重大進(jìn)展特刊

為宣傳推廣煤礦智能化建設(shè)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)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(jìn)展成果特刊》，刊登代表新時(shí)代煤礦人創(chuàng)造性實(shí)踐和智慧結(jié)晶的11項(xiàng)智能化建設(shè)成果，以饗讀者。

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(qiáng)，高級(jí)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(qiáng)，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(guó)80多個(gè)礦區(qū)，儲(chǔ)量約98.3億t，其中可采儲(chǔ)量約65億t，占全國(guó)煤炭全部可采儲(chǔ)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(dòng)強(qiáng)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(fèi)，薄煤層產(chǎn)量?jī)H占全國(guó)煤炭產(chǎn)量約10%，與可采儲(chǔ)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(wú)人化智能開采技術(shù)是解決薄及極薄煤層開采諸多問(wèn)題的必由之路。

薄及極薄煤層開采難點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)薄煤層采高一般大于1.3m，陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司實(shí)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(duì)設(shè)備壽命、設(shè)備投資造成嚴(yán)重浪費(fèi)，開采出的煤炭夾矸多，需要二次洗選。受限于經(jīng)濟(jì)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(wú)效益，不開采資源嚴(yán)重浪費(fèi)的狀態(tài)。

陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司（簡(jiǎn)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(jì)效益，工藝方法和裝備水平達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)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(wú)開采狀態(tài)。為避免資源浪費(fèi)，實(shí)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(jì)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)極薄煤層無(wú)人化開采，填補(bǔ)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(diǎn)為連續(xù)快速推采難、工作面空間受限、人員跟機(jī)難，嚴(yán)重制約采煤機(jī)開采速度；裝備選型適配難，采機(jī)大功率、刮板輸送機(jī)可靠性和液壓支架支護(hù)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(duì)監(jiān)控效果影響大，實(shí)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(shí)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(wú)人操作”的行業(yè)發(fā)展目標(biāo)，為實(shí)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(wú)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(jiǎn)稱雙龍煤礦）的無(wú)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(wú)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(guò)分析極薄煤層工作面的地質(zhì)特性和支護(hù)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(jì)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(jì)便于立柱閥組檢修，同時(shí)增強(qiáng)立柱可靠性。

（1）緊湊型電液控制系統(tǒng)

結(jié)合國(guó)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(jì)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(shí)現(xiàn)極薄層工作面的高效、安全支護(hù)，兩柱掩護(hù)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(hù)式液壓支架及緊湊型電液控制元件

（2）超矮機(jī)身采煤機(jī)

極薄煤層開采的采煤機(jī)功率、刮板輸送機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定開采和運(yùn)煤是極薄煤層工作面開采難題。為解決空間限制問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了反裝銷排形式，分析小直徑滾筒截齒合理布置方式，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及高強(qiáng)度材料的研究和試驗(yàn)調(diào)試，設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)，研制出超矮機(jī)身采煤機(jī)。

（3）極薄煤層刮板輸送機(jī)

在刮板輸送機(jī)方面，研究設(shè)計(jì)了特殊結(jié)構(gòu)機(jī)頭架、機(jī)頭尾驅(qū)動(dòng)部、側(cè)掛式銷排結(jié)構(gòu)矮槽幫、專用型伸縮機(jī)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(jī)頭，研制液壓調(diào)高反曲線重疊側(cè)卸機(jī)頭，適應(yīng)工作面與掘底巷道的高度變化，取消驅(qū)動(dòng)部減速器，采用直驅(qū)永磁變頻一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)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(jī)。

極薄煤層高可靠性綜采成套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了“三機(jī)”裝備在薄及極薄煤層工作面空間狹小、設(shè)備運(yùn)動(dòng)空間有限、檢修困難等多重限制條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，為薄及極薄煤層工作面智能無(wú)人化開采打下堅(jiān)實(shí)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(wú)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(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)智能控制系統(tǒng)替代人工跟機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)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(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)了極薄煤層工作面“面內(nèi)無(wú)人操作，面外人工干預(yù)”的生產(chǎn)模式。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面運(yùn)行工況

采用多源數(shù)據(jù)融合方案構(gòu)建了運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)體系，通過(guò)安裝在工作面的RGBD相機(jī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了綜采過(guò)程中關(guān)鍵設(shè)備及目標(biāo)對(duì)象狀況（煤機(jī)滾筒、液壓支架、刮板輸送機(jī)、片幫、大塊煤、操作工人等目標(biāo)）的自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別。構(gòu)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(xiàn)了對(duì)煤壁狀態(tài)及片幫體量估計(jì)，將視覺(jué)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(jī)和液壓支架狀態(tài)，對(duì)非正常工況支架進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)過(guò)程的智能化感知。

