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“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备”成功应用破解14米“特厚”难题

2015-07-01来源：环球破碎机网

　　在煤炭开采领域，即使技术提速升级、设备更新换代，14米厚度一直是一个难以逾越的标定高度！

　　然而，“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备”的应用，使我国煤炭开采厚度达到近20米的高度，成功破解了全国特厚煤层高产、高效、高回收率、安全开采等技术难题，从而填补国内特厚煤层开采的技术空白，也由此获得了国家科学技术进步奖一等奖。

　　说起采煤，大家都会想到煤炭工人们的日常行头：头顶探照灯，手拿铁锹，被简陋“电梯”送入黑色矿井，日复一日。然而这一苦力时代，如今将永存历史长河。

　　在煤炭开采领域，即使技术提速升级、设备更新换代，14米厚度一直是一个难以逾越的标定高度！

　　该设备曾展出于第18届科博会国际展览中心1号馆，在国家科学技术奖获奖项目展区的四周墙壁上，红色大展板上的“殊荣”时时吸引着观众驻足观看。

　　据展台工作人员向观众介绍，“这个是我国自主设计研发的一个设备，目前也是国际上最先进的采煤装备。与其他采煤设备相比，其最大亮点在于突破14米的‘极限’厚度。”

　　“一难题”：安全生产困境

　　煤炭是世界上分布最广阔的化石能资源，被人们誉为“黑色的金子”、工业的食粮。随着经济的不断发展，世界范围内对于煤炭的需求量不断增加。

　　煤炭在我国一次能源结构中占70%左右，一直是我国的主要能源，煤炭工业更是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。

　　在我国现有的煤炭储量中，厚煤层（厚度≥3.5米）在我国分布广泛，储量占45%，是我国主要的开采煤层，其中特厚煤层（厚度≥8米）储量占厚煤层储量的50%，尤其在山西、内蒙古、新疆等地较为丰富。全国14米以上的特厚煤层总资源量达上万亿吨。“目前，全国大约有1/4的煤炭产能集中在特厚煤层。”中国煤炭科工集团董事长、党委书记王金华说。

　　资源开采，技术是关键。王金华坦言，厚煤层开采技术的发展主要经历三个阶段：第一阶段是对7米以下厚煤层，采用综采一次全高开采技术；第二阶段是对7米至14米的厚煤层，采用普通综放技术；第三阶段是对14米以上厚煤层的开采。

　　然而，长期以来，14米以上特厚煤层的开采，面临巷道支护、瓦斯治理、资源回收等诸多难题：

　　首先，在地下几百米将特厚煤层一次采出，会形成特大的开采空间，岩层稳定性难以控制；若把煤炭资源尽可能多地采出，并提高煤炭回收率，难度会很大。

　　放眼全球煤炭开采技术，厚度14米以下的煤层综合机械化开采技术已基本成熟，但厚度14米以上煤层的安全、高效、高回收率机械化井工开采在国内外尚无先例，没有相应的成套采煤装备，不仅需要创新开发而且还要做到装备性能的合理匹配。

　　此外，煤层比岩石的强度低很多，为了满足通风和大型设备运输的要求，所需巷道断面大；若受到采煤强烈扰动影响，巷道很容易发生大变形或冒顶；再加上高强度开采下，瓦斯和火灾亟须有效解决，一时又给特厚煤层的安全开采提出了更高的要求。

　　如何进行合理安全开采、采用哪种开采方法一时成为了整个煤炭行业的一大困惑。

　　为了冲破这道难题，中国煤炭科工集团、大同煤矿集团、中国矿业大学等15家科研院所和设备制造厂家携手通力协作，从开采工艺、开采工作面装备、辅助设备、巷道支护技术、安全保障技术、标准与规范等方面着手，从理论、控制技术到实际设计、标准、规范操作等入手，结合煤矿实际需求，共同承担起“十一五”国家科技支撑计划重大项目——特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备的研究。

　　据同煤集团技术中心负责人透露，初期曾考虑用分层放顶煤开采方式，但在现场施工中发现受火成岩侵入影响，在煤层中上部布置巷道掘进和维护困难。同时，煤层结构复杂，夹矸层数多且单层厚度大，下分层放顶煤开采时，在顶板压力不大的情况下，顶煤放冒更加困难。

　　“四核心”：技术创新应用

　　经过团队重重攻关，在2012年成功研制出“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备”，使煤炭开采厚度突破14米“特厚”难题。这意味着，我国的采煤技术一举走在了世界采煤行业的前列。

　　该项目首次研发出14米至20米特厚煤层的大采高综放开采技术。创立特厚煤层大采高综放开采三维放煤理论、围岩控制理论体系，建立特厚煤层大采高综放开采技术标准，解决了特厚煤层大采高综放开采围岩控制、厚顶煤高效与高回收率放出等关键难题，并且首次实现了特厚煤层千万吨级工作面的安全高效开采。

　　与分层开采比较，该成果大幅提高了煤炭产量、开采效率与安全系数，节约了设备投资与工程投资，具有巨大的经济社会效益。大采高综放技术是人型矿井实现高效、安全生产的重要途径，是一条投资少、产最高、消耗低、效益高、适合我国国情的技术途径，在这个领域我国处于世界领先地位。

