采煤工作面建设呈现哪些新趋势？

当前，增加工作面机采高度与开采长度，成为我国煤炭资源赋存条件较好的大型煤矿提效扩产增安的有效方法，是煤矿开采技术发展的重要方向。

近年来，中国煤炭科工集团开采研究院装备分院完成了一系列井工煤矿工作面加长、加高代表性项目，如陕煤集团小保当矿业公司450米智能化超长工作面、榆林市神树畔矿业投资公司7.2米超大采高综放工作面等项目。

工作面加长加高成发展趋势

自1974年引入综采技术以来，我国煤炭开采理论与技术装备不断创新发展，尤其是近10年来采高不断突破纪录，开采效率得到有效提升。

2007年，国家能源集团神东煤炭公司上湾煤矿建成6.3米大采高工作面，年产量突破1000万吨；2010年，神东煤炭公司补连塔煤矿建成7.0米大采高工作面，年产量突破1200万吨；2016年，山东能源集团兖矿能源金鸡滩煤矿建成8.2米大采高工作面，年产量突破1500万吨；2019年，上湾煤矿建成8.8米大采高工作面，年产量突破1600万吨等。

目前，国内8米以上煤层主要采用超大采高一次采全高和综放开采方式，最大一次截割高度达10米。超高工作面矿压理论、围岩控制技术、装备研制等方面取得较大进展，智能控制技术与系统取得突破。国内中厚煤层工作面长度达到450米，年产量达千万吨。超长分区支护、装备研发、智能协同控制等技术取得较大进展，开采工艺逐渐完善，超长运输技术实现突破。

从国外看，2024年，美国28个在产工作面中，有13个工作面产量超过500万吨；最长的工作面481.6米，最大宽度达到1580英尺。2024年，澳大利亚共有27个长壁开采工作面，其中26个工作面在产，15个工作面年产量超500万吨；工作面长度为300米至450米，实现面内无人开采。

目前，国内采煤工作面普遍面临地质条件趋于复杂、浅层煤炭资源逐渐枯竭和埋深逐渐增加等难题。薄煤层与急倾斜煤层机械化开采难度大，设备适应性不强；部分关键核心部件及材料依赖进口，采—运—支系统协同性弱，端头支护效率低，制约推进速度，亟需开采工艺与技术创新。

同时，国内采煤工作面呈现一些新的发展趋势。技术升级方面，工作面加长加高、充填开采、保水开采等绿色开采技术得到应用。装备研发方面，研发出高工阻、高稳定性支护装备，超长运距智能新型刮板输送设备和智能化高可靠快速截割采煤机等高可靠性装备。智能化建设方面，应用远程自动化控制、感知与物联网等技术。探索少人化或无人化方面，应用机器人、装备智能协同控制、多源异构数据融合等技术。

有利于产能提高和降本增效

工作面加长有何优势？煤炭资源赋存条件较好的矿区加长工作面，是产能提高、降本增效的必然要求。

加长工作面有助于实现“一矿一面”生产，减少巷道掘进量和搬家倒面次数，提高管理效率，降低安全风险。据不完全统计，加长工作面可使工作面数量、煤柱和巷道减少约40%至50%，采煤机直线段高速截割比率提高30%。

装备分院主导设计的400米以上超长工作面部分案例，都取得了巨大成功。中厚煤层中，陕煤集团小保当矿业公司二号煤矿采高2.54米、工作面长450米；山东能源集团兖矿能源转龙湾煤矿采高2.6米、工作面长450米。厚煤层中，兖矿能源石拉乌素煤矿采高3.7米、工作面长400米；陕西延长石油矿业集团巴拉素煤矿采高4米、工作面长400米；陕煤集团小保当矿业公司一号煤矿采高6米、工作面长400米。

以小保当矿业公司二号煤矿450米超长工作面为例。该工作面应用1台采煤机、216架液压支架、1台刮板输送机，研发应用了国产化“支—采—运”高端装备。该工作面创造了单面日产量5.2万吨、月产量120万吨，全年产量达1000万吨的行业纪录。

陕西延长石油矿业集团可可盖煤矿厚煤层超大开采空间综采工作面，是全国首个富水含水层下厚煤层超大开采空间400米超长工作面。该工作面平均采高5.65米，平均每天割煤18刀，日产量稳定在4.8万吨以上，单面具备年产1500万吨能力。

加高工作面有何优势？煤层厚度大、赋存稳定的煤层采高增加，是提升单产水平、实现集约化生产的重要途径。一次采全高，可减少分层开采次数和放顶煤损失，提高资源回收率。据统计，加高工作面回采率可提升10%至15%，相比分层开采可减少工作面数量及搬家倒面次数，巷道维护成本降低30%至40%。

