我国煤矿综合机械化开采技术现状与思考

宁 宇

(中国煤炭科工集团有限公司，北京100013)

1 世界煤炭工业现状

2011年，煤炭占到全球主要能源消费量的30.3%，全世界有42%的电力来源于煤炭。2011年，全世界的煤炭产量约7.6954Gt，其中中国煤炭产量3.52Gt，占全世界煤炭产量的49.5%，中国的煤炭产量与排名第二至第七国家的产量总和相当［1］。近年来，世界国家和地区煤炭产量见表1。

我国无论从煤炭产量还是煤炭消费，均是世界首位。由此可见煤炭对我国工业经济发展及社会进步所起的重要作用。

表1 世界国家和地区煤炭产量mt

2 我国煤矿综合机械化开采发展历程

1974年前，我国基本没有综合机械化开采工作面。1974年开始，首次从德国引进采煤机、垛式支架等设备，开启了中国综合机械化开采技术及装备发展的先河。1982年，国内首次引进综放，并于1984年在沈阳蒲河矿务局开展首个60m长的试验生产面。三十多年来，伴随着我国国民经济快速平稳地发展，我国煤炭工业也逐渐步入“安全、高效、洁净”的健康发展快车道。无论是煤矿开采技术，还是开采装备水平均取得显著提升。

1980年，我国煤炭总产量为0.625Gt;2011年，我国煤炭产量达到了3.52Gt，提高了4.41倍。1993年，全国矿区的安全高效矿井仅为12处;截至2009年，全国安全高效矿井已达到了360处，增加了29倍;其中343处矿井的总产量达到0.85Gt，占全国煤炭总产量的28.6%。

随着我国综合机械化技术及装备的快速发展，国内出现了一大批年产千万吨的安全高效矿井，极大地改善了我国煤矿综合机械化开采面貌。我国千万吨级矿井数量由2001年的1处增加至2010年的40处，产量由11Mt增长到0.56Gt，占到全国煤炭产量的17.3%。千万吨矿井总体经济技术指标达到国际领先水平，并在综采工作面单产、工效、综掘进尺指标等方面突破多项世界记录。

“十五”、“十一五”期间，我国煤矿综合机械化开采技术与装备水平显著提高，自主研发并成功采用了3.5～7.0m厚煤层大采高综采技术、20m特厚煤层大采高综放开采技术，使工作面开采技术参数指标大幅度提高。同时，我国煤机装备制造业取得了长足发展，开采装备能力及设备可靠性均大幅度提高，在电牵引采煤机、系列化液压支架、大型刮板输送机及大运量、大运距胶带输送机等关键设备的开发上均取得了突破。

3 我国煤矿综合机械化开采技术与装备的新进展

3.1 综采一次采全高开采技术与装备

目前，综合机械化一次采全高是7m以下单一煤层安全高效开采的主要采煤方法之一。针对不同煤层厚度，配套高可靠性的综合机械化开采装备，实现了单一煤层的安全高效生产。

3.1.1 薄煤层综合机械化开采技术及装备

1.3m以下薄煤层综合机械化开采主要通过薄煤层滚筒采煤机或刨煤机配套相应的装备实现安全高效开采。薄煤层安全高效开采一直是困扰我国煤炭行业的一个技术难题，由于作业空间狭窄，工人劳动环境差、强度高，掘进率高，现场管理复杂等诸多问题，造成该类煤层的开采技术一直停留在机械化程度低、工效低、安全风险高、经济效益差的较低水平。薄煤层开采急需解决的问题主要有2个:一是尽可能实现无人或少人的自动化生产;二是进一步攻关开采下限，提高资源采出率。

2000年，铁法矿务局与DBT公司合作装备了国内首个薄煤层刨煤机自动化生产工作面，配套国产液压支架、破碎机和转载机等设备，工作面达到了年产1.2～1.5Mt的水平。

“十一五”期间，天地科技股份有限公司承担完成的国家科技支撑计划“薄煤层机电一体化高效开采关键技术与装备”项目，研制成功了MG100/238－WD型骑溜式电牵引滚筒采煤机，装机总功率238kW，适应煤层厚度0.8～1.25m，标志着我国突破了综合机械化开采1.0m煤层厚度的限制，达到了最低开采厚度0.8m，创薄煤层综采工艺及配套装备国内新水平。

上述实践表明，科学合理的综合机械化配套设备在采高较小的煤层条件下，同样能够取得良好的技术经济效果。目前，国内厚度1m左右的薄煤层配套合理设备，产能可达到1Mt/a左右。

