煤炭作为我国的基础能源和工业生产原料，为国民经济和社会发展提供了能源安全保障，2020年全国煤炭产量38.4亿t，占能源消费总量的56.8％。晋陕蒙地区是我国的煤炭主产区，原煤产量占全国的70%以上，且已探明该地区侏罗纪煤田储量1349.4亿t，从0.5m极薄煤层到10m以上的特厚煤层均有赋存，该矿区的可采煤层为7层，其中1.3m以下薄煤层资源约占总储量的20%，煤炭储量约为269亿t。
为充分回收资源保障煤矿的正常生产及可持续发展，需将薄煤层与其他近距离煤层进行联合开采。然而，受开采作业空间狭小、通风安全保障难度大、技术装备水平落后等诸多因素的影响，存在薄煤层装备在坚硬煤层中无法达到厚煤层中的开采速度，不能满足矿区协调开采和生产接续的需要，导致很多薄煤层资源不得不弃采，造成了巨大的资源浪费。为实现晋陕蒙地区坚硬薄煤层快速连续开采，针对薄煤层工作面设备装机功率小、生产能力不足、输送机运输距离短、自动化程度低等难题，围绕坚硬薄煤层智能化开采成套装备和技术等问题，研发了适用于坚硬薄煤层开采的高速截割长壁开采工艺、高能积比柔性配套系统、截割线预测生成方法等关键核心技术，形成了薄煤层设备群智能化开采技术路径，重点突破了采煤机高速截割开采工艺及配套设施的自动化方案，有效解决了低效开采工艺、功率空间约束及无人干预控制的“卡脖子”难题，实现了1.1 m薄煤层的安全高效开采，有效支撑了晋陕蒙地区大型煤炭基地的科学、合理、协调开发。
创新成果之一
首创薄煤层工作面设备具备高能积比时空协同技术及端头大落差柔性配套系统，发明的薄和中厚煤层高速截割长壁开采方法，解决了工作面机头机尾设备布置难题，满足了工作面与巷道大落差需求，确保机头机尾连续自动化工作。
（1）通过建立设备高能积比时空协同配套模型，首次确定薄煤层工作面倾斜长度为300m的智能化工作面开采系统协同关系，基于高能积比的配套方式，实现了在行人空间为600mm×400mm的条件下两机配套机面高度由以前的855mm降低至759mm，实现了坚硬薄煤层工作面能积比（采煤机装机功率/液压支架断面面积）达到402的最低采高和高效开采，为常规薄煤层工作面2.8倍以上。
（2）提出了工作面中间支架支护高度为0.9～1.6 m，端头支架巷道支护高度为1.8～3.3 m的大落差柔性工作面和巷道过渡方式，创新研发了输送机机头机尾采用重叠侧卸的布置方式，解决了输送机智能整体快速推进的问题。
（3）发明了一种减少截深、降低截割阻力的薄和中厚煤层高速截割长壁开采方法，将常态割煤速度提升至15～20 m/min，提出了留三角煤小截深双向高速割煤工艺和支架分组间隔交错移架和时空协调连续作业法，实现了坚硬煤层快速自动化开采。
图1 设备高能积比时空协同及端头大落差柔性系统配套技术
（a）第1刀：从右至左进半刀，右留三角煤
（b）第2刀：从右至左进半刀，左留三角煤，上一刀右留三角煤全部截割
图2 薄和中厚煤层高速截割长壁开采方法
创新成果之二
创新研发高速、高可靠、高适应性的薄煤层开采成套装备，提出薄煤层开采装备多机、全工艺流程的自主协同运行机制，提高了采煤机整机的适应性和稳定性，改善了支架的适应性和可靠性。
（1）通过设计一种具有半悬机身+全悬截割部结构的采煤机，创新研发全悬结构截割部及高装载率滚筒，有效解决了采煤机机面高度、过煤空间、装机功率、整机适应性和稳定性之间的矛盾，滚筒装载率提高至70%以上，并开发了大功率薄煤层采煤机双支撑行走系统，提高了大扭矩高速牵引系统的可靠性。
