近十年来，我国学者和专家提出了科学开采和智慧矿山发展等新理念和技术构想[1-6]，有效推动了煤矿机械化换人、自动化减人、智能化无人综采技术与装备的持续创新[7，8]，促使我国煤炭产量由2005年的21.13亿t增加至2017年的34.45亿t，且2013年煤炭总产量达到39.74亿t；百万吨死亡率则由2005年的2.81下降至2017年的0.106，煤矿事故发生数量与死亡人数均随着煤炭产量的增加而逐年下降，部分矿区单一工作面的年产量已经突破15Mt，百万吨死亡率则持续保持为零，基本实现了煤炭资源的安全、高产、高效开采[9-11]，其中，综采成套技术与装备的发展进步起到了根本的支撑作用。

为了解决各类典型煤层条件综采工作面安全支护与自动化高产、高效、高回采率开采技术难题，笔者及其科研团队经过三十多年的研发与不断创新，取得了系统化的综采工作面围岩控制理论及薄煤层、中厚煤层、厚煤层、特厚煤层综采成套装备及其优化配套技术创新实践成果。

1 液压支架与围岩耦合关系及能量传递过程分析

基于大量综采工作面矿山压力现场监测分析结果，煤层上覆岩层断裂失稳传递至液压支架的载荷可分为静载荷与动载荷两类，液压支架针对两种载荷的响应方式主要为主动承压与被动让压，液压支架对围岩进行支护的本质是充分利用围岩的自承载能力为工人提供临时安全作业空间，可将液压支架与围岩的耦合关系分为强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合[12-14]。

围岩与液压支架的强度耦合主要解决围岩断裂失稳形成的动载冲击，而围岩与支架的刚度耦合则主要解决围岩静载荷作用下支架与围岩的变形问题，而围岩的变形量与围岩断裂失稳形成的动载荷具有一定的关联关系，液压支架与围岩的材料强度与刚度也密不可分，因此，应统筹分析液压支架与围岩的强度与刚度耦合关系。液压支架与围岩的稳定性耦合则包括几何稳定性、结构稳定性与系统稳定性，虽然围岩发生断裂失稳是诱发支架与围岩失稳的主因，但液压支架的稳定性则是控制围岩动态失稳的关键因素。

液压支架与围岩的耦合作用过程不仅存在力的传递，而且伴随着能量的积聚-耗散-释放-传递-响应过程，如图1所示。工作面煤层开挖将引起围岩内的应力场发生变化，原岩应力场、采动应力场与支架的支护应力场进行叠加，在工作面前方形成超前支承压力并积聚大量的弹性变形能，在能量积聚过程中围岩发生塑性变形与损伤破坏，部分能量将以塑性变形能和损伤能的形式耗散掉；当围岩内积聚的能量达到围岩的储能极限时，围岩将发生破坏失稳，储存在围岩内的弹性变形能将以动能、摩擦热能、辐射能等形式进行释放，其中动能以动载荷的形式通过直接顶板岩层传递至液压支架及采空区冒落的矸石上，并在传递过程中发生能量的耗散；液压支架通过立柱内的高压乳化液吸收、储存上述动能，当储存的能量超过支架立柱安全阀的调定阈值时，液压支架安全阀开启泄液释放能量。由于围岩断裂失稳形成的绝大部分动能将主要传递至采空区冒落的矸石上，因此，应最大程度利用围岩的自承载能力，维护工作面安全作业空间。

  

图1 支架与围岩能量传递过程图

由表3可见，灭弧时间随故障位置而变化，这意味着本文所提出的自适应单相重合闸方案可以通过控制断路器的重合闸来提高传输系统的性能，并且结果优于断路器重合闸之前采用固定间歇时间的传统单相重合闸方案。

2 薄煤层综采智能化装备配套设计

为了降低工作面采煤机机面高度，滚筒采煤机采用多电机平行布置、反装齿轨销排牵引机构，如图3所示，刮板输送机采用紧凑型扁平式刮板链，降低链条和槽帮高度，有效解决了采煤机过煤空间小、装煤效果差等问题。

