重大進展特刊┃陜煤黃陵礦業(yè)：薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備研發(fā)與應(yīng)用

重大進展特刊

為宣傳推廣煤礦智能化建設(shè)先進經(jīng)驗和創(chuàng)新成果，發(fā)揮典型示范引領(lǐng)作用，《智能礦山》于2025年第2期策劃出版了《2024年煤礦智能化重大進展成果特刊》，刊登代表新時代煤礦人創(chuàng)造性實踐和智慧結(jié)晶的11項智能化建設(shè)成果，以饗讀者。

文章來源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進展成果特刊”

第一作者：張強，高級工程師，現(xiàn)任陜西雙龍煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司經(jīng)理，主要從事煤礦開采、智能化設(shè)備應(yīng)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)開發(fā)有限責(zé)任公司

引用格式：張強，馬英，秦蒙.薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備研發(fā)與應(yīng)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多個礦區(qū)，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采裝備技術(shù)成熟度低、工人勞動強度大，開采投入高、效率低，導(dǎo)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)量僅占全國煤炭產(chǎn)量約10%，與可采儲量不協(xié)調(diào)。安全高效開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采裝備和無人化智能開采技術(shù)是解決薄及極薄煤層開采諸多問題的必由之路。

薄及極薄煤層開采難點

目前，國內(nèi)薄煤層采高一般大于1.3m，陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司實現(xiàn)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(shè)備多以破底或破頂開采方式，對設(shè)備壽命、設(shè)備投資造成嚴(yán)重浪費，開采出的煤炭夾矸多，需要二次洗選。受限于經(jīng)濟效益、開采高度和裝備技術(shù)等因素制約，1m以下煤層綠色高效開采難度較大，以目前裝備和技術(shù)處于開采無效益，不開采資源嚴(yán)重浪費的狀態(tài)。

陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司（簡稱黃陵礦業(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(dá)到了國內(nèi)先進水平。但礦區(qū)內(nèi)存在大量厚度為0.85～1m的煤層資源，受開采高度限制和裝備技術(shù)影響，開采難度較大，基本處于無開采狀態(tài)。為避免資源浪費，實現(xiàn)資源均衡開采，改變目前薄煤層配置設(shè)備的思路和方法，將薄煤層開采設(shè)備成套一體化、智能化技術(shù)和薄煤層開采工況適應(yīng)性設(shè)計相結(jié)合，可實現(xiàn)極薄煤層無人化開采，填補1m以下厚度極薄煤層成套裝備與開采技術(shù)的空白。

薄煤層開采的關(guān)鍵技術(shù)難點為連續(xù)快速推采難、工作面空間受限、人員跟機難，嚴(yán)重制約采煤機開采速度；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采空間的矛盾突出；智能高效開采難，薄煤層工作面作業(yè)環(huán)境差，煤塵對監(jiān)控效果影響大，實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)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，難以實現(xiàn)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(dǎo)意見》中“綜采工作面內(nèi)少人或無人操作”的行業(yè)發(fā)展目標(biāo)，為實現(xiàn)薄及極薄煤層工作面資源充分回收及可持續(xù)發(fā)展，以“面內(nèi)無人操作、面外人工干預(yù)”為目標(biāo)，建設(shè)陜西雙龍煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司（簡稱雙龍煤礦）的無煤柱自成巷極薄煤層智能開采工作面示范工程，開展薄及極薄煤層無人化開采關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。

薄及極薄煤層開采關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

2.1 高可靠性綜采成套設(shè)備

通過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(shè)計了適用于狹窄空間的抬底、推移結(jié)構(gòu)，以及極薄煤層液壓支架專用立柱，特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計便于立柱閥組檢修，同時增強立柱可靠性。

（1）緊湊型電液控制系統(tǒng)

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有電液控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，優(yōu)化電液供液系統(tǒng)布置形式及尺寸，設(shè)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(tǒng)，保障液壓支架在極端工況下的操作性能，實現(xiàn)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

極薄煤層開采的采煤機功率、刮板輸送機可靠性與開采空間矛盾突出，在最小采高安全空間限制下，實現(xiàn)穩(wěn)定開采和運煤是極薄煤層工作面開采難題。為解決空間限制問題，創(chuàng)新設(shè)計了反裝銷排形式，分析小直徑滾筒截齒合理布置方式，進行了結(jié)構(gòu)及高強度材料的研究和試驗調(diào)試，設(shè)計了搖臂殼體材質(zhì)、加工制造工藝及特殊可回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的牽引行走導(dǎo)向機構(gòu)，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(shè)計了特殊結(jié)構(gòu)機頭架、機頭尾驅(qū)動部、側(cè)掛式銷排結(jié)構(gòu)矮槽幫、專用型伸縮機尾、液壓調(diào)高墊架等關(guān)鍵部件，滿足走向和傾向多方向的角度的多維度機頭，研制液壓調(diào)高反曲線重疊側(cè)卸機頭，適應(yīng)工作面與掘底巷道的高度變化，取消驅(qū)動部減速器，采用直驅(qū)永磁變頻一體機結(jié)構(gòu)設(shè)計，進一步降低了設(shè)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(shè)備，實現(xiàn)了“三機”裝備在薄及極薄煤層工作面空間狹小、設(shè)備運動空間有限、檢修困難等多重限制條件下的穩(wěn)定運行，為薄及極薄煤層工作面智能無人化開采打下堅實基礎(chǔ)，極薄煤層智能化工作面成套裝備聯(lián)調(diào)如圖2所示。

