當前，增加工作面機采高度與開采長度，成為我國煤炭資源賦存條件較好的大型煤礦提效擴產增安的有效方法，是煤礦開采技術發(fā)展的重要方向。
近年來，中國煤炭科工集團開采研究院裝備分院完成了一系列井工煤礦工作面加長、加高代表性項目，如陜煤集團小保當?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目。
工作面加長加高成發(fā)展趨勢
自1974年引入綜采技術以來，我國煤炭開采理論與技術裝備不斷創(chuàng)新發(fā)展，尤其是近10年來采高不斷突破紀錄，開采效率得到有效提升。
2007年，國家能源集團神東煤炭公司上灣煤礦建成6.3米大采高工作面，年產量突破1000萬噸；2010年，神東煤炭公司補連塔煤礦建成7.0米大采高工作面，年產量突破1200萬噸；2016年，山東能源集團兗礦能源金雞灘煤礦建成8.2米大采高工作面，年產量突破1500萬噸；2019年，上灣煤礦建成8.8米大采高工作面，年產量突破1600萬噸等。
目前，國內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10米。超高工作面礦壓理論、圍巖控制技術、裝備研制等方面取得較大進展，智能控制技術與系統(tǒng)取得突破。國內中厚煤層工作面長度達到450米，年產量達千萬噸。超長分區(qū)支護、裝備研發(fā)、智能協(xié)同控制等技術取得較大進展，開采工藝逐漸完善，超長運輸技術實現(xiàn)突破。
從國外看，2024年，美國28個在產工作面中，有13個工作面產量超過500萬噸；最長的工作面481.6米，最大寬度達到1580英尺。2024年，澳大利亞共有27個長壁開采工作面，其中26個工作面在產，15個工作面年產量超500萬噸；工作面長度為300米至450米，實現(xiàn)面內無人開采。
目前，國內采煤工作面普遍面臨地質條件趨于復雜、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械化開采難度大，設備適應性不強；部分關鍵核心部件及材料依賴進口，采—運—支系統(tǒng)協(xié)同性弱，端頭支護效率低，制約推進速度，亟需開采工藝與技術創(chuàng)新。
同時，國內采煤工作面呈現(xiàn)一些新的發(fā)展趨勢。技術升級方面，工作面加長加高、充填開采、保水開采等綠色開采技術得到應用。裝備研發(fā)方面，研發(fā)出高工阻、高穩(wěn)定性支護裝備，超長運距智能新型刮板輸送設備和智能化高可靠快速截割采煤機等高可靠性裝備。智能化建設方面，應用遠程自動化控制、感知與物聯(lián)網(wǎng)等技術。探索少人化或無人化方面，應用機器人、裝備智能協(xié)同控制、多源異構數(shù)據(jù)融合等技術。
有利于產能提高和降本增效
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，是產能提高、降本增效的必然要求。
加長工作面有助于實現(xiàn)“一礦一面”生產，減少巷道掘進量和搬家倒面次數(shù)，提高管理效率，降低安全風險。據(jù)不完全統(tǒng)計，加長工作面可使工作面數(shù)量、煤柱和巷道減少約40%至50%，采煤機直線段高速截割比率提高30%。
裝備分院主導設計的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，陜煤集團小保當?shù)V業(yè)公司二號煤礦采高2.54米、工作面長450米；山東能源集團兗礦能源轉龍灣煤礦采高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)集團巴拉素煤礦采高4米、工作面長400米；陜煤集團小保當?shù)V業(yè)公司一號煤礦采高6米、工作面長400米。
以小保當?shù)V業(yè)公司二號煤礦450米超長工作面為例。該工作面應用1臺采煤機、216架液壓支架、1臺刮板輸送機，研發(fā)應用了國產化“支—采—運”高端裝備。該工作面創(chuàng)造了單面日產量5.2萬噸、月產量120萬噸，全年產量達1000萬噸的行業(yè)紀錄。
陜西延長石油礦業(yè)集團可可蓋煤礦厚煤層超大開采空間綜采工作面，是全國首個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，日產量穩(wěn)定在4.8萬噸以上，單面具備年產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，是提升單產水平、實現(xiàn)集約化生產的重要途徑。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，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、128架中部液壓支架、1臺刮板輸送機。該礦12401綜采工作面和12402綜采工作面累計產量約2200萬噸；特厚煤層一次采全高8.8米，最高日產量5.84萬噸，最高月產量146萬噸。
