研究背景与意义
2021 年9 月，习近平总书记在榆林考察时强调：“煤炭作为我国主体能源，要按照绿色低碳的方向发展。”在“双碳目标”背景下，煤炭工业需要在全面落实能源安全的基础上，充分发挥能源体系中稳定器和压舱石的作用，适应煤炭消费需求的不确定性。当前，我国煤层赋存条件的复杂化导致煤矿发展不平衡，如何实现“非优质”资源的安全、高效和高产，是亟须解决的问题。同时， 特厚煤层依托厚度优势实现了年产千万吨，但2～ 3 m中厚煤层在我国分布广泛，其赋存条件的天然劣势导致无法实现产量提高、效率提升的目标。除此之外，建设超长工作面的提升空间与高产需求巨大，21世纪初，中厚煤层工作面产量一般低于60 万t/a；近10年来，济二煤矿、柠条塔煤矿、榆家梁煤矿在中厚煤层实现年产100万～300万t；榆神矿区5层主要可采煤层1/2以上区域均赋存大量中厚煤层。
小保当井田位于陕北大型煤炭基地榆神矿区，行政区划隶属榆林市神木县大保当镇，井田面积224 km2，地质构造简单，各煤层以不黏煤为主，煤质优良，地质资源量49 亿t，可采储量达28 亿t。矿区二号煤矿具备建设超长工作面示范项目的良好资源条件，具体有以下3点：①主要可采煤 层赋存稳定、结构简单，具备实现高效生产的资源条件。煤层倾角1°以内，埋深约320 m，以中厚煤层为主，厚度1.8～2.6 m；②井田内煤类为长焰煤、不黏煤，煤质优良，具有特低灰分、中高～高挥发分、高发热量、特低～低硫等煤质特征，享有“优质环保煤”之美誉，市场前景十分广阔；③井田地质条件相对简单，开采技术条件优越，未发现落差大于30 m断层和明显的褶皱构造，地质条件简单，煤层气含量低。
从增产降损的角度来说，增加工作面长度可减少资源量损失，降低万吨掘进率，提高煤炭回采率是提高工作面产量、提升开采效率、降低煤炭损失的有效途径之一。布置超长工作面优点可归纳为“三提升，三降低”，即提升绿色开采水平、产能、开采效率；降低煤炭损失、采掘接替矛盾、成本支出。工作面长度由300 m增加到450 m的优点有3点；①工作面布置数量、煤柱和巷道可减少40%～50%；②能多回收约100万t煤炭；③采煤机直线段高速截割比例提高约60%，产能可增加2～3 倍以上。
建设超长工作面是小保当矿井实现单面达产的必要条件。小保当二号煤矿设计产能1 300万t； 13盘区2-2煤层厚度1.8~2.6 m，若工作面按常规方式布置，无法实现年产千万吨目标。
总体研发思路与研究内容
研究成套装备创立中厚煤层超长工作面高能积比配套模式，研发了成套国产装备；开发新型液压控制系统，研制了自适应支护控制系统和敏捷高效供液系统；研究应用了高度智能化构建“多人井上监控、一人井下作业、设备全自动化”的工作模式。结合上述3者，研制了全国首套国产化中厚煤层450 m智能化成套技术与装备，形成了完整的技术和装备标准体系，为2～3 m中厚煤层高效开采提供新的技术途径，引领了开采技术变革。
难题攻克与解决方案
目前，我国中厚煤层年产量普遍小于100万t。加长综采工作面面长是智能高效长壁综采的发展趋势，中厚煤层超长工作面是提高产量的重要手段， 但主要面临三大难题：一是国内没有450 m及以上超长工作面开采工艺及围岩控制理论；二是国内外没有复杂工况条件下超长工作面成套装备，以及存在超长工作面支护难度高、运输系统稳定性降低， 煤壁片帮压煤、链条断裂严重影响开采效率等问题；三是超长工作面智能化控制系统复杂、难度大，现有综采设备控制系统无法满足450 m超长综采工作面“支-采-运”的协同要求。
难题一：国内外没有复杂工况条件下超长工作面成套装备
超长工作面支护难度高、运输系统稳定性降低，煤壁片帮压煤、链条断裂严重影响开采效率。陕煤集团陕西小保当矿业有限公司通过研发中厚煤层“高能积比”配套模式，研制宽中心距、高可靠性强力液压支架成套支护装备，开发大中心距高可靠性低矮槽帮和集中一体式过煤方式，解决了超长工作面“支”和“运”难题。围绕难题一攻关解决形成了3项关键技术：
（1） 研发中厚煤层高刚度、微让压、薄顶梁大中心距液压支架