1.3 观察及评价指标 根据痰液培养和血液培养结果统计所有病原菌，同时对其进行药敏试验，根据其药敏试验结果对所患病患儿进行治疗药物的选择治疗，观察患儿治疗情况及治疗后转归情况。

厚度为3～4m的中厚及厚煤层是国内外高产、高效、集约化开采的主体煤层[16]，我国中厚煤层储量丰富，开采技术条件优越，具备实现安全、高效、高回采率开采的条件。目前，制约中厚煤层实现安全、高效开采的主要技术瓶颈为综采装备的可靠性、装机能力及自动化水平。

一般将适应最小采高小于1.3m的综采装备称为薄煤层综采装备，根据落煤方式不同分为刨煤机与滚筒采煤机两种。虽然刨煤机开采方法较滚筒采煤机具有结构简单、适应自动化性能好等优点，但是刨煤机开采对煤层厚度变化、硬度变化、地质构造变化等适应性较差，进口自动化刨煤机组仅在铁法小青矿、晓南矿应用效果较好，而大同晋华宫矿、西山马兰矿等矿区应用效果均不佳。由于我国薄煤层赋存条件复杂多样，绝大多数矿井薄煤层采用滚筒采煤机开采[15]。

  

图2 薄煤层液压支架结构示意图

  

图3 反装齿轨销排牵引结构

针对厚度不稳定薄煤层安全高效开采难题，设计研发了薄煤层无人自动化开采模式及支护系统自组织协同控制方法，研发了基于电液控制系统的采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架、工作面自动调直等自动化开采技术，在0.6～1.3m赋存不稳定、有硬夹矸、复杂地质条件下，实现了工作面“有人值守，无人操作”的自动化开采。在黄陵一号煤矿较薄煤层实现了常态化远程监控、工作面无人操作的初级智能化开采。目前，正在针对蒙陕矿区硬煤薄煤层赋存条件，研发大功率薄煤层智能化综采成套技术与装备。

3 3～4m煤层年产千万吨综采成套装备配套设计

为了适应薄煤层工作面空间狭小、煤层厚度变化大等要求，薄煤层液压支架采用板式整体顶梁、两侧双平衡千斤顶叠位布置、大伸缩比双伸缩立柱等结构，并在支架底座上设计两个长方形空档，空档分别位于底座主筋板与底座连杆铰接耳板之间，当薄煤层液压支架运动到低位状态时，顶梁与掩护梁之间的两根平衡千斤顶则分别位于与其对应的空档中，如图2所示。

为了突破制约中厚煤层安全、高效开采的技术瓶颈，基于兖矿集团转龙湾煤矿3～4m煤层赋存条件，于2015年开展了中厚煤层年产千万吨国产自动化综采技术与装备攻关，研发了中心距为2.05m、支护强度达到1.3MPa的高可靠性综采液压支架(ZY16000/23/43D)，支架工作阻力达到16000kN，采用2.05m中心距有效提高了工作面移架速度；研发了MG900/2400-WD国产高可靠性电牵引采煤机，重载最大牵引速度达到17m/min，具备年产千万吨割煤能力；设计采用槽宽为1250mm的大运量、高可靠、重型刮板输送机，刮板输送机采用智能变频调速控制系统，运量达到3000t/h；为了提高工作面推进速度，工作面两端头巷道采用超前液压支架进行超前支护，超前液压支架采用遥控自动控制，实现了工作面整体协调推进，工作面设备列车同样实现了自动控制与快速推移，如图4所示。

  

图4 巷道自动超前支护及设备列车

首次采用了LASC惯性导航工作面自动调直技术，实现了国产采煤机电控系统与LASC系统的有效融合，采煤机三维姿态定位误差小于10cm；刮板输送机的智能控制器通过对采煤机割煤速度、落煤量及整机煤流量数据进行监测处理，实时调整刮板输送机的输出转矩与速度，如图5所示，使刮板输送机的运煤量接近比较理想的满载状态，同时又不会产生煤流堆积。采用惯性导航技术实现刮板输送机平直度测量偏差小于50mm，整个工作面的直线度偏差小于500mm。