圖2 極薄煤層智能化工作面成套裝備聯(lián)調(diào)

2.2 無人化高效開采控制系統(tǒng)

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

（1）實時監(jiān)測工作面運行工況

采用多源數(shù)據(jù)融合方案構(gòu)建了運行工況監(jiān)測體系，通過安裝在工作面的RGBD相機采集數(shù)據(jù)進行目標(biāo)檢測，實現(xiàn)了綜采過程中關(guān)鍵設(shè)備及目標(biāo)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(biāo)）的自動檢測識別。構(gòu)建了煤壁深度距離模型，通過深度時變差異分析，實現(xiàn)了對煤壁狀態(tài)及片幫體量估計，將視覺攝像與壓力、位移傳感器等深度結(jié)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行預(yù)警，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)過程的智能化感知。

（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(tǒng)，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(shè)備和慣導(dǎo)系統(tǒng)的位姿信息，利用人工測量及傳感器實時數(shù)據(jù)動態(tài)修正工作面地質(zhì)體和煤巖層數(shù)據(jù)模型，智能截割算法根據(jù)數(shù)據(jù)模型進行實時解算，發(fā)布規(guī)劃截割指令。采煤工藝編輯引擎具有采煤工藝離線編輯、人機交互工藝調(diào)整和采煤機、支架工序自動匹配等功能，實現(xiàn)了采煤機截割工序調(diào)度、支架跟機控制調(diào)度及匹配的全程自動化。極薄煤層工作面直線度數(shù)據(jù)的煤層起伏數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化算法，實現(xiàn)了采煤機截割曲線在線修正和采煤機滾筒精確調(diào)高。智能煤流檢測監(jiān)控系統(tǒng)與截割規(guī)劃動態(tài)配合，檢測到煤流負(fù)荷后將煤流運輸系統(tǒng)運行速度與采煤機截割速度和牽引方向進行同步自適應(yīng)調(diào)節(jié)，極薄煤層工作面無人化開采智能控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 極薄煤層工作面無人化開采智能控制系統(tǒng)示意

（3）極薄煤層綜采工作面液壓系統(tǒng)模型

針對極薄煤層工作面快速推進的高效開采需求，建立了極薄煤層綜采工作面液壓系統(tǒng)模型，完成綜采工作面主要液壓元件特性測試及液壓系統(tǒng)的仿真分析，開發(fā)了分布式穩(wěn)壓系統(tǒng)，提高供液質(zhì)量，搭建高穩(wěn)定性高可靠性供液系統(tǒng)。研發(fā)了極薄煤層工作面液壓支架、自移機尾、自移轉(zhuǎn)載機、自移超前支架、刮板輸送機機尾和轉(zhuǎn)載機機頭自動張緊、自移設(shè)備列車、電纜和供水管路自動拖曳等關(guān)鍵設(shè)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技術(shù)體系；研制了自動協(xié)同推進關(guān)鍵裝備，創(chuàng)新提出了超前支架和轉(zhuǎn)載機連接機構(gòu)工藝，成功實現(xiàn)運輸?支護一體化，真正實現(xiàn)了運?支協(xié)同，巷道支護工況檢測及協(xié)同推進系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 巷道支護工況檢測及協(xié)同推進系統(tǒng)示意

（4）建設(shè)5G漏纜通信系統(tǒng)

為了實現(xiàn)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(wěn)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(tǒng)，通過工作面內(nèi)的漏纜布置進行組網(wǎng)，采煤機內(nèi)置式5G模組與其他設(shè)備共同組成穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)了極薄煤層工作面內(nèi)5G冗余通信功能。

（5）智能化協(xié)同控制系統(tǒng)

井下工作面控制中心和地面遙操作集控中心實現(xiàn)集中協(xié)同控制，主要包括采煤機智能截割及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，液壓支架追機推移刮板輸送機移架、采高姿態(tài)調(diào)整、自動糾偏校直、人員定位、工況視頻監(jiān)控系統(tǒng)、有線和5G無線通信系統(tǒng)、智能煤流運輸控制系統(tǒng)、智能遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)和智能供配電集控系統(tǒng)。所有系統(tǒng)集中聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)進行智能化協(xié)同控制，實現(xiàn)了工作面無人操作、人工遠(yuǎn)程干預(yù)，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(tǒng)融合安全保障體系