　　“新的开采技术使用后，比较难采的特厚煤层实现了安全、高效开采，仅大同煤矿集团塔山矿一个工作面产量就达到1085万吨。”王金华说，“这对于我国的能源供给和能源安全有着重要的意义。”

　　该团队研发出世界上首套年产千万吨特厚煤层大采高综放开采成套装备，即支撑高度5.2米的抗冲击大采高综放液压支架、高可靠性采煤机、综放工作面后部大功率刮板输送机以及新型综合配套设备；同时，首次成功研制出国产大功率刮板输送机阀控液力耦合器，实现了千万吨级综放工作面装备的全部国产化。

　　“设备必须在可靠性、适应性、配套性各个方面满足工艺要求。”项目组研究人员介绍说，“就拿液压支架来说，支撑能力为12000千牛的液压支架在实际应用中都被压垮了，后来经过计算与反复试验，我们选择了支撑能力为15000千牛的液压支架，才很好地适应了井下的条件。”

　　当然，开采煤炭，如果没有通道，汽车就无法进出。研究人员研制出特大断面全煤巷道高强度锚杆锚索联合支护技术及材料，揭示了特厚顶煤、特大断面全煤巷道的变形特征，创立了全煤巷道预应力锚杆支护理论，发明了锚杆液压张拉器，同时解决了大采高综放开采全煤巷道支护的技术难题。

　　“我们把通道建得很坚固，虽然看似成本投入有所增加，但是由于不需要维修，保证了整个支护体系处于良好的状态，也省去了很多巷道修复工序，这样工作面推进快了，工作效率也得到了提高。”王金华对此解释道。

　　同时，大采高综放工作面瓦斯防治与综合防火安全保障技术的首次研发，揭示了特厚煤层大采高综放工作面的瓦斯分布规律与瓦斯涌出的不均衡特征，从而解决了“低瓦斯赋存、高瓦斯涌出”的高强度综放开采瓦斯治理难题；并且首次研制出的大流量井下移动式制氮装置，解决了大采高综放工作面的防火难题。

　　依托团队的技术支持，2010年，该项目在同煤塔山煤矿8105工作面进行了工业性试验并获得成功，煤层平均厚度18.44米，工作面设备开机率平均92.1%，月产量平均90.76万吨，最高月产103.5万吨，回收率88.9%，每工平均工效364.5吨，年产量1084.9万吨，实现了瓦斯零超限、无伤亡事故。

　　这是继我国成功研制年产600万吨综采成套技术装备之后，煤炭科技和装备制造的又一大进步，标志着我国千万吨矿井和千万吨工作面成套技术装备研发进入了工业性试验和示范实施阶段。

　　目前，该项目已获得授权专利22项、实用新型专利61项，制定行业标准15项，出版专著6部，发表论文237篇，从开采技术到装备均具有自主知识产权，达到了国际领先水平。

　　“多发展”：

　　领先世界，规划新蓝图

　　“评奖时，科技部的一位老领导说，过去采煤只能采3米，现在能采20米；过去一个工作面产量是100多万吨，现在是1085万吨，而且用人少、效率高，这在国际上都是一个创新。”王金华表示。

　　借力新技术、新设备，大同塔山煤矿年产量1085万吨，首次在全世界实现了井工煤矿14-20m特厚煤层安全、高效、高回收率的一次开采。

　　目前，这项技术在大同、平朔、神东、新疆等13个矿区的32个煤矿都已得到推广应用，并且效果显著，其中同忻矿单井单面年产量已达到1287万吨。近三年来新增产值达564亿元，新增利税221亿元，节约设备投资6.5亿元，节约工程投资12.96亿元。

　　“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备研发”的应用与推广，不仅填补了我国国内特厚煤层开采的技术空白，而且对解决世界特厚煤层的开采难题也起到了引领作用。据王金华介绍，“目前，这项技术已走出国门，正在澳大利亚、俄罗斯推广。”

　　然而，煤炭工业虽然取得了长足进步，但发展过程中不协调、不平衡、不可持续的问题依然十分突出。

　　“十二五”期间，全国煤炭开发总体布局是“控制东部、稳定中部、发展西部”。到2015年年末，西部煤炭产量将达到20.9亿吨，占全国总产量的53%。这意味着煤炭生产重心将加速西移，西部将逐渐成为东部地区重要的煤炭资源输出基地。

　　根据规划，“十二五”期间煤炭产能新开工规模7.4亿吨/年，其中西部地区新开工规模5.3亿吨/年，占全国的71.7%。

　　“随着我国煤炭开发重心逐渐向新疆等西部转移，这一技术成果的应用前景将更为广阔。”王金华说。

　　国家“十二五”规划指出：要大力推广年产600万吨采煤工作面、年产400万吨选煤系统等成套技术与装备，提高煤矿装备现代化、系统自动化、管理信息化水平；推进煤矿重大装备国产化，重点开展年产千万吨级综采成套装备、薄煤层机械化开采装备、短壁综采装备、煤巷快速掘进与支护成套装备、矿井新型辅助运输装备、矿井信息网络自动化系统、关键元部件的研制及示范应用以及大型现代化露天煤矿半连续工艺关键设备国产化研制，从而进一步完善以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的煤炭科技创新体系。

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