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【中国煤炭报】助力安全高效生产,向智能综放迈进——我国综放开采40年的重大创新

发布时间:2022-09-22 10:25:32  作者:王家臣  来源:中国煤炭报   点击:


本网讯   综合机械化放顶煤开采,简称综放开采,是开采厚煤层的有效方法。它实现了厚煤层一次采全高开采,具有巷道掘进率低、能耗低、成本低、效率高的优点,属于低碳开采技术。综放开采技术已经成为我国开采厚煤层的主要方法,也是我国在世界煤炭开采领域的标志性技术。

我国从1982年开始研究试验综放开采技术,40年来取得了重大科技创新。如今,我国综放开采已形成多种技术模式。

在放煤方式上,从初期的高位放煤、中位放煤工艺,发展到目前普遍采用的低位放煤工艺。在装备升级上,综放开采装备趋于重型化、大型化。支架架型也从早期的四柱式发展到今天的四柱式与两柱式并存。在开采水平上,综放开采的煤层厚度可达20米、煤层倾角可达60度,工作面年产量可达1500万吨。对于煤层厚度大于20米的急倾斜厚煤层,开发了水平分段综放开采技术,工作面年产量可达400万吨。应用综放开采技术开采的煤层深度从100米到1000米,煤层单轴抗压强度可达40兆帕。

综放开采技术不仅在我国厚煤层开采中具有巨大的技术优势,而且随着技术的发展与成熟,应用范围逐渐扩大化。2004年,我国综放开采技术和装备输出至澳大利亚,2006年在澳斯达煤矿投用,建成了澳大利亚第一个综放工作面。


晋能控股煤业集团塔山矿千万吨综采智能化工作面作业现场


综放开采的探索和推广应用

综放开采技术发展可以划分为2个阶段:前20年的探索和推广应用阶段,后20年的创新和技术输出阶段。

在探索和推广应用阶段期间,1984年6月,我国在当时的沈阳矿务局蒲河矿第一次试验综放开采技术。试验7个月,平均月产1.3万吨。后因支架设计不合理,采空区自然发火,试验被迫中断。后来,技术人员对支架进行改造,采用中位放煤方式,于1986年6月进行第二次试验。虽然在蒲河矿的首次综放开采工业试验效果并不好,但为我国后来综放技术研发积累了宝贵经验。此后几年,我国综放开采技术研发方向转向了急倾斜厚煤层。

1986年4月,我国在甘肃窑街矿务局二矿进行了急倾斜厚煤层水平分段综放开采试验。该矿煤层厚20米、煤层倾角55度,采用2800千牛阻力的低位放煤支架开采,取得成功。1986年11月,在吉林辽源矿务局梅河矿四井,进行了水平分段高位放煤综放开采试验。1987年10月,在梅河矿三井进行中位放煤综放开采试验,均取得成功。同年11月,乌鲁木齐六道湾矿在煤层倾角64度到71度、煤层厚度33米至50米的松软煤层中,进行了水平分段综放开采试验并取得成功。试验证明,液压支架、采煤机、刮板输送机配套适应性好,引进的短机身采煤机及与之配套的前部刮板输送机使用效果良好。

经过不断探索与创新,急倾斜厚煤层水平分段综放开采技术取得了初步成功。工作面回收率达到85%以上,解决了以往分层开采、巷道高冒式采煤法等成本高、安全性差、效率低的难题。试验初步得到了合理的水平分段高度数据(10米至20米)和采放工艺参数,为后来的缓倾斜厚煤层放顶煤开采积累了经验。

在综放开采发展过程中,支架等主要装备以自主研发为主。河南平顶山矿务局一矿也曾从匈牙利进口了一套开天窗高位放煤支架,并于1987年9月在近水平煤层工作面投产使用,取得了较好的经济效益。

经过沈阳、窑街、辽源、乌鲁木齐、平顶山等矿务局的实践,尤其是在急倾斜厚煤层中综放开采试验成功,煤炭行业积累了瓦斯、自燃、粉尘等的防治经验。阳泉、潞安、兖州矿务局为代表,进行了缓倾斜厚煤层综放开采的大胆创新。支架架型也从高位、中位放煤定型到低位放煤,真正实现了综放开采的高产高效。

1988年12月,阳泉矿务局采用中位放煤支架进行综放开采试验,工作面单产成倍增加。随后,阳泉矿务局在所属的4个矿推广应用中位放煤的综放开采技术,1990年,综放队实现了年产量百万吨的高产高效目标。1996年7月,阳泉一矿又开始了低位放煤综放开采试验,低位放煤在技术上更具优势。


晋煤控股集团同忻矿综采队员工在进行放煤操作


1989年3月,潞安矿务局在王庄矿试验天窗式高位综放开采技术。1991年6月,在五阳矿进行低位放煤开采试验,工作面最高月产20万吨,充分证明了综放开采的高产高效潜力。1993年,潞安矿务局所属矿井全部采用了综放开采技术。1999年7月,王庄矿开展了270米超长综放工作面的开采试验,工作面年产量达到400万吨以上。