極薄煤層工作面環(huán)境條件嚴(yán)苛、操作空間小，現(xiàn)場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(tǒng)的安全監(jiān)測和危險預(yù)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(yù)警與安全保障技術(shù)措施，具體包括以下3個方面。

（1）礦壓大數(shù)據(jù)智能預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)

礦壓大數(shù)據(jù)智能預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測礦壓動態(tài)，根據(jù)支架工作阻力變化規(guī)律評價支架的支護效果，有效防止因頂?shù)装寮皣鷰r垮塌引起的安全事故。構(gòu)建了基于綜采工作面電液控制系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)和巷道壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的礦壓大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了電液控制壓力、傾角、位移、行程等數(shù)據(jù)的時間統(tǒng)一。以支架初撐力不合格比例、工作阻力高報比例、安全閥開啟比例、支架不保壓比例、不平衡比例等關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為主要指標(biāo)，形成了液壓支架工況的實時評價體系。

為實現(xiàn)極薄煤層工作面開采過程中來壓的提前預(yù)警，研發(fā)了綜采工作面周期來壓自動分析和預(yù)測預(yù)警算法，實現(xiàn)了工作面周期來壓的自動分析和及時預(yù)警，并通過周期來壓步距、強度、范圍等頂板來壓預(yù)警指標(biāo)體系和算法模型，綜合分析歷史來壓數(shù)據(jù)，提前預(yù)測預(yù)報下一次來壓。

（2）粉塵自動感知與降塵系統(tǒng)

薄煤層工作面無人化操作割煤的核心為監(jiān)控系統(tǒng)的可視化程度，薄煤層工作面空間小，攝像頭視覺范圍受限，工作面粉塵較大嚴(yán)重影響工作面智能化采煤效果。研發(fā)了粉塵自動感知與降塵系統(tǒng)，實現(xiàn)了跟機自動噴霧、感知人員自動停止噴霧和根據(jù)粉塵濃度智能調(diào)節(jié)噴霧開關(guān)和噴霧量，實現(xiàn)了噴霧系統(tǒng)與粉塵預(yù)警系統(tǒng)一體化聯(lián)動，粉塵控制效果良好的。

（3）高瓦斯條件下安全高效開采保障系統(tǒng)

為應(yīng)對極薄煤層工作面采煤過程中易出現(xiàn)瓦斯涌出量超標(biāo)，工作面多個位置安裝CH4和CO傳感器，實現(xiàn)了“全覆蓋式實時監(jiān)測+重點區(qū)域預(yù)測警示”的瓦斯監(jiān)控功能，達(dá)到提前預(yù)警、快速響應(yīng)的瓦斯監(jiān)控管理效果。智能識別工作面瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足預(yù)警瓦斯?jié)舛龋罱硕嗉壜?lián)控平臺，實現(xiàn)對采煤機啟停、速度的自動控制。

應(yīng)用效果

通過薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備一體化設(shè)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，實現(xiàn)了極薄煤層的穩(wěn)定開采。通過智能控制無人跟機，融合工作面運行工況實時檢測系統(tǒng)、自適應(yīng)供液系統(tǒng)等智能化子系統(tǒng)，實現(xiàn)了薄煤層無人化作業(yè)的快速推采。通過研發(fā)的粉塵自動感知與降塵系統(tǒng)、高瓦斯條件下安全高效開采保障技術(shù)，解決了復(fù)雜條件極薄煤層安全性開采。

薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備的成功研發(fā)與應(yīng)用使黃陵礦業(yè)實現(xiàn)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t，成功解決了薄煤層群綠色、高效、智能開采難題，進一步提升了我國煤炭極薄煤層開采技術(shù)和裝備水平。

雙龍煤礦應(yīng)用薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備與系統(tǒng)后，工作面長度延長至236.5m，有效減少了極薄煤層設(shè)備搬家次數(shù)，提高了設(shè)備利用率，降低了設(shè)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。無人化技術(shù)的成熟應(yīng)用實現(xiàn)了工作面減人增效的目標(biāo)，試運行生產(chǎn)期間工作面作業(yè)人員由6人減少至面內(nèi)無人作業(yè)、2人定期巡檢，有效減輕了一線工人勞動強度，對極薄煤層無人化開采關(guān)鍵技術(shù)的推廣和應(yīng)用起到了重要的示范作用。

結(jié)語

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

黃陵礦業(yè)繼續(xù)按照“協(xié)同攻關(guān)核心技術(shù)、打造全國煤礦智能化標(biāo)桿，形成行業(yè)示范的發(fā)展目標(biāo)，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(qū)”建設(shè)，為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供不竭動力。

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

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編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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