“高刚度、薄顶梁、宽中心距”高可靠性强力液压支架，为保证设备的稳定性，提升支护强度，将支架中心距由1.5 m提升到2.05 m，采用缸径为480 mm的大缸径立柱，支护强度达到1.25 MPa以上，工作阻力达到16000 kN；减少工作面支架数量约27%；液压支架整体可靠性明显提升，液压支架寿命试验达到50000次。
（2） 提出中厚煤层高能积比配套模式，研制了高性能采煤机
根据中厚煤层高产、高效和智能开采要求， 制定出采煤机“四化”、液压支架“三降三增”、刮板输送机低矮槽帮等配套原则，全面解决中厚煤层过煤空间、装煤效果与挖底量等问题，研制了高性能采煤机。机尾采用特殊设计，保证伸缩行程1000 mm且机尾总长度控制在4600 mm以内， 齿轨座采用镶嵌设计，保证采煤机在该处具有与中部段相同的挖底量，伸缩机尾采用大缸径复合作用推力单油缸伸缩，使采煤机具有更好地割透机尾的能力。小保当132203超长工作面高速截割视频监控画面，如图1所示。
图1 小保当132203超长工作面高速截割视频监控画面
（3） 研制了高精度长寿命中厚煤层专用中部槽和集中一体式过煤方式
国产SGZ1100/3×1400刮板输送机可实现刮板输送机链条伸长量、磨损量定时检测记录等，实现设备全生命周期管理。刮板输送机系统增加煤流负荷功能和链条自动张紧功能，有效减少刮板输送机断链压死等停车风险。
难题二：超长工作面智能化控制系统复杂、难度大
现有综采设备控制系统（长距离衰减等） 无法满足450 m超长综采工作面“支”-“采”- “运”协同要求。陕西小保当矿业有限公司研发中厚煤层超长工作面高速截割18段工艺方法和控制程序；开发液压支架液压系统参数化设计平台和自适应支护控制系统，研发超长工作面“四进四回” 敏捷供液系统；提出工作面设备群高效推进协同控制策略，确立了中厚煤层高效开采工艺，为工作面智能化打下了基础。
（1）研发中厚煤层高速截割18段工艺方法和控制程序
应用中煤科工开采研究院有限公司研发设计的Z Y16000/18/32D型液压支架，可实现自动补压、自适应支护、姿态调整、人员定位、辅助降尘等功能。联合泵站可实现智能供液，根据乳化液压力需求自动启停乳化泵，达到高效节约的要求。除此之外，具备工作面自动调直系统和精准拉架推移刮板输送机控制，配合360°高清视频监控功能， 实现高级自动化、高清可视化、高效节约化的智能综采工作模式。国产MG750／1940-WD采煤机通过对高速牵引与高速截割的研究，提升了关键零部件使用寿命，突破了智能综采高清视频传输、低延时控制响应、自动化长效运行、快速便捷运维等关键技术问题，实现了采煤机技术迭代升级，与传统机型相比工作效率提高了18%，各项性能指标均达到国际领先水平，实现了超长工作面采煤装备高端化、智能化。智能超长工作面采用国产SAM型自动化控制系统，在地面调度指挥中心和巷道指挥中心，皆可实现对工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站等设备的远程一键启停，并且可通过工作面高清视频监控和其他多功能传感器，将监测数据传输到巷道以及调度台，实现智能化工作面大数据集合于“一张图”模式（图2），在远控模式下监测采煤机、液压支架、刮板输送机等设备运行情况，在一定程度上实现“透明工作面”。
图2 智能化超长工作面监测系统
（2） 开发了支护质量评价模型及自适应控制系统
提出了工作面液压支架支护状态的关键参数描述方法，建立工作面液压支架支护状态的三维稳定性评价模型，得出支护状态失稳的临界参数，为液压支架支护状态的提高和智能控制奠定基础。450 m超长工作面来压呈现“一大”、“二高”和“三小”，即来压区域范围大、来压强度高、来压频率高和来压步距小、安全阀开启率小及区域相似度小等特点。
（3） 研发了超长工作面液压支架敏捷高效供液系统
基于跟机自动化逻辑、液压支架参数化建模实现仿真架构搭建，根据仿真结果积累和现场工况经验，构建匹配性专家诊断系统，整合构成液压系统参数化设计平台。基于工作面液压支架状态监测技术和优化模型，提出用液需求实时分析模型，开发“四进四回”供液系统，与泵站集中供液系统构成稳定和敏捷供液互补系统，减小工作面压降，实现初撑力达到37.5 MPa。
