煤炭安全高效综采理论技术与装备的创新和实践王国法

书书书　第４３卷第４期煤　　炭　　学　　报Ｖｏｌ．４３　Ｎｏ．４　　２０１８年４月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＣＯＡＬＳＯＣＩＥＴＹＡｐｒ．　２０１８　王国法，庞义辉，任怀伟，等．煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践［Ｊ］．煤炭学报，２０１８，４３（４）：９０３－９１３．ｄｏｉ：１０．１３２２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｃｃｓ．２０１７．１７０５ＷＡＮＧＧｕｏｆａ，ＰＡＮＧＹｉｈｕｉ，ＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ，ｅｔａｌ．Ｃｏａｌｓａｆｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｉｎｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１８，４３（４）：９０３－９１３．ｄｏｉ：１０．１３２２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｃｃｓ．２０１７．１７０５煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践王国法１，２，庞义辉１，任怀伟１，２，马　英１，２（１．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京　１０００１３；２．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京　１０００１３）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０ｍ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４ｍ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。关键词：特厚煤层；大采高；薄煤层；液压支架；围岩稳定性；智能化开采中图分类号：ＴＤ８０　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：０２５３－９９９３（２０１８）０４－０９０３－１１收稿日期：２０１７－１１－０４　　修回日期：２０１７－１２－２０　　责任编辑：常明然　　基金项目：国家重点研发计划资助项目（２０１７ＹＦＣ０６０３００５）；国家自然科学基金资助项目（５１７０４１５７）；国家自然科学基金重点资助项目（Ｕ１６１０２５１）　　作者简介：王国法（１９６０—），男，山东文登人，中国工程院院士，研究员，博士生导师。Ｔｅｌ：[phone]，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｇｕｏｆａ＠ｔｄｋｃｓｊｃｏｍＣｏａｌｓａｆｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｉｎｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅＷＡＮＧＧｕｏｆａ１，２，ＰＡＮＧＹｉｈｕｉ１，ＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ１，２，ＭＡＹｉｎｇ１，２（１．ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＢｒａｎｃｈ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏａｌＭｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＴｉａｎｄｉＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｄｉｖｅｒｓｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｃｏａｌｓｅａｍｉｎＣｈｉｎａ，ｔｈｅｓａｆｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｌｌｅｎｇｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐａｔｈｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ，ｔｈｅｓｉｘｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｅｒｅｆｏｕｎｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｕｐｌｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｂｅｔｗｅｅｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎ“ｔｈｒｅｅｃｏｕｐｌｉｎｇ”ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅ“ｔｏｐｄｏｗｎ”ｗｈｏｌｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｕｔｔｉｎｇｈｅｉｇｈｔｉｎｔｈｉｃｋｃｏａｌｓｅａｍ，ｔｈｅ“ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍ＋ｖｏｕｓｓｏｉｒｂｅａｍ”ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｒｏｏｆｓｔｒａｔａｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｐａｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒ“ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍ”ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｒｉｂｆａｉｌｕｒｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｓｏｒｔ．Ｔｈｅａｎｔｉｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｏｌｕｍｎｓ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｇｒｏｕｐｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄ“ｌａｒｇｅｇｒａｄｉｅｎｔ＋ｓｍａｌｌｓｔａｉｒｓ”ｍａｔｃｈｉｎｇｍａｎｎｅｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈａｃｈｉｅｖｅｄａｓａｆｅａｎｄｅｆｆｅｃ煤　　炭　　学　　报２０１８年第４３卷ｔｉｖｅｍｉｎｉｎｇｉｎＪｉｎｊｉｔａｎＣｏａｌＭｉｎｅｗｉｔｈ８ｍｓｕｐｅｒｃｕｔｔｉｎｇｈｅｉｇｈｔｉｎｔｈｉｃｋｃｏａｌｓｅａｍ．Ｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｏｐｃｏａｌｃａｖｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｉｎｆｕｌｌｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｗｉｔｈｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ，ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｏｐｃｏａｌｃａｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｔｈｔｈｒｅｅｇｒａｄｅｓｔｒｏｎｇｄｉｓｔｕｒｂｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔａｉｌｂｏｏｍｉｍｐａｃｔｃｒｕｓｈｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｅｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｎａｒｒｏｗｓｐａｃｅａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏａｃｈｉｅｖｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｉｎｉｎｇ，ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｗｉｔｈｓｕｐｅｒｂｉｇｅｘｐａｎｓｉｏｎｒａｔｉｏｒａｎｇｅｏｆ０５－１４ｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｔｈｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｎｏｂｏｄｙｏｐｅｒａｔｉｎｇｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｉｎＨｕａｎｇｌｉｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ．Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｓａｆｅｔｙａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｔｅａｄｙｃｏａｌｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎ，ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｒｏｂｏｔｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｍｉｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｈｉｇｈｃｏａｌｓｅａｍ；ｌａｒｇｈｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ；ｔｈｉｎｃｏａｌｓｅａｍ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚｅｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　　我国煤炭以地下开采为主，资源赋存条件复杂，２０世纪９０年代之前，以炮采、普采等开采方式为主，效率低下、事故高发，顶板事故一直是煤矿生产中主要事故源之一。２０世纪７０～８０年代，我国开始尝试机械化开采，引进近百套中厚煤层综采成套装备，发展综合机械化采煤，推动了煤炭开采技术的变革［１－５］。但当时我国没有综采的理论和设计方法，不清楚液压支架与围岩的作用规律，因而引进的综采液压支架不完全适应我国复杂的煤层条件及矿压规律，多个综采工作面被压垮或失败，引进装备的应用并不顺利。因此，研发适合我国开采条件的安全高效综采理论、技术和装备体系［６－７］，势在必行。从２０世纪８０年代中期开始，我国煤炭行业产学研用合作开展综采成套装备国产化研发，至２０世纪末基本实现了普通中厚煤层系列综采装备国产化，并先后研发了高位放顶煤、中位放顶煤和低位放顶煤液压支架及综放开采成套装备。２０００年以来，又不断开展高端综采装备技术攻关和创新，研发了世界最大采高的超大采高综采和大采高综放成套装备；研发了世界最小采高的薄煤层自动化综采装备和适应最大倾角５５°的综采成套装备；研发了智能化综采成套技术装备，推动了智能化无人开采技术的新发展。建立了综采液压支架技术标准体系，实现了成套装备的产业化和完全国产化，且产品和技术出口到世界主要产煤国家。１　煤炭安全高效开采面临的技术挑战近３０多年来，我国经济快速发展对煤炭需求急剧增长。综采是发展科学先进产能、实现煤炭安全高效绿色开发的根本途径。综采技术与装备的持续创新支撑了安全高效矿井建设，保障了国家能源需求。同时，综采的发展从根本上改变了煤炭安全生产条件，百万吨死亡率持续大幅度下降，如图１所示［８－９］。图１　我国煤炭开采方式产量组成和百万吨死亡率Ｆｉｇ１　ＣｏａｌｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｑｕｏｏｆＣｈｉｎａ综采的核心是用液压支架形成地下动态稳定的开采空间和高效推进的采煤作业系统。由于我国煤层赋存条件复杂、多样，煤炭资源的安全高效开采面临以下主要技术挑战：（１）我国煤矿机械化起步晚，煤层赋存条件千差万别，工作面原岩应力场与采动应力场复杂多变，传统矿压理论无法有效解释和解决高强度开采综采工作面围岩控制的关键技术问题，亟需建立我国高效综采理论、技术和装备体系。（２）６～２０ｍ厚及特厚煤层是我国大型煤炭基地的主采煤层，其资源储量与产量均占我国煤炭资源总量的近半，因无法解决大采高工作面岩层运动和应力场突变导致围岩失稳等难题，国内外长期没有６～２０ｍ厚及特厚煤层安全高效开采的技术和装备，造成煤炭资源大量损失，亟待开采技术与装备的新突破。（３）我国煤矿普遍为多煤层赋存条件，厚度小于１３ｍ的薄煤层储量约占煤炭资源总储量的２０％，多作为保护层开采。由于薄煤层在三维空间起伏和厚度变化大，开采参数变化梯度大，综采设备可调节范围难以满足需要；且工作面空间狭小，人工操作困难，设备尺寸与能力之间的矛盾突出，设备自动化连续高效推进及系统协调控制难度大。４０９第４期王国法等：煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新和实践２　液压支架与围岩耦合原理及设计方法２１　液压支架与围岩的“三耦合”作用原理工作面煤层开挖打破了原岩地应力场的平衡状态，在工作面围岩形成减压区、增压区和稳压区。由于煤层赋存环境不同，工作面围岩所处的原岩应力场状态存在较大差异，不同开采技术参数形成的开采扰动范围、程度等也不相同，采动应力场与支护设备形成的支护应力场相互叠加影响，并对围岩施加循环的静、动载荷，导致不同层位围岩的应力状态（应力路径）、屈服强度等呈现明显差异，不同层位围岩的破坏块度大小、铰接结构等均不相同。基于西部矿区大采高工作面煤层赋存条件，采用数值模拟分析了不同层位顶板细砂岩的应力路径及破断结构，如图２所示。虽然３个层位细砂岩的力学参数相同，但由于不同层位细砂岩受到的循环加卸载应力路径存在较大差异，随着岩层与工作面垂直距离