上湾煤矿8.8米大采高工作面配套1台采煤机、128架中部液压支架、1台刮板输送机。该矿12401综采工作面和12402综采工作面累计产量约2200万吨；特厚煤层一次采全高8.8米，最高日产量5.84万吨，最高月产量146万吨。

仍然面临一些技术难题

采煤工作面加长虽是提高单产的重要手段，但实际应用中受到技术、安全、经济等方面制约，如容易造成顶板压力多点集中，来压规律不清，装备能力与协同控制困难，通风降尘安全难度增加，易堵煤、煤壁片帮严重、顶板控制困难等。

采煤工作面加长需要解决一些技术难题，如揭示超长工作面全覆岩顶板运移规律、确定超长工作面顶板支护强度与快速跟机参数、探究超长工作面水平应力产生与破坏影响机理、合理优化超长工作面参数及布置方式、研究超长工作面“高能积比”配套模式、开展超长工作面超前“运—支”一体化研究等。

针对采煤工作面加长面临的难题，装备分院科研团队开展了一系列研究，并取得了一些研究成果。

装备分院科研团队揭示了工作面支护应力三峰值M型分布规律，建立了基于熵权的开采强度评价模型，可科学量化特定赋存条件厚煤层开采强度，进而判定超长工作面倾角、长度、采高、埋深等参数的影响规律；基于逐步逼近原理，求解出极限开采强度下超长工作面长度和推进速度；利用超长工作面斜长参数综合评价方法，基于AHP多因素层次分析法，围绕地质条件等8个方面因素展开研究，最终可确定工作面参数及布置方式。

装备分院科研团队揭示了综采工作面长度与开采效率、煤炭损失的定量关系，研发了中厚煤层“高能积比”配套模式，能积比（单位体积或空间内的能量存储与转换效率）提高3倍以上；明确采煤机机身高度最小化、装机效率最大化、牵引速度高速化、高可靠性运转常态化“四化”，降低液压支架最低高度、顶梁厚度和操作强度和增加液压支架最大高度、支架工阻和过机空间“三降三增”以及刮板输送机低矮槽帮等配套原则，可全面解决中厚煤层过煤空间、装煤效果与卧底量等方面存在的问题。

装备分院科研团队研发了超长工作面与超前支护多系统协同控制关键技术、超前支护多系统协同控制装置；研发了分布式敏捷供液装置，进行了液压系统管路设计与优化，实现了快速跟机移架；研发了增容缓冲能量耗散型抗冲击立柱，研制了高强度输送机链条与轻量化刮板，提升了抗拉强度等。

采煤工作面加高同样受制于一些条件，比如现有装备开采高度低，无法支撑煤层大厚度；装机功率小，无法支撑开采高强度；支护强度低，无法支撑矿压大波动；系统协同差，无法支撑多系统协同推进。

随着采高增加，上覆岩层大范围运移破坏，超大空间、超强矿压、超高煤壁给围岩稳定控制带来极大难度；超大采高开采形成的超大空间、超高煤壁引发强动载冲击，导致支护系统失稳，片帮冒顶难控制；工作面与巷道存在大梯度落差，现有装备无法满足连续开采高可靠性、高适应性和系统协同推进的要求。

针对采煤工作面加高面临的难题，装备分院科研团队建立了超大采高装备与围岩动力学模型，揭示了超大采高液压支架与围岩的作用关系；研究了超大采高液压支架载荷动态仿真变化，提出了液压支架三维动态优化方法，突破了液压支架“被动承载”工作阻力单因素的传统方法，液压支架寿命由1.5万次工作循环增加到6万次工作循环以上。

装备分院科研团队制定了端头“大梯度+小台阶”短缓过渡配套方案，解决了超大采高工作面端头区存在的大落差空间下围岩支护及三角煤损失核心问题，实现了超大采高工作面连续作业；创新设计了“双层伸缩梁+三级护帮板”结构型式，提高了支架护帮护顶能力；研发出630毫米大缸径抗冲击立柱、每分钟1000升超大流量底阀，满足了立柱升降要求。

装备分院科研团队开发了支护、运输装备时序控制程序，研发了自移机尾控制、融合超前支护装备调偏技术，实现了超前支护装备与工作面间的同步推移；创建了超大采高工作面成套开采装备系统性设计方法，开发了装备群三维虚拟化数字孪生协同配套平台，避免了工作面运转时设备间相互制约，最大程度发挥了装备性能。

总体来看，液压支架是决定采煤工作面加长加高开采是否可行的核心装备。液压支架设计受到原材料强度、配套设计参数等制约。液压支架的设计重点在于液压支架中心距，中心距越宽，支护强度越大。

采煤工作面加长加高是一个动态发展的过程，符合开采效率发展趋势。我们要在目前的开采场景上继续提升工作面推进强度，进一步提高开采质量。

（作者系中国煤炭科工集团开采研究院装备分院院长）

作者：马英版面编辑：王世雅

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来源：中国煤炭报

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