难题三：“一面一人一千万吨”高度智能化协 同配合、动作精度需求高
保证现有设备高可靠性动作仍需一定的人工就地干预，无法实现高度智能化“少人、无人”目标。陕西小保当矿业有限公司研发采煤机成套智能化防碰撞控制技术，实现了采煤机高效智能运行；通过研究两巷设备的远程控制策略，实现了工作面两端头与超前支护、输送带自移机尾协同联动控制；通过数据分析有效识别丢架，实现了工作面跟机自动化故障诊断及智能补架；通过大数据中心分析计算，实现采煤机规划及离线截割模板控制技术。
（1） 研究采煤机成套智能化防碰撞技术
采煤机行进过程中，滚筒高度主要依据煤层实际高度进行动态调整。构建支架高度集合录入实时数据库，对支架高度集内各高度进行比较，选取监测范围内最低支架高度传感器值，输出为关键点高度值，通过与系统参数中设置的支架最小高度比对，依据相应的控制算法策略，对采煤机滚筒高度实时调整，实现防碰撞功能。
（2） 研究工作面两端头与超前支架、输送带自移机尾协同联动技术
根据两巷超前支架的关联控制要求，结合132203全工作面跟机工艺，在整套工艺中研究两巷超前支架推进控制方案。
（3） 研究全工作面跟机自动化故障诊断及智能补架技术
故障诊断跟机丢架自动识别及智能补架。通过数据分析有效识别丢架，分析丢架原因，建立跟机丢架识别模型，采取有效的补架策略，实现智能补架。
（4） 实现采煤机规划割煤及离线截割模板控制技术
规划截割模板以实时扫描地质及开采环境信息数据为基础，结合感知参量与约束条件，经过大数据中心分析计算后生成，按照规划截割下发流程将数据下发给采煤机。采煤机规划截割控制技术实施过程中，采煤机截割高度随采煤机位置频繁变化，参照工作面预设采高的变化规律，工作面实际截割高度需要实时进行调节，通过参考采煤机行程传感器的反馈信息结合人工写实预置实时构建的模板数据，对采煤机前后滚筒进行自动化控制。
针对上述重大难题和重大需求，陕西小保当矿业有限公司联合中煤科工开采研究院有限公司， 经过不断地攻关，自主创新3项核心技术和工程保障体系，通过开采理论、成套装备、开采工艺和智能化系统等创新研发与应用实践，研发了具有自主知识产权的首套全国产化450 m超长工作面成套技术与装备，并成功示范应用。
应用效果与推广应用前景
具有自主知识产权的首套全国产化450 m超长工作面成套技术与装备项目主要围绕减人、增量、保安、提效目标，通过智能化综合管控平台，工作面自动化生产过程，综采队员工可以在集控室调整支架状态、工作面起伏变化、采高、割煤速度等（图3）。利用配套的惯导和视频监控系统，采煤机司机和巡视工无需跟机操作，采煤机速度达到10～15 m/min以上，生产效率提高了15%， 全天最高割煤达20刀以上，最高日产达5.2万t。与6～8 m超大采高工作面具备同样的产能，且工作面减人增效效果显著。围绕上述创新点，获得发明专利13项（授权7项），实用新型专利10项（授权9项），制定国家标准2项，团体标准1项，出版专著1部，代表性论文20余篇。
在煤炭资源赋存条件好的大型煤矿加长综采工作面，是绿色智能高效开采的发展趋势，成套装备国产化是核心支撑。2～3 m煤层千万吨级450 m 智能化综采工作面关键技术及成套装备的成功实施，标志着我国在高端煤机装备制造和智能化开采技术方面又迈出了突破性的一步。为我国中厚煤层智能高效开采开辟出一条可以借鉴的创新之路。以实际行动落实了习近平总书记关于做好煤炭这篇大文章，把能源的饭碗端在自己手中，走好绿色智能安全高效发展之路的要求。
2～3 m煤层千万吨450 m智能化综采工作面关键技术及成套装备项目实现了中厚煤层开采理念、技术和装备的重大突破，解决了中厚煤层产量、效率和智能化开采难题，成套装备实现了设计、加工、制造全国产化，在小保当二号煤矿成功开展工程示范。中厚煤层在我国分布广泛，应用前景广阔。
图3 三维可视化开采工艺和装备动态配套
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