3.1.2 中厚煤层综合机械化开采技术及装备

1.3～3.5m的中厚煤层开采技术在国内外均已非常成熟，通过配套合理的综采装备，最大产能可达到5Mt/a左右。如陕煤集团黄陵一号井采用ZY6400/17/35型液压支架，工作面平均日产达到15kt;神东公司榆家梁煤矿4－3煤层，平均厚度1.85m，通过配套大功率采煤机及自动化配套装备，实现了工作面自动化生产，工作面具备3Mt/a能力，是国内首个滚筒采煤机自动化工作面。

3.1.3 厚及特厚煤层综合机械化开采技术及装备

3.5～7m的厚煤层一次采全高高效综采技术是世界煤炭井工生产技术及装备的主要竞争领域。国内以神华集团为代表的煤矿企业，通过引进大功率高可靠性采煤机等关键进口设备，率先实现了厚及特厚煤层的安全高效综采，建成了年产千万吨的安全高效矿井，整体技术水平达到了国际领先。

2004年，神东公司上湾矿采用大采高综采突破10Mt/a，该矿2007年建成国内首个6.3m大采高综采工作面，创下当时综采工作面采高最大的世界纪录。2009年底，神东公司补连塔矿装备了国内首个7m大采高综采工作面，再次刷新了大采高工作面的采高记录。2011年，陕煤集团红柳林煤矿采用国产ZY17000/32/70大采高综采液压支架(电液控制)，配套艾科夫SL1000电牵引采煤机，工作面实现年产千万吨能力。

近几年来，我国的大采高综采煤机装备制造领域也取得了长足发展，在电牵引采煤机、系列化液压支架、大型刮板输送机及大运量、大运距带式输送机开发上取得了突破。

“十一五”期间，国家科技攻关项目“年产千万吨级矿井大采高综采成套装备及关键技术”项目成功研制MG1000/2500－WD电牵引采煤机。通过配套全套国产设备，建成了西山斜沟矿年产10Mt的18105综采示范工作面，工业性试验阶段，工作面最高日产36kt，最高月产876kt，基本达到了年产千万吨能力的预定目标。

目前，我国井下在用的两柱大采高液压支架工作阻力最大达18800kN，支架最大高度达7.2m，并已研制成功MG1150/3000－WD电牵引采煤机，ZY18800/36/80D两柱掩护式液压支架;SGZ1400/3×1600重型刮板输送机等一系列大采高重型煤机装备，这些成果均表明我国综采一次采全高技术及装备制造技术已跃上了一个新台阶。

3.2 综采放顶煤开采技术与装备

放顶煤开采最早源于欧洲，而其发展成熟却在中国。通过近30a的发展，放顶煤开采在中国的厚及特厚煤层开采方面表现出很好的适应性，已成为此类煤层安全高效开采的主要采煤方法之一。2003年，中国煤炭科工集团有限公司天地科技开采设计事业部研究人员综合放顶煤及大采高的优势，创新性地提出了大采高综放开采方法，目前已成为14～20m特厚煤层一次开采的主要方法。

“十五”期间，兖州兴隆庄煤矿实践的“600万吨综放工作面设备配套与技术研究”项目在综放技术领域取得突破。“十一五”期间，国家科技支撑计划“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备研发”项目针对14～20m特厚煤层大采高综放开采，研制成功年产10Mt大采高综放开采技术及配套装备，研发成功ZF15000/28/52四柱大采高综放液压支架，将放顶煤工作面机采高度增加至5m，一次采出厚度可达20m，项目通过在同煤大唐塔山煤矿8105工作面进行了技术与装备的集成示范，工作面实现年产千万吨能力，研究成果达到国际领先水平。

目前，配套全部国产装备的综放工作面可实现年产6～10Mt。这些成果标志着国内对年产千万吨大采高综放工作面技术及装备取得的丰硕成果，大采高综放开采技术在国内外类似条件煤层开采中具有广泛的推广应用前景。

3.3 短壁机械化开采技术及装备

连续采煤机短壁机械化开采 (也称为旺格维利采煤法)是矿井不规则煤柱及块段区域，以及不适宜布置长壁工作面的区段煤层实现机械化开采的主要方法。90年代末，由澳大利亚引进我国并在神东矿区推广使用，目前主要在我国神东矿区、鄂尔多斯及榆林地区、山西晋城、大同、西山等矿区广泛应用。