（a）半悬机身+全悬截割部整机结构 （b）双支撑行走轮组件结构
图3 采煤机装备优化设计
（2）研发了采用超薄板式整体顶梁、紧凑型双平衡千斤顶、倒拉推移叠位布置新结构，提高了液压支架的适应性及可靠性，研发了一种导向环过外缸缸筒的焊缝结构，突破了液压支架工作阻力决定最小高度的下限，提高了薄煤层工作面的开采范围，研发了单孔固定立柱柱头的新型柱帽，实现了液压支架最小采高。
（a）薄煤层液压支架最低位置 （b）薄煤层液压支架最高位置
图4 适用于薄煤层的液压支架
（3）创新研发了高适应性的配套装备，包括采煤机自动拖缆装置，高强度、液压伸缩、重叠侧卸的输送机机头，反卧式自动伸缩机尾，34/86×126mm超扁平链和槽帮高度仅为255mm的低矮中部槽，有效避免了采煤机电缆因多次折弯而导致的损坏，降低了工作面中部段及整体配套高度，增大过煤空间。
图5 自动拖缆装置 图6 输送机机头机尾
创新成果之三
首次构建基于地质建模、煤岩分界、工作面调直和路径规划决策控制的1.1 m坚硬薄煤层智能化开采核心技术体系，首次形成一种薄煤层开采高刚度支护、多系统融合智能联动装备群系统，推动了薄煤层智能无人化开采技术的进步。
（1）发明回采工作面智能开采预测截割线的生成方法及装置，实现截割路径的超前自主规划，并针对薄煤层采高变化小的特点，研发了全新的薄煤层18段记忆截割工艺和基于自动剖切地质模型的采煤截割线生成算法，提升了采煤装备对薄煤层工作面条件的适应能力，实现了按照推进步距生成未来10刀的煤层顶底板线自动规划方法。
图7 动态更新模型 图8 截割轨迹规划
（2）提出一种针对薄煤层工作面的沿顶割底煤层自适应跟随开采方法：基于高精度惯性导航系统与视觉测量系统，实现了采煤机三维姿态和煤层截割位置实时监测；提出基于煤机姿态位置实时信息的薄煤层自适应截割控制算法，可有效地控制工作面装备自身状态及与煤层的相对位置，保证在无人操作的过程中，采煤机始终在煤层内进行截割，实现沿顶割底的煤层跟随性开采。
图9 煤层截割曲线检测 图10 煤层截割位置检测装置
（3）提出基于煤流平衡的“三机”协同联动无人操作采煤方式：开发设备远程故障诊断系统，实现了对综采设备的全生命周期管理；研发井下薄煤层智能化控制系统，可对工作面所有系统进行集成、融合和三维展示，真正实现薄煤层工作面内无人操作的常态化开采；创新研发地面分控太空舱控制方式，实现对综采工作面液压支架、采煤机及工作面集控设备的远程控制。
图11 “三机”协同联动控制
结语
（a）井上综合调度室实时监测效果 （b）井下设备 （c）薄煤层综采工作面实际情况
图12 实际应用情况
1.1 m硬煤薄煤层智能化综采成套技术与装备在坚硬薄煤层开采工艺、布置方式、设备结构、智能感知及自动控制等方面都取得重要创新，形成先进成熟的成套技术和装备，实现陕北侏罗纪1.1～1.3m浅埋深、坚硬薄煤层的安全高效开采，生产效率提高20%，工作面内无人操作，生产能力达到 1Mt/a，支撑矿井安全高效生产，满足陕北矿区多煤层协调开采的需要，对我国西部煤炭主产区的绿色、智能、可持续发展将起到关键作用，具有重要战略意义。本项目获得2021年中国煤炭工业科技进步特等奖。
