煤炭学报，2013，38 1 21－ 26. ［ 13］ 武强，张志龙，马积福 . 煤层底板突水评价的新型实用方 法Ⅰ 主控指标体系的建设 ［J］． 煤炭学报，2007，32 1 42－47. ［ 14］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局 . 煤矿防 治水规定 ［M］． 北京 煤炭工业出版社，2009. ［ 15］ 傅荟璇，赵红 . 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