  

图5 刮板输送机智能控制系统图

转龙湾煤矿23303工作面煤层厚度3.08～4.11m，平均3.67m，工作面长度300m，推进长度3300m，实现了工作面最高日产3.87万t，最高月产90.13万t，具备了年产千万吨生产能力。

4 超大采高综采成套装备配套设计

工作面开采高度大于3.5m的工作面为大采高综采工作面，采高大于6m的工作面为超大采高综采工作面[17]。在我国的山西、陕西、内蒙古等大型煤炭基地赋存有大量厚度为6～8m的坚硬厚煤层，以往由于缺乏超大采高综采成套技术与装备，此类煤层采用抽芯开采或综采放顶煤开采，煤炭资源回采率低，造成了大量煤炭资源损失。

五星组滑坡坡度较陡，坡度达30°～35°，相对高差30 m左右，滑坡前缘由于修建房屋形成临空面，前缘陡坎2～4 m高，边坡土体为含碎石粉质粘土和破碎的强风化泥灰岩，结构松散，易失稳。

针对西部矿区坚硬、厚煤层赋存条件，2004年开始研发6.2m超大采高综采液压支架及配套装备，并在晋城寺河煤矿成功应用。随后针对红柳林煤矿等7.0m厚煤层、金鸡滩煤矿等8.0m厚煤层研发了ZY18800/32/72D、ZY21000/38/82D超大采高综采液压支架及配套装备[18，19]，实现了6～8m厚煤层安全、高效、高回采率开采。

针对超大采高工作面围岩控制难题，研发了大流量抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置、高压升柱系统等，提高了液压支架对超大采高工作面动载矿压及煤壁片帮的适应性；在工作面两端头采用防倒装置，提高了超大采高液压支架的横向与纵向稳定性，如图6所示。

当min{intervali}= 100τ,150τ,200τ时，若S→∞，根据式(21)计算的asp极限值分别等于0.5944,0.6072,0.6135，而图5(c)中的asp分别等于0.5946,0.6075,0.6139，误差小于0.0005，因此，图5(c)的仿真结果与定理2相吻合.

“一灿，你以后能不能把你喝过的空瓶子都送我。”秦风突然问了我一句。“行！赶快走吧。”我敷衍他，只想赶紧撤离这窘迫的境地。

  

图6 液压支架防倒装置示意图(mm)

针对综放工作面自动化开采难题，研发了综放液压支架与围岩智能耦合控制装置及液压支架姿态监测系统，通过对液压支架与围岩的状态信息进行智能监测、分析与判断，利用液压支架的电液控制系统实现液压支架对围岩条件变化的自动调整，如图11所示。研发了综放液压支架智能放煤控制系统，实现了以时序控制为主、人工干预为辅的自动放煤控制。

目前，陕煤集团柠条塔煤矿6.0m超大采高工作面已经实现年产10Mt，神东补连塔煤矿7.0m超大采高工作面已经突破年产15Mt，兖矿集团金鸡滩煤矿8.0m超大采高综采工作面已经达到最高日产6.16万t水平，实现了6～8m厚煤层安全、高效、高回采率开采。

党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央坚持把解决好“三农”问题作为全党工作重中之重，坚持农业农村优先发展，两个“坚持”掷地有声、落地见效，“三农”发展开创出崭新局面。综观十八大以来的6个中央“一号文件”，逻辑上一脉相承、层层递进、浑然一体，实践中加速了城乡融合发展的历史进程。乡村振兴战略的提出，更是奏响了加快实现农业强、农村美、农民富的气势磅礴的主旋律，书写了我国城乡社会向现代化转型过程中致力于协调发展、共同繁荣的浓墨重彩的新篇章。

 

表1 不同槽宽刮板输送机对比分析

  

