文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進(jìn)展成果特刊”

第一作者：張強，高級工程師，現任陜西雙龍煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責任公司經(jīng)理，主要從事煤礦開(kāi)采、智能化設備應用的相關(guān)研究工作。E-mail：623925904@qq.com

作者單位：陜西雙龍煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責任公司

引用格式：張強，馬英，秦蒙.薄及極薄煤層高效智能開(kāi)采成套裝備研發(fā)與應用[J].智能礦山，2025，6(2)：23-27.

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薄煤層廣泛分布于我國80多個(gè)礦區，儲量約98.3億t，其中可采儲量約65億t，占全國煤炭全部可采儲量約20%，但是薄及極薄煤層開(kāi)采裝備技術(shù)成熟度低、工人勞動(dòng)強度大，開(kāi)采投入高、效率低，導致薄及極薄煤層普遍棄采，造成了煤炭資源的巨大浪費，薄煤層產(chǎn)量?jì)H占全國煤炭產(chǎn)量約10%，與可采儲量不協(xié)調。安全高效開(kāi)采薄煤層是提高煤炭資源采出率，緩解資源緊張的重要途徑。薄及極薄煤層高效開(kāi)采裝備和無(wú)人化智能開(kāi)采技術(shù)是解決薄及極薄煤層開(kāi)采諸多問(wèn)題的必由之路。

薄及極薄煤層開(kāi)采難點(diǎn)

目前，國內薄煤層采高一般大于1.3m，陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司實(shí)現了最小采高1.1m的技術(shù)性突破。最小采高小于1.2m的綜采設備多以破底或破頂開(kāi)采方式，對設備壽命、設備投資造成嚴重浪費，開(kāi)采出的煤炭夾矸多，需要二次洗選。受限于經(jīng)濟效益、開(kāi)采高度和裝備技術(shù)等因素制約，1m以下煤層綠色高效開(kāi)采難度較大，以目前裝備和技術(shù)處于開(kāi)采無(wú)效益，不開(kāi)采資源嚴重浪費的狀態(tài)。

陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)黃陵礦業(yè)）中厚煤層采用1次采全高采煤法取得了良好的技術(shù)及經(jīng)濟效益，工藝方法和裝備水平達到了國內先進(jìn)水平。但礦區內存在大量厚度為0.85～1m的煤層資源，受開(kāi)采高度限制和裝備技術(shù)影響，開(kāi)采難度較大，基本處于無(wú)開(kāi)采狀態(tài)。為避免資源浪費，實(shí)現資源均衡開(kāi)采，改變目前薄煤層配置設備的思路和方法，將薄煤層開(kāi)采設備成套一體化、智能化技術(shù)和薄煤層開(kāi)采工況適應性設計相結合，可實(shí)現極薄煤層無(wú)人化開(kāi)采，填補1m以下厚度極薄煤層成套裝備與開(kāi)采技術(shù)的空白。

薄煤層開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)為連續快速推采難、工作面空間受限、人員跟機難，嚴重制約采煤機開(kāi)采速度；裝備選型適配難，采機大功率、刮板輸送機可靠性和液壓支架支護性能與開(kāi)采空間的矛盾突出；智能高效開(kāi)采難，薄煤層工作面作業(yè)環(huán)境差，煤塵對監控效果影響大，實(shí)現遠程視頻監控操作難度大，并缺乏煤層條件變化情況下的智能感知、自主決策能力，難以實(shí)現與煤層條件的最佳匹配。

黃陵礦業(yè)以《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見(jiàn)》中“綜采工作面內少人或無(wú)人操作”的行業(yè)發(fā)展目標，為實(shí)現薄及極薄煤層工作面資源充分回收及可持續發(fā)展，以“面內無(wú)人操作、面外人工干預”為目標，建設陜西雙龍煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)雙龍煤礦）的無(wú)煤柱自成巷極薄煤層智能開(kāi)采工作面示范工程，開(kāi)展薄及極薄煤層無(wú)人化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)的研究與應用工作。

薄及極薄煤層開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng )新

2.1 高可靠性綜采成套設備

通過(guò)分析極薄煤層工作面的地質(zhì)特性和支護特征，解決極薄煤層空間狹小與裝備高可靠性、大功率之間的矛盾，研發(fā)了適用于極薄煤層工作面的小采高、大工作阻力液壓支架，設計了適用于狹窄空間的抬底、推移結構，以及極薄煤層液壓支架專(zhuān)用立柱，特殊結構設計便于立柱閥組檢修，同時(shí)增強立柱可靠性。

