作者

王国法1,2，庞义辉1，任怀伟1,2，马英1,2

作者单位

1. 煤炭科学研究总院 开采研究分院； 2. 天地科技股份有限公司开采设计事业部

摘 要

　　2030年之前我国以煤为主的能源格局难以改变，煤炭资源安全高效开采仍然面临一系列技术挑战。

　　基于不同层位围岩破断的应力路径效应研究成果，研究了液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合作用原理，提出了液压支架适应围岩失稳的“三耦合”动态优化设计方法。

　　针对厚煤层超大采高综采，建立了顶板岩层断裂失稳的“悬臂梁+砌体梁”力学模型，分析了“悬臂梁”破坏失稳的空间条件与力学条件。

　　通过数值模拟方法分析了煤壁破坏的主要影响因素，得出了各影响因素对煤壁破坏的敏感度排序。

　　研发了增容缓冲抗冲击立柱、液压支架群组协同控制系统及“大梯度+小台阶”配套方式，实现了金鸡滩煤矿8.0 m超大采高工作面安全高效开采.

　　针对特厚煤层大采高放顶煤开采，研发了三级强扰动高效放煤机构与尾梁冲击破碎装置。

　　针对薄煤层研发了调高范围为0.5～1.4 m的超大伸缩比液压支架，在黄陵一号煤矿实现了常态化远程监控、工作面无人操作的智能化开采。

　　对未来需要突破的安全高效开采关键技术进行了展望，提出了稳定割煤与连续推进、高可靠性设计、综采设备机器人化及透明开采4个技术方向。

论文结构

煤炭安全高效综采理论、技术与装备的

创新和实践

1 煤炭安全高效开采面临的技术挑战

2 液压支架与围岩耦合原理及设计方法

3 大采高综采综放技术与装备

4 薄煤层自动化开采技术与装备

5 结论与展望

主要图例

我国煤炭开采方式产量组成和

百万吨死亡率

液压支架动态优化设计过程

液压支架群组协同控制示意

“大梯度+小台阶”过渡配套方式

薄煤层自动化开采系统控制逻辑

小知识

　　“液压支架与围岩的强度、刚度与稳定性耦合原理”提出的依据？

　　基于围岩的应力路径效应分析结果，通过大量现场观测试验，发现了液压支架维护顶板动态失稳的6个可控参数：顶梁梁端距、顶梁对顶板的水平作用力、顶梁合力作用点、护帮板的护帮力矩、液压支架的初撑力与支护强度、工作面推进速度。

　　液压支架应具有合理的强度(支护强度与结构强度)，适应顶板岩层断裂失稳对工作面形成的静载与动载冲击。

　　液压支架应具有合理的刚度，通过提高液压支架的初撑力，可以提高液压支架与直接顶板和底板的组合刚度，从而影响顶板岩层断裂点与液压支架的相对位置，降低顶板岩层断裂失稳施加于液压支架的静、动载荷。

　　液压支架应具有合理的自稳定系统，以支架自身的稳定性为基础，通过自身的稳定来维护围岩的动态失稳。

　　基于上述原理，王国法院士团队提出了液压支架与围岩的强度、刚度与稳定性耦合原理。

　　煤壁发生片帮的充要条件是什么？

　　煤层自身的物理力学参数(内因)对煤壁破坏深度的影响程度最大，工作面开采技术参数(外因)中开采高度对煤壁的破坏深度影响最大，各参数对煤壁发生破坏及破坏程度影响的敏感性排序依次为煤层的内摩擦角>黏聚力>抗拉强度>工作面采高>煤层埋深>液压支架支护强度。

　　通过大量现场观测发现，煤壁发生破坏仅仅是煤壁片帮的必要非充分条件，煤壁发生片帮的充要条件为煤壁发生破坏，且煤壁破坏体发生失稳。液压支架的支护强度虽然难以抑制煤壁发生破坏，但可以与液压支架的护帮机构通过协调控制抑制煤壁破坏体发生失稳，从而降低工作面煤壁片帮事故的发生。

　　煤炭安全高效开采未来需要突破的关键技术有哪些?

　　(1)复杂煤层自动稳定割煤与连续推进技术

　　煤层赋存条件的复杂性和安全制约因素的多样性是综采面临的最大难题，煤层不稳定、夹矸、断层、破碎顶板等很多问题都会导致工作面发生片帮冒顶，液压支架倒架、扎底，刮板输送机飘溜，采煤机截割困难，设备损坏严重，导致生产不连续。应研发新的开采工艺方法及成套装备，适应井下复杂的工作面生产条件。

　　(2)复杂工况下的设备高可靠性技术

　　研究综采装备关键元部件失效模式与故障机理，构建装备关键部件及系统的可靠性评价体系，完善可靠性设计，攻克关键元部件的材料和制造工艺，切实解决综采装备的可靠性问题，特别是提高采煤机的可靠性，提高工作面综合开机率，为工作面自动化连续生产提供可靠保障。

　　(3)综采设备机器人化技术

　　液压支架、采煤机、刮板输送机等工作面设备具备自动感知、控制和执行的能力，即相当于一台专用机器人；借用机器人技术与理论研究煤机装备，代替人在恶劣的工况环境中工作，实现危险工作面无人操作的目标。

　　(4)基于三维GIS系统的透明开采技术

　　充分利用地质探测技术，基于三维GIS建立可在线实时数据更新的地质、环境、生产全息信息系统，做到对地质构造、应力变化、瓦斯、水等开采条件的透明化监测；基于惯导、UWB等装备导航及设备定位技术实现采煤、掘进的精确控制；同时，装备群具备自学习、自适应及协调控制功能，实现采、掘、运等开采过程的实时“透明化”控制。