兖州矿务局的综放开采始于1992年的兴隆庄矿。1999年,采用ZF6200-16/35型较大阻力综放支架,工作面平均月产35万吨。1997年,东滩矿综采二队生产原煤410万吨。通过增加工作面长度和推进长度,优化设备配置和改造辅助生产系统,综采二队于1998年生产煤炭501万吨,2001年产煤551万吨,综放开采技术潜力得到了进一步发挥。

阳泉、潞安、兖州是我国应用综放开采技术较早的矿务局,其共同特点是近水平煤层或者缓倾斜,煤层厚度6米至8米、煤层硬度中等,适合综放开采。工作面支架经历了高位放煤、中位放煤,最后推广应用低位放煤阶段,实现了工作面高产高效。

对于一些“三软”“两硬”“大倾角”等复杂煤层条件,我国综放开采技术也取得了突破性进展。

郑州矿务局米村矿于1988年9月在煤层软、顶板软、底板软“三软”煤层中,首次进行了中位放煤的综放开采试验,没有取得成功;1991年对支架进行改造,取得了成功,工作面年产量达60万吨。1994年,米村矿、超化矿工作面年产量达百万吨;2000年月产量可达15万吨至17万吨。此外,徐州矿务局1993年在三河尖矿、1997年在韩桥矿、1998年在权台矿,应用了轻型支架综放开采技术开采“三软”煤层,月产量平均达5万吨至8万吨。

大同矿务局的侏罗纪煤层坚硬、顶板坚硬,俗称“两硬”煤层。1991年,大同矿务局在煤峪口矿试验下分层高位放煤的综放开采技术。1992年,在忻州窑矿进行中位放煤的综放开采,取得了较好效果。1995年,研制出低位放煤支架,同时采用顶煤爆破弱化技术,取得了初步成功。1997年至1998年,研制出新型低位放煤支架,开展顶煤和顶板活动规律研究,建立了煤体爆破分形能量释放模型,改善了顶煤爆破弱化效果,在硬煤条件下工作面年产量达到百万吨以上。晋城矿务局1990年在凤凰山矿、1994年在古书院矿进行了硬煤综放开采试验,1998年在成庄矿推广综放开采技术。

1995年,甘肃靖远矿务局魏家地矿在高瓦斯突出厚煤层中开展了综放开采试验研究,通过煤层中间瓦斯高抽巷和上部瓦斯排放巷进行瓦斯抽排、在采空区注入氮气和黄泥灌浆解决采空区自燃问题,取得成功。1998年,淮北矿务局在朱仙庄和杨庄矿开展了轻型支架低位放顶综放开采试验,取得成功,尤其在松散顶煤放出规律、极软煤层端面漏冒控制、高瓦斯治理等方面,获得了宝贵经验。2004年,在芦岭矿进行了预采顶分层的综放开采试验,通过底板穿层钻孔、预采顶分层等对煤层进行瓦斯解突,开采过程中通过顶板高抽巷等综合措施防治瓦斯,通过煤层注水防止煤壁破坏和降低粉尘,均取得了良好效果。

由于我国煤层条件复杂多样,所需的技术模式和装备有很大差异。综放开采技术在复杂条件下应用成功,是我国煤炭企业与科研单位、高等院校、设计单位等共同科技攻关的成果。

轻型支架综放开采技术在我国放顶煤开采历史上具有重要地位,这与我国煤炭开采技术发展和煤炭企业的经济状况有关。

20世纪80年代至90年代,在放顶煤开采技术发展初期,我国煤矿开采的总体机械化程度不高,许多矿务局以炮采、普采为主,因此采用轻型支架(支架重量≤8吨)。通过减小支架控顶面积、保证支架支护强度,节省工作面投资,避免了普通支架重量大、安装搬家困难和投资大等问题。较单体和滑移、悬移等简易支架,轻型支架稳定性好、支护强度大,成了一些煤炭企业的首选。

当时,轻型支架放顶煤工作面最高月产12万吨,大部分工作面月产量在5万吨至8万吨。轻型支架普遍为四柱式,采用单铰接或单摆杆结构,额定工作阻力为2000千牛至2800千牛,支护强度0.47兆帕至0.69兆帕,支架高度1.6米至2.4米。

随着我国煤炭开采技术和装备整体的快速进步,煤炭企业经济效益普遍好转。此外,受到国家对煤炭开采的高产高效要求以及轻型支架整体支护能力偏低、支架易损坏、煤壁与端面稳定性控制偏弱、工作面产量较低等影响,2005年以后轻型支架逐步退出了历史舞台。

综放开采的创新和技术输出

经过前20年的探索和发展,我国综放开采技术形成了自己的技术模式和装备配套系列,展现出其高产高效、低成本低能耗的技术优势。近20年来,结合我国煤层条件和国家对煤炭能源的强劲需求,综放开采技术取得了进一步发展和重大创新,主要表现在如下几个方面。