项目1400mm槽宽1500mm槽宽1600mm槽宽技术风险技术成熟度高，无需工业试验技术成熟度中等，已进行样件试制技术成熟度低，需进行设计验证与支架配套性与2050mm支架配套成熟与2050mm规格支架初次配套建议与2350mm以上支架配套与采机配套性与采煤机配套成熟；采用172mm销排与采煤机配套；16～20m形成S弯可确保采机斜切进刀采机稳定性较好；采用172mm销排与采煤机配套；16～20m形成S弯可确保采机斜切进刀采机稳定性好；建议采用199mm以上销排(全新)与采煤机配套；19～24m形成S弯可确保采机斜切进刀运输能力可满足年产1500万t需要，有30%的产能富裕度过煤空间大，满足年产1500万t需要，有50%以上产能富裕过煤空间大，满足年产1500万t需要，有70%以上产能富裕易安装性设备易安装，维护性好，刮板、销排单件重量约100～120kg设备易安装性一般，刮板、销排单件重量约100～130kg设备易安装性差，刮板、销排单件重量约150～200kg

  

图7 重型刮板输送机关键技术

  

图8 大梯度过渡配套技术

针对超大采高工作面开采高度与两端头巷道高度存在较大高差，采用传统小台阶逐级过渡配套方式导致两端头出现三角煤损失问题，设计开发了大梯度一次直接过渡配套方式，如图8所示，可以实现单一工作面多回采煤炭资源40万t。

5 特厚煤层大采高综放开采成套装备配套设计

对于厚度大于8m的特厚煤层，适宜采用综采放顶煤开采技术，对于冒放性较差的坚硬特厚煤层或煤层厚度大于14m的特厚煤层，则适宜采用大采高综采放顶煤开采技术。

针对晋陕蒙主要矿区14～23m特厚煤层条件，研发了系列四柱支撑掩护式大采高综放液压支架和系列两柱掩护式超强力大采高综放液压支架，通过创新大缸径双伸缩抗冲击立柱、强扰动高效放煤机构等新结构，两种系列的大采高放顶煤液压支架分别适用于不同的煤层赋存条件，实现了8～23m特厚煤层的安全、高效、高回采率开采。针对金鸡滩煤矿坚硬特厚煤层赋存条件，正在研制世界首套最大采高为6.5m的超大采高、超强力综放液压支架。

由于围岩的应力场演化过程十分复杂，很难直接获得各阶段能量变化的数值解析解，但可以通过对主关键层断裂失稳形成的动载荷及动能进行模拟分析，计算顶板岩层断裂形成的内生与外生能量，通过对两种能量形式进行转换、统一，获得传递至液压支架的动能及动载荷，从能量的角度计算液压支架应具有的合理工作阻力。

传统综放工作面多配套四柱反四连杆过渡液压支架，工作面过渡段人行通道狭窄、行人困难。为了解决上述问题，设计研发了正四连杆过渡液压支架，可以布置双人行通道，如图9所示，提高了综放工作面行人的可通过性与安全性。

  

1—采煤机；2—前部刮板输送机；3—前部行人通道；4—反四连杆机构；5—后部刮板输送机；6—中部行人通道；7—正四连杆机构

 

图9 过渡液压支架对比图

为了减少综放工作面后部刮板输送机拉回煤现象，改善后部刮板输送机的运行工况，笔者与兖矿集团合作，提出了综放工作面后部刮板输送机交叉侧卸的布置方式，如图10所示，前部刮板输送机的驱动电机采用平行布置，后部刮板输送机的驱动电机采用垂直布置，在后部刮板输送机机头后方布置两台尾巷液压支架，该配套方式已经在澳大利亚奥斯达煤矿成功应用，并在我国的东滩煤矿推广应用。

针对超大采高工作面瞬间煤量较大的问题，通过对不同槽宽刮板输送机的优缺点进行对比分析，见表1，设计研发了槽宽为1400mm的大运量智能变频控制刮板输送机，并在刮板输送机卸载口设计大块煤破碎装置，防止大块煤堵塞煤流；设计采用了瓦棱立板结构代替简单加厚立板的高强度、可翻转电缆槽，方便对采煤机进行检修，如图7所示。