（2）采煤機(jī)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(cè)量及傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)交互工藝調(diào)整和采煤機(jī)、支架工序自動(dòng)匹配等功能，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)截割工序調(diào)度、支架跟機(jī)控制調(diào)度及匹配的全程自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)截割曲線在線修正和采煤機(jī)滾筒精確調(diào)高。智能煤流檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)與截割規(guī)劃動(dòng)態(tài)配合，檢測(cè)到煤流負(fù)荷后將煤流運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行速度與采煤機(jī)截割速度和牽引方向進(jìn)行同步自適應(yīng)調(diào)節(jié)，極薄煤層工作面無(wú)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(wú)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(duì)極薄煤層工作面快速推進(jìn)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(cè)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(jī)尾、自移轉(zhuǎn)載機(jī)、自移超前支架、刮板輸送機(jī)機(jī)尾和轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭自動(dòng)張緊、自移設(shè)備列車、電纜和供水管路自動(dòng)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(hù)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(zhuǎn)載機(jī)連接機(jī)構(gòu)工藝，成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?支護(hù)一體化，真正實(shí)現(xiàn)了運(yùn)?支協(xié)同，巷道支護(hù)工況檢測(cè)及協(xié)同推進(jìn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)工況檢測(cè)及協(xié)同推進(jìn)系統(tǒng)示意

（4）建設(shè)5G漏纜通信系統(tǒng)

為了實(shí)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(duì)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(guò)工作面內(nèi)的漏纜布置進(jìn)行組網(wǎng)，采煤機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)集中協(xié)同控制，主要包括采煤機(jī)智能截割及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，液壓支架追機(jī)推移刮板輸送機(jī)移架、采高姿態(tài)調(diào)整、自動(dòng)糾偏校直、人員定位、工況視頻監(jiān)控系統(tǒng)、有線和5G無(wú)線通信系統(tǒng)、智能煤流運(yùn)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(jìn)行智能化協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了工作面無(wú)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(chǎng)操作人員難以快速處置突發(fā)情況，對(duì)工作面成套裝備及控制系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)和危險(xiǎn)預(yù)警能力提出更高要求，針對(duì)極薄煤層工作面礦壓、粉塵、瓦斯等風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，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(gè)方面。

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

礦壓大數(shù)據(jù)智能預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦壓動(dòng)態(tài)，根據(jù)支架工作阻力變化規(guī)律評(píng)價(jià)支架的支護(hù)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(cè)數(shù)據(jù)的礦壓大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了電液控制壓力、傾角、位移、行程等數(shù)據(jù)的時(shí)間統(tǒng)一。以支架初撐力不合格比例、工作阻力高報(bào)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(shí)時(shí)評(píng)價(jià)體系。

為實(shí)現(xiàn)極薄煤層工作面開采過(guò)程中來(lái)壓的提前預(yù)警，研發(fā)了綜采工作面周期來(lái)壓自動(dòng)分析和預(yù)測(cè)預(yù)警算法，實(shí)現(xiàn)了工作面周期來(lái)壓的自動(dòng)分析和及時(shí)預(yù)警，并通過(guò)周期來(lái)壓步距、強(qiáng)度、范圍等頂板來(lái)壓預(yù)警指標(biāo)體系和算法模型，綜合分析歷史來(lái)壓數(shù)據(jù)，提前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)下一次來(lái)壓。

（2）粉塵自動(dòng)感知與降塵系統(tǒng)

薄煤層工作面無(wú)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(jué)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(dòng)感知與降塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了跟機(jī)自動(dòng)噴霧、感知人員自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了噴霧系統(tǒng)與粉塵預(yù)警系統(tǒng)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采保障系統(tǒng)

為應(yīng)對(duì)極薄煤層工作面采煤過(guò)程中易出現(xiàn)瓦斯涌出量超標(biāo)，工作面多個(gè)位置安裝CH4和CO傳感器，實(shí)現(xiàn)了“全覆蓋式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)+重點(diǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)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(shí)別工作面瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足預(yù)警瓦斯?jié)舛龋罱硕嗉?jí)聯(lián)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)啟停、速度的自動(dòng)控制。

應(yīng)用效果

通過(guò)薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備一體化設(shè)計(jì)，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(xiàn)了極薄煤層的穩(wěn)定開采。通過(guò)智能控制無(wú)人跟機(jī)，融合工作面運(yùn)行工況實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)、自適應(yīng)供液系統(tǒng)等智能化子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)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(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(shí)現(xiàn)了極薄煤層工作面0.8m采高常態(tài)化運(yùn)行，年產(chǎn)能力為100萬(wàn)t，成功解決了薄煤層群綠色、高效、智能開采難題，進(jìn)一步提升了我國(guó)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(zhǎng)度延長(zhǎng)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(jì)效益。無(wú)人化技術(shù)的成熟應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了工作面減人增效的目標(biāo)，試運(yùn)行生產(chǎn)期間工作面作業(yè)人員由6人減少至面內(nèi)無(wú)人作業(yè)、2人定期巡檢，有效減輕了一線工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)極薄煤層無(wú)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(yǔ)

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(guó)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(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(xù)按照“協(xié)同攻關(guān)核心技術(shù)、打造全國(guó)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(dòng)力。

“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)”自 2021年開始，至今已舉辦4次，發(fā)布會(huì)吸引了眾多煤礦智能化建設(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(huì)。

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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(tuán)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(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)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(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

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