（1）緊湊型電液控制系統

結合國內外現有電液控制系統現狀，優(yōu)化電液供液系統布置形式及尺寸，設計了緊湊型小型化控制器、電液閥組和攝像頭，在不降低性能的前提下，研發(fā)出緊湊型電液控制系統，保障液壓支架在極端工況下的操作性能，實(shí)現極薄層工作面的高效、安全支護，兩柱掩護式液壓支架及緊湊型電液控制元件如圖1所示。

圖1 兩柱掩護式液壓支架及緊湊型電液控制元件

（2）超矮機身采煤機

極薄煤層開(kāi)采的采煤機功率、刮板輸送機可靠性與開(kāi)采空間矛盾突出，在最小采高安全空間限制下，實(shí)現穩定開(kāi)采和運煤是極薄煤層工作面開(kāi)采難題。為解決空間限制問(wèn)題，創(chuàng )新設計了反裝銷(xiāo)排形式，分析小直徑滾筒截齒合理布置方式，進(jìn)行了結構及高強度材料的研究和試驗調試，設計了搖臂殼體材質(zhì)、加工制造工藝及特殊可回轉結構的牽引行走導向機構，研制出超矮機身采煤機。

（3）極薄煤層刮板輸送機

在刮板輸送機方面，研究設計了特殊結構機頭架、機頭尾驅動(dòng)部、側掛式銷(xiāo)排結構矮槽幫、專(zhuān)用型伸縮機尾、液壓調高墊架等關(guān)鍵部件，滿(mǎn)足走向和傾向多方向的角度的多維度機頭，研制液壓調高反曲線(xiàn)重疊側卸機頭，適應工作面與掘底巷道的高度變化，取消驅動(dòng)部減速器，采用直驅永磁變頻一體機結構設計，進(jìn)一步降低了設備空間占用，研制出適合極薄煤層的刮板輸送機。

極薄煤層高可靠性綜采成套設備，實(shí)現了“三機”裝備在薄及極薄煤層工作面空間狹小、設備運動(dòng)空間有限、檢修困難等多重限制條件下的穩定運行，為薄及極薄煤層工作面智能無(wú)人化開(kāi)采打下堅實(shí)基礎，極薄煤層智能化工作面成套裝備聯(lián)調如圖2所示。

圖2 極薄煤層智能化工作面成套裝備聯(lián)調

2.2 無(wú)人化高效開(kāi)采控制系統

為降低極薄煤層工作面人員勞動(dòng)強度，通過(guò)智能控制系統替代人工跟機操作，實(shí)現薄煤層無(wú)人化作業(yè)的快速推采。以雙龍煤礦無(wú)煤柱自成巷極薄煤層智能開(kāi)采工作面作為示范工程，完成了數字孿生的智能截割系統、狹窄空間5G漏纜通信系統、工況檢測與故障預警系統、采煤自適應控制系統、智能冗余控制系統、智能煤流檢測監控系統和遠程集中控制系統等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，實(shí)現了極薄煤層工作面“面內無(wú)人操作，面外人工干預”的生產(chǎn)模式。

（1）實(shí)時(shí)監測工作面運行工況

采用多源數據融合方案構建了運行工況監測體系，通過(guò)安裝在工作面的RGBD相機采集數據進(jìn)行目標檢測，實(shí)現了綜采過(guò)程中關(guān)鍵設備及目標對象狀況（煤機滾筒、液壓支架、刮板輸送機、片幫、大塊煤、操作工人等目標）的自動(dòng)檢測識別。構建了煤壁深度距離模型，通過(guò)深度時(shí)變差異分析，實(shí)現了對煤壁狀態(tài)及片幫體量估計，將視覺(jué)攝像與壓力、位移傳感器等深度結合，分析判斷極薄煤層工作面采煤機和液壓支架狀態(tài)，對非正常工況支架進(jìn)行預警，實(shí)現了安全生產(chǎn)過(guò)程的智能化感知。

（2）采煤機智能截割控制

研發(fā)了基于透明化工作面的智能截割系統，建立了高精度透明化工作面地質(zhì)模型，集成工作面成套設備和慣導系統的位姿信息，利用人工測量及傳感器實(shí)時(shí)數據動(dòng)態(tài)修正工作面地質(zhì)體和煤巖層數據模型，智能截割算法根據數據模型進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，發(fā)布規劃截割指令。采煤工藝編輯引擎具有采煤工藝離線(xiàn)編輯、人機交互工藝調整和采煤機、支架工序自動(dòng)匹配等功能，實(shí)現了采煤機截割工序調度、支架跟機控制調度及匹配的全程自動(dòng)化。極薄煤層工作面直線(xiàn)度數據的煤層起伏數據分析和優(yōu)化算法，實(shí)現了采煤機截割曲線(xiàn)在線(xiàn)修正和采煤機滾筒精確調高。智能煤流檢測監控系統與截割規劃動(dòng)態(tài)配合，檢測到煤流負荷后將煤流運輸系統運行速度與采煤機截割速度和牽引方向進(jìn)行同步自適應調節，極薄煤層工作面無(wú)人化開(kāi)采智能控制系統如圖3所示。