以神东公司上湾矿为例，2002年，该矿利用旺格维利采煤法，全年生产原煤3.348Mt，回采工作面效率为174.07t/工。

“十一五”期间，国家科技支撑项目“煤炭资源高效采选关键技术与装备研发”项目研制成功国内首台EML340连续采煤机及后配套连续运输系统，填补了国内连续采煤机制造的空白。

此外，我国针对短长壁工作面开采需求，自主研发了单滚筒电牵引短壁采煤机。在整机功率相同情况下，单滚筒采煤机比双滚筒采煤机更适宜于工作面长度小于90m的短长壁工作面开采需要。由于只有单个滚筒，滚筒的截割功率更高，生产效率更高。

3.4 困难条件下综合机械化开采技术与装备

近年来，我国煤矿技术人员积极攻关难采煤层开采技术。通过不断地努力，已取得阶段成果，在部分条件下的难采煤层开采已可实现更高程度的机械化开采，甚至可以实现自动化开采。

例如，我国针对急倾斜薄煤层复杂的开采条件，自主研发成功了急倾斜薄煤层走向长壁综合机械化采煤法及配套全部开采装备。研制成功的JBB－Ⅰ型急倾斜薄煤层刨运综采机组可实现对最大倾角70°，0.7～1.5m的急倾斜薄煤层自动化开采。目前，该套机组已完成工业性试验，课题研发由“十二五”国家科技支撑计划项目基金支持。

4 存在的问题及发展方向

目前，我国在高端液压支架、重型输送机设备等装备核心技术方面已经居于国际先进水平，综采放顶煤开采技术及装备均处于国际领先地位。煤矿综合机械化开采所需的液压支架及其电液控制系统已实现国产化。此外，由我国生产的成套综合机械化开采技术及装备已实现出口。

但同时也要看到，我国煤炭综合机械化发展道路仍然存在一些问题急需解决。

(1)复杂地质条件下煤层、难采煤层的综合机械化开采技术问题 难采煤层是指那些赋存不稳定、构造复杂或有特殊灾害威胁，在当前的开采技术条件下，开采困难、安全生产条件不好、难以实现机械化开采的煤层。各类复杂地质条件下的难采煤层是综合机械化开采技术推广的难点，需进一步攻关解决。

(2)中小煤矿综合机械化改造及提高资源采出率技术 我国既有以代表国际领先水平的先进产能的大型千万吨安全高效高采出率矿井，也同时存在开采方法、技术及装备均非常落后的中小煤矿。我国大量的中小煤矿普遍采用落后的开采技术及装备，效率低，安全风险高，资源采出率低。需进一步针对此类矿井条件，研发适合中小煤矿综合机械化改造的技术及装备，淘汰落后产能，实现我国大量中小煤矿的安全高效高采出率生产。

另外，对于不同条件下煤层的提高资源采出率技术也需要进一步研究，例如我国厚及特厚煤层目前主要采用的大采高综采及综放开采2种方法实现了厚及特厚煤层的安全高效生产，但同样存在巨厚顶煤回收、端头及三角区域顶煤回收、区段煤柱回收等问题。

(3)国产大型设备整机可靠性、使用寿命及智能化攻关 我国生产的工作面高端装备与国外产品的差距不在功率和生产能力上，而在于可靠性、使用寿命及自动化功能。以大功率采煤机为例，我国生产的高端采煤机装备与国外产品相比，在整机可靠性、寿命及自动化方面依然存在较大差距，导致目前国内绝大多数的千万吨工作面仍主要采用进口采煤机。因此，我国亟需提高综采工作面主要设备的整机可靠性、使用寿命和自动化水平。

(4)煤机装备的关键元部件可靠性难题攻关 目前，我国生产的高端煤机装备能力及功率数据虽然都较高，但此类高端煤机装备的主要元部件却仍主要采用进口产品。因此，我国需要继续开展对工作面关键设备的主要元部件，例如密封、电控、齿轮、变频器、轴承、软启动、减速器等的技术和可靠性攻关，缩小与国际先进水平的差距。

5 结束语

近年来，随着我国煤炭工业的快速发展，煤矿综合机械化开采技术及装备取得了巨大进步。“十五”、“十一五”期间，我国在煤矿综合机械化开采技术及装备研发方面的创新步伐逐渐加快，多项关键技术攻关取得重大突破。“十二五”期间，我国煤矿综合机械化开采技术及装备必将取得更多重大突破，煤炭工业整体将取得更大进步，为保障我国工业经济的健康、快速发展奠定坚实基础。

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