  

图10 综放工作面后部交叉侧卸布置方式示意图

  

图11 液压支架与围岩智能耦合控制逻辑图

6 综采成套装备系列型谱优化设计

由于我国大型煤炭基地一般为多煤层赋存，不同煤层赋存条件需要采用不同的综采装备，类似煤层条件由于工作面长度、产量等要求不同，往往也会采用不同的配套设备，由此导致矿区综采设备型号繁杂、设备通用性差、备品备件种类与数量多、设备管理困难。

婚，肯定是要结在易非的房子里的，可让不让主卧给他们呢？易非想到了李倩倩，她实在是不想让她这个外人鸠占鹊巢，可她马上就要成为向南的老婆了，他们要风雨同舟共度一生，而且，她是他孩子的妈，就凭这一点，她也不能亏待她。让一对新人，窝在小客房，自己占着主卧？这来往的宾客看见了，像什么样呢？

针对上述问题，提出在大型煤炭基地建立综采装备系列型谱，通过对大型煤炭基地的煤层赋存条件进行分类分析，以煤层开采方法、开采高度为基础将矿区的综采装备划分为若干系列，并进行不同开采高度综采设备配套的可行性分析，采用数据分析、数据挖掘等技术建立大型煤炭基地综采装备系列型谱，如图12所示，实现大型煤炭基地的综采设备型号最全、最简、最优。

SPF级Sprague-Dawley雄性大鼠40只购自三峡大学实验动物中心，许可证号：SCXK（鄂）2011-0012。动物饲养于温度为20～23 ℃，湿度为55%～65%，12 h明暗交替的饲养室。自由摄食和饮水，并定期更换消毒垫料。

  

图12 大型煤炭基地综采装备系列型谱图

基于上述构建的综采装备系列型谱，建立大型矿区综采装备全生命周期管理系统，如图13所示。首先对需要购置的综采设备进行初步选型与配套，将设备选型配套结果与现有设备进行通用性评价，得出最优的设备型号及参数。对预购置设备的生产过程进行监造管理，设备到矿后需要对设备状态进行综合评价，设备使用、大修后对设备更换零部件的情况、设备状态等进行记录与评价，直至设备达到报废条件。上述整个综采设备全生命周期管理过程可以形成大型矿区的综采装备数据库，通过对综采设备管理数据进行分析，可以为后续综采设备选型配套提供数据支撑，同时还可以规范综采设备的采购流程，优化综采设备与备品备件的供应商。

  

图13 综采装备全生命周期管理系统图

目前，同煤集团、神南矿区已经初步建设了矿区的综采装备系列型谱，通过对矿区的综采装备进行综合统一协调管理，大大提高了设备的轮转使用效率，降低了设备投资及备品备件的库存量，取得了很好的技术与经济效益。

7 结 语

综采成套装备及其配套技术是实现煤炭安全开采、绿色开采、科学开采及智能化开采的重要支撑条件。近二十年来，我国综采总产量增加7.5倍，单一工作面年产量由最高百万吨提高到15Mt，人工效率提高30多倍，综采成套技术与装备出口到各主要产煤国家，均离不开综采技术与装备的发展进步。目前，我国已经成为世界第一产煤大国，但离实现全部科学开采的目标仍然有较大差距。

目前，我国综采装备已基本实现国产化，形成了系列齐全、体系完整、功能实用的综采技术与装备体系，但是综采装备的可靠性仍然存在很多问题。一些先进矿井已经建成了矿井数字化、信息化系统，能够对工作面工况进行自动监测与控制，实现了初步的自动化和智能化开采目标。但是，综采装备及配套技术仍然存在短板，缺乏对开采条件的自主分析、自主决策与自学习能力，系统可靠性和适应性仍是制约综采工作面实现常态化智能化开采的技术瓶颈。基于已有的综采丰富实践和创新成果，通过多专业、多学科的技术融合与协同攻关，加快智慧煤矿建设，推动我国煤矿实现高水平智能化开采。

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