圖3 極薄煤層工作面無(wú)人化開(kāi)采智能控制系統示意

（3）極薄煤層綜采工作面液壓系統模型

針對極薄煤層工作面快速推進(jìn)的高效開(kāi)采需求，建立了極薄煤層綜采工作面液壓系統模型，完成綜采工作面主要液壓元件特性測試及液壓系統的仿真分析，開(kāi)發(fā)了分布式穩壓系統，提高供液質(zhì)量，搭建高穩定性高可靠性供液系統。研發(fā)了極薄煤層工作面液壓支架、自移機尾、自移轉載機、自移超前支架、刮板輸送機機尾和轉載機機頭自動(dòng)張緊、自移設備列車(chē)、電纜和供水管路自動(dòng)拖曳等關(guān)鍵設備的協(xié)同電液控制，形成了極薄煤層工作面超前支護裝備和工作面一體化推進(jìn)技術(shù)體系；研制了自動(dòng)協(xié)同推進(jìn)關(guān)鍵裝備，創(chuàng )新提出了超前支架和轉載機連接機構工藝，成功實(shí)現運輸?支護一體化，真正實(shí)現了運?支協(xié)同，巷道支護工況檢測及協(xié)同推進(jìn)系統如圖4所示。

圖4 巷道支護工況檢測及協(xié)同推進(jìn)系統示意

（4）建設5G漏纜通信系統

為了實(shí)現極薄煤層工作面與井下控制中心、井上遙操作集控中心的穩定通信，針對性研發(fā)了適用于極薄煤層工作面狹窄空間的5G漏纜通信系統，通過(guò)工作面內的漏纜布置進(jìn)行組網(wǎng)，采煤機內置式5G模組與其他設備共同組成穩定的數據鏈路，實(shí)現了極薄煤層工作面內5G冗余通信功能。

（5）智能化協(xié)同控制系統

井下工作面控制中心和地面遙操作集控中心實(shí)現集中協(xié)同控制，主要包括采煤機智能截割及遠程控制系統，液壓支架追機推移刮板輸送機移架、采高姿態(tài)調整、自動(dòng)糾偏校直、人員定位、工況視頻監控系統、有線(xiàn)和5G無(wú)線(xiàn)通信系統、智能煤流運輸控制系統、智能遠距離供液系統和智能供配電集控系統。所有系統集中聯(lián)成網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行智能化協(xié)同控制，實(shí)現了工作面無(wú)人操作、人工遠程干預，智能化協(xié)同控制中心如圖5所示。

圖5 智能化協(xié)同控制中心

2.3 多系統融合安全保障體系

極薄煤層工作面環(huán)境條件嚴苛、操作空間小，現場(chǎng)操作人員難以快速處置突發(fā)情況，對工作面成套裝備及控制系統的安全監測和危險預警能力提出更高要求，針對極薄煤層工作面礦壓、粉塵、瓦斯等風(fēng)險項，建立了有效的預警與安全保障技術(shù)措施，具體包括以下3個(gè)方面。

（1）礦壓大數據智能預警監測系統

礦壓大數據智能預警監測系統實(shí)時(shí)監測礦壓動(dòng)態(tài)，根據支架工作阻力變化規律評價(jià)支架的支護效果，有效防止因頂底板及圍巖垮塌引起的安全事故。構建了基于綜采工作面電液控制系統壓力數據和巷道壓力監測數據的礦壓大數據中心，實(shí)現了電液控制壓力、傾角、位移、行程等數據的時(shí)間統一。以支架初撐力不合格比例、工作阻力高報比例、安全閥開(kāi)啟比例、支架不保壓比例、不平衡比例等關(guān)鍵數據作為主要指標，形成了液壓支架工況的實(shí)時(shí)評價(jià)體系。