以大同塔山矿为代表的20米特厚煤层综放开采技术取得了突破性进展。2007年,国家“十一五”科技支撑计划重大项目中,研发了ZF15000/28/52型四柱式大采高综放液压支架及配套装备,工作面年产1085万吨,顶煤回收率86.7%。2018年,国家“十三五”科技支撑计划项目中,开展了智能化方面研究与应用。2019年,山东能源集团在陕北金鸡滩矿开发了7米大采高放顶煤开采技术,研发了ZY21000/38/70D型两柱式大采高放顶煤液压支架及配套装备,支护强度达到1.65兆帕,并通过增大机采高度、改善顶煤冒放性来提高硬煤工作面的回收率。在大采高综放工作面,应用了主动感知、自动分析、智能处理、系统协同配合等技术,开展了智能化大采高综放工作面建设。

2002年,中煤集团平朔公司在浅埋硬煤层中应用综放开采技术,开采4号煤和9号煤。虽然埋深较浅,但由于煤层裂隙发育,仍然取得了良好的开采效益。9号煤的工作面年产量达600万吨,工作面回收率接近90%。2010年,在4号煤中采用两柱式放顶煤支架试验大采高综放开采技术,取得成功。

2007年,淮北矿业集团在涡北矿进行了极软含夹矸煤层大采高综放开采技术研究,主要解决含夹矸软煤层的高效开采难题。2007年,潞安集团王庄矿建成了首个自动化大采高综放工作面,支架采用电液控制系统,主要解决了以往瓦斯涌出量大和工作面煤炭回收率低问题。

靖远王家山矿于2003年在煤层倾角38度至49度、煤层厚度15. 5米的厚煤层中,应用了走向长壁综放开采技术。2013年,山西大远煤业在煤层倾角平均53度的厚煤层中,通过工作面伪斜13度布置、研发宽侧护板强力抗挤压综放支架、结合采放工艺和设备配套,共同解决了工作面设备的防倒防滑难题,成功应用综放开采技术,并发明了“下行动态分段、段内上行放煤”的采放工艺。

对于煤层厚度大于20米的急倾斜厚煤层,国家能源集团乌东矿应用水平分段综放技术,由于煤层较硬,在顶煤中开掘了一条顶煤弱化工艺巷,进行顶煤预爆破和爆破后注水弱化,提高了顶煤回收率和放煤效率。

2000年开始,我国综放开采逐步进入以液压支架电液控制为代表的自动化时代,并实现以时序记忆控制为主导的自动放煤。我国在前期引进和借鉴美国、德国、澳大利亚等国先进的自动化技术以及大量自主研发后,将综采工作面的自动化开采技术与人工智能、大数据等相结合,逐步形成了我国综采工作面的智能开采技术。同时,制定了相应的技术标准,极大地推动了我国煤矿智能开采技术进步。目前,我国综放开采已经处于国际先进水平,某些技术如远程控制、数据自动处理等处于国际领先水平。


神东煤炭集团上湾煤矿8.8米大采高智能综采工作面


随着煤矿智能化技术的发展,综放开采技术也迎来了智能化变革。

综放工作面智能化由两部分组成。一是采煤机割煤及配套工序的智能化。这可以直接采用综采工作面的智能化技术。相比综采,采煤机割煤可以采用固定高度割煤,不必进行割煤过程的煤岩识别。

二是放煤工序智能化。这一部分进展缓慢,曾开展过声音频谱、近红外光谱、自然射线、振动信号等技术研发,进行放煤过程的煤矸识别,但目前仍处于实验室阶段。2021年,中国矿业大学(北京)开发了基于图像识别的智能控制放煤技术,取得突破性进展,首次实现了真正意义上的智能控制放煤。该技术目前已在相关煤矿进行工业试验和推广应用。

兖州矿业集团于2004年11月在澳大利亚注册了兖煤澳大利亚公司,12月收购了澳斯达矿。2006年10月,提供国产综放配套设备,建起了澳大利亚第一个放顶煤工作面。除澳大利亚以外,印度、土耳其、俄罗斯、越南等国也开始关注和引进我国的综放开采技术,并进行了一些基础研究。

为了促进我国综放开采技术的健康发展,原煤炭工业部于1994年成立了煤炭工业部综采放顶煤专家组,指导我国综放开采技术研发和应用。1995年,制定和颁布了煤炭工业部《放顶煤开采暂行技术规定》。同年,中国矿业大学北京研究生部和潞安矿务局联合成立了煤炭工业部放顶煤开采技术中心。1997年,该中心主任吴健教授主持了我国矿业工程学科第一个国家自然科学基金重点项目——《厚煤层开采基础理论研究》,全面系统地研究了综放开采的基础理论问题,促进了我国综放开采技术的快速进步。

40年来,我国综放开采技术取得了重大创新和发展,这得益于煤炭企业、高校、科研单位、煤机制造、管理等部门持之以恒的科技攻关,也得益于国家整体科技水平提升。未来,综放开采技术发展要符合国家双碳战略、能源保供、绿色智能方向。由于综放开采效率高、产量大、单位能耗低,具有低碳开采的属性,可实现煤炭能源保供和柔性产能。

下一步,我们还需要在开采完全智能化,尤其是在放煤智能化,采动岩层运动与控制、保水开采、环境保护、灾害防治、设备配套与智能化系统的可靠性等方面加大研发力度,助力煤炭行业实现高质量发展。

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