“特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备”研发纪实

    由中国煤炭科工集团、大同煤矿集团、中国矿业大学等单位共同完成的“特厚煤层大采高综放开采关键技术及装备”项目，在前不久召开的2014年度国家科学技术奖励大会上，获得了国家科学技术进步奖一等奖。

    “煤炭行业已经有11年没有获得国家科学技术进步奖一等奖了。”中国煤炭科工集团董事长、党委书记王金华说，“距煤炭科学研究总院上一次获得国家科学技术进步奖一等奖已经过去27年了。”

    直面世界性难题——一次开采14米以上厚煤层

    厚煤层在我国分布广泛，是我国主要的开采煤层。在我国现有煤炭储量中，厚煤层（厚度≥3.5米）的储量占45%。尤其是 山西 、 内蒙 古、新疆等地，特厚煤层（厚度≥8米）储量丰富。

    “目前，全国大约有1/4的煤炭产能集中在特厚煤层。”王金华说，“厚度14米以下煤层的综合机械化开采技术已经基本成熟。”

    据王金华介绍，厚煤层开采技术的发展主要经历了三个阶段：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，是个世界性难题。

    “2003年，我们开始从事这方面的研究，提出采用大采高、一次采全高、综采放顶煤的开采方法。2008年，在中国煤炭工业协会的组织下，中国煤炭科工集团、大同煤矿集团等15家单位联合向科技部申报立项。”王金华说。

    2008年，“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备”研发项目获科技部立项，被列入“十一五”国家科技支撑重大项目，这是新中国成立以来煤炭行业获得单项支持力度最大的项目之一。该项目研发经费4.45亿元，国家支持近1亿元，以大同煤矿集团塔山矿为试验矿井。

    大同矿区石炭二叠纪煤层储量丰富，煤层厚度大、结构复杂，平均煤层厚度在18米左右，最厚的有20米。塔山矿是大同煤矿集团开采的第一个石炭系矿井，井田面积170.91平方公里，地质储量50.7亿吨，可采储量30.7亿吨。

    “要实现14米以上厚煤层安全、高效开采，需要解决四大技术难题。”王金华说。

    一是在地下几百米深度，将特厚煤层一次采出，会形成特大的开采空间，一方面这种特大开采空间岩层稳定性难以控制；另一方面要把煤炭资源尽可能多地采出来，提高煤炭回收率，难度很大。

    二是14米以上特厚煤层开采世界上没有先例，没有成套的采煤装备，需要创新开发并做到装备性能合理匹配。

    三是为了满足通风和大型设备运输的要求，所需巷道断面大；由于煤层厚度大，并受到采煤强烈扰动影响，巷道很容易发生大变形或冒顶。

    四是在高强度开采下，要有效解决瓦斯和火灾等的安全治理问题。

    攻克四大难关——科技部老领导赞叹不已

    针对以上难题，中国煤炭科工集团、大同煤矿集团等15家单位经过多年协同攻关，一一破解。

    “评奖时，科技部一位老领导说，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。”王金华说。

    首先，研发了14米至20米特厚煤层大采高综放开采关键技术。

    科研人员研究了三维顶煤放出体的形态和运移过程，以及放煤结束后煤矸分界的形态，从而研发出一采一放、多轮间隔、顺序多口的放煤工艺。

    该项目建立了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，建立了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，首次实现特厚煤层工作面年产千万吨的安全高效开采。

    “新的开采技术使用后，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。

    其次，研发了世界首套年产千万吨特厚煤层大采高综放开采成套装备。

    科研人员研制出支撑高度5.2米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，首次研制成功国产大功率刮板输送机阀控液力耦合器，解决了特厚煤层大采高综放开采装备的技术难题，实现了千万吨综放工作面装备的全国产化。

    “设备必须在可靠性、适应性、配套性各个方面满足工艺要求。”王金华说，“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。”

    2010年，成套工作面装备在塔山矿成功完成地面联合配套试运转，并于当年9月开始在井下应用。工作面设备开机率达到92.1%，运行良好。

    再其次，研发了特大断面全煤巷道高强度锚杆锚索联合支护技术及材料。

    “由于上部是比较松软的煤体，因此，我们建立了强力锚杆、锚索、锚网联合一次支护体系，不需要维修，即使受动压影响，巷道仍然保持完整稳定，从而保证工作面的安全、高效运行。”王金华说，“打个比方，如果没有通道，汽车走不出去。现在我们把通道建得很坚固，虽然看似在成本投入方面有些增加，但是由于不需要维修，保证了整个支护体系处于良好状态，省去了很多巷道修复工序，工作面推进快了，工作效率也提高了。”

    最后，研发出大采高综放工作面瓦斯防治与综合防火安全保障技术。

    该项目揭示出特厚煤层大采高综放工作面瓦斯分布规律与瓦斯涌出不均衡特征，采用顶板抽采等综合技术，解决了“低瓦斯赋存、高瓦斯涌出”高强度综放开采工作面的瓦斯治理难题；研发出大流量井下移动式制氮装置，解决了千万吨大采高综放工作面防火难题，实现了安全开采。

    在项目研发过程中，科研人员提出了围岩控制理论、全煤巷道一次强力支护理论和三维放煤理论，创新了六大技术，即大采高综放开采技术，大采高综放开采围岩控制技术，大采高综放液压支架防冲技术，大断面全煤巷道强力锚杆、锚索支护技术，大采高综放工作面瓦斯治理技术，大采高综放工作面综合防火技术。

    此外，该项目获得授权专利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，达到国际领先水平。

    极具推广价值——除了国内32个煤矿，还走出了国门

    2010年，“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备”项目在大同煤矿集团塔山矿8105工作面进行了工业性试验并获得成功，煤层平均厚度为18.44米，月产量平均为90.76万吨，最高月产量为103.5万吨，回收率为88.9%，平均工效为364.5吨/工，年产量为1084.9万吨。

    “应用该技术后，比较难采的特厚煤层可以实现安全、高效开采，对我国的能源供给和能源安全有着重要的意义。”王金华说。

    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程示范和全面推广应用阶段。

    “2010年底，该项目通过技术鉴定后，我们就进行了技术成果推广应用，然后申报国家科学技术进步奖。”王金华说。

    截至申报国家奖时，该项技术成果已被推广到大同煤矿集团其他千万吨矿井及平朔、神东等13个矿区的32个煤矿。其中，同忻矿单井单面年产量达到1287万吨。与分层开采比较，该项技术成果大幅提高了 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。

    “这项技术不仅在国内，在国外也有很好的推广价值，对解决世界特厚煤层的开采难题起到了引领作用。”王金华说，“目前，这项技术正在 澳大利亚 、 俄罗斯 推广。”

    由于每个矿井的煤炭赋存条件不一样，因此在实际推广应用中，技术装备还要不断完善。“下一步，一是根据矿区的实际情况，改进工艺；二是进一步增强装备的可靠性；三是进一步完善安全保障措施，包括提高检测水平、完善治理手段等。”王金华说。