為實(shí)現極薄煤層工作面開(kāi)采過(guò)程中來(lái)壓的提前預警，研發(fā)了綜采工作面周期來(lái)壓自動(dòng)分析和預測預警算法，實(shí)現了工作面周期來(lái)壓的自動(dòng)分析和及時(shí)預警，并通過(guò)周期來(lái)壓步距、強度、范圍等頂板來(lái)壓預警指標體系和算法模型，綜合分析歷史來(lái)壓數據，提前預測預報下一次來(lái)壓。

（2）粉塵自動(dòng)感知與降塵系統

薄煤層工作面無(wú)人化操作割煤的核心為監控系統的可視化程度，薄煤層工作面空間小，攝像頭視覺(jué)范圍受限，工作面粉塵較大嚴重影響工作面智能化采煤效果。研發(fā)了粉塵自動(dòng)感知與降塵系統，實(shí)現了跟機自動(dòng)噴霧、感知人員自動(dòng)停止噴霧和根據粉塵濃度智能調節噴霧開(kāi)關(guān)和噴霧量，實(shí)現了噴霧系統與粉塵預警系統一體化聯(lián)動(dòng)，粉塵控制效果良好的。

（3）高瓦斯條件下安全高效開(kāi)采保障系統

為應對極薄煤層工作面采煤過(guò)程中易出現瓦斯涌出量超標，工作面多個(gè)位置安裝CH4和CO傳感器，實(shí)現了“全覆蓋式實(shí)時(shí)監測+重點(diǎn)區域預測警示”的瓦斯監控功能，達到提前預警、快速響應的瓦斯監控管理效果。智能識別工作面瓦斯濃度實(shí)時(shí)監測數據，滿(mǎn)足預警瓦斯濃度，搭建了多級聯(lián)控平臺，實(shí)現對采煤機啟停、速度的自動(dòng)控制。

應用效果

通過(guò)薄及極薄煤層高效智能開(kāi)采成套裝備一體化設計，解決了薄煤層空間狹小與裝備高可靠性和生產(chǎn)能力之間的矛盾，實(shí)現了極薄煤層的穩定開(kāi)采。通過(guò)智能控制無(wú)人跟機，融合工作面運行工況實(shí)時(shí)檢測系統、自適應供液系統等智能化子系統，實(shí)現了薄煤層無(wú)人化作業(yè)的快速推采。通過(guò)研發(fā)的粉塵自動(dòng)感知與降塵系統、高瓦斯條件下安全高效開(kāi)采保障技術(shù)，解決了復雜條件極薄煤層安全性開(kāi)采。

薄及極薄煤層高效智能開(kāi)采成套裝備的成功研發(fā)與應用使黃陵礦業(yè)實(shí)現了極薄煤層工作面0.8m采高常態(tài)化運行，年產(chǎn)能力為100萬(wàn)t，成功解決了薄煤層群綠色、高效、智能開(kāi)采難題，進(jìn)一步提升了我國煤炭極薄煤層開(kāi)采技術(shù)和裝備水平。

雙龍煤礦應用薄及極薄煤層高效智能開(kāi)采成套裝備與系統后，工作面長(cháng)度延長(cháng)至236.5m，有效減少了極薄煤層設備搬家次數，提高了設備利用率，降低了設備噸煤成本，提升了極薄煤層工作面生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。無(wú)人化技術(shù)的成熟應用實(shí)現了工作面減人增效的目標，試運行生產(chǎn)期間工作面作業(yè)人員由6人減少至面內無(wú)人作業(yè)、2人定期巡檢，有效減輕了一線(xiàn)工人勞動(dòng)強度，對極薄煤層無(wú)人化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)的推廣和應用起到了重要的示范作用。

結語(yǔ)

薄及極薄煤層高效智能開(kāi)采成套裝備的研發(fā)與應用使雙龍煤礦成為薄及極薄煤層標志性礦井，具有良好的示范應用效果，提升了國內極薄煤層智能化開(kāi)采技術(shù)和成套裝備技術(shù)水平，帶動(dòng)了薄及極薄煤層資源高效利用的發(fā)展進(jìn)程。

黃陵礦業(yè)繼續按照“協(xié)同攻關(guān)核心技術(shù)、打造全國煤礦智能化標桿，形成行業(yè)示范的發(fā)展目標，不斷提升薄及極薄煤層智能化與高端裝備關(guān)鍵技術(shù)水平，全面加快“智能礦井、智慧礦區”建設，為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供不竭動(dòng)力。

“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì )”自 2021年開(kāi)始，至今已舉辦4次，發(fā)布會(huì )吸引了眾多煤礦智能化建設領(lǐng)域的專(zhuān)家及科研、工程技術(shù)人員，成為展示煤礦智能化建設成果，交流煤礦智能化科技成果的盛會(huì )。