仍然面臨一些技術難題
采煤工作面加長雖是提高單產的重要手段，但實際應用中受到技術、安全、經濟等方面制約，如容易造成頂板壓力多點集中，來壓規(guī)律不清，裝備能力與協(xié)同控制困難，通風降塵安全難度增加，易堵煤、煤壁片幫嚴重、頂板控制困難等。
采煤工作面加長需要解決一些技術難題，如揭示超長工作面全覆巖頂板運移規(guī)律、確定超長工作面頂板支護強度與快速跟機參數(shù)、探究超長工作面水平應力產生與破壞影響機理、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—支”一體化研究等。
針對采煤工作面加長面臨的難題，裝備分院科研團隊開展了一系列研究，并取得了一些研究成果。
裝備分院科研團隊揭示了工作面支護應力三峰值M型分布規(guī)律，建立了基于熵權的開采強度評價模型，可科學量化特定賦存條件厚煤層開采強度，進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，求解出極限開采強度下超長工作面長度和推進速度；利用超長工作面斜長參數(shù)綜合評價方法，基于AHP多因素層次分析法，圍繞地質條件等8個方面因素展開研究，最終可確定工作面參數(shù)及布置方式。
裝備分院科研團隊揭示了綜采工作面長度與開采效率、煤炭損失的定量關系，研發(fā)了中厚煤層“高能積比”配套模式，能積比（單位體積或空間內的能量存儲與轉換效率）提高3倍以上；明確采煤機機身高度最小化、裝機效率最大化、牽引速度高速化、高可靠性運轉常態(tài)化“四化”，降低液壓支架最低高度、頂梁厚度和操作強度和增加液壓支架最大高度、支架工阻和過機空間“三降三增”以及刮板輸送機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。
裝備分院科研團隊研發(fā)了超長工作面與超前支護多系統(tǒng)協(xié)同控制關鍵技術、超前支護多系統(tǒng)協(xié)同控制裝置；研發(fā)了分布式敏捷供液裝置，進行了液壓系統(tǒng)管路設計與優(yōu)化，實現(xiàn)了快速跟機移架；研發(fā)了增容緩沖能量耗散型抗沖擊立柱，研制了高強度輸送機鏈條與輕量化刮板，提升了抗拉強度等。
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；裝機功率小，無法支撐開采高強度；支護強度低，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。
隨著采高增加，上覆巖層大范圍運移破壞，超大空間、超強礦壓、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)強動載沖擊，導致支護系統(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、高適應性和系統(tǒng)協(xié)同推進的要求。
針對采煤工作面加高面臨的難題，裝備分院科研團隊建立了超大采高裝備與圍巖動力學模型，揭示了超大采高液壓支架與圍巖的作用關系；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。
裝備分院科研團隊制定了端頭“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及三角煤損失核心問題，實現(xiàn)了超大采高工作面連續(xù)作業(yè)；創(chuàng)新設計了“雙層伸縮梁+三級護幫板”結構型式，提高了支架護幫護頂能力；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。
裝備分院科研團隊開發(fā)了支護、運輸裝備時序控制程序，研發(fā)了自移機尾控制、融合超前支護裝備調偏技術，實現(xiàn)了超前支護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)性設計方法，開發(fā)了裝備群三維虛擬化數(shù)字孿生協(xié)同配套平臺，避免了工作面運轉時設備間相互制約，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。液壓支架設計受到原材料強度、配套設計參數(shù)等制約。液壓支架的設計重點在于液壓支架中心距，中心距越寬，支護強度越大。
采煤工作面加長加高是一個動態(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)提升工作面推進強度，進一步提高開采質量。
（作者系中國煤炭科工集團開采研究院裝備分院院長）
來源：中國煤炭報