文章來源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進展成果特刊”

第一作者：張強，高級工程師，現任陜西雙龍煤業開發有限責任公司經理，主要從事煤礦開采、智能化設備應用的相關研究工作。E-mail：623925904@qq.com

作者單位：陜西雙龍煤業開發有限責任公司

引用格式：張強，馬英，秦蒙.薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備研發與應用[J].智能礦山，2025，6(2)：23-27.

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薄煤層廣泛分布于我國80多個礦區，儲量約98.3億t，其中可采儲量約65億t，占全國煤炭全部可采儲量約20%，但是薄及極薄煤層開采裝備技術成熟度低、工人勞動強度大，開采投入高、效率低，導致薄及極薄煤層普遍棄采，造成了煤炭資源的巨大浪費，薄煤層產量僅占全國煤炭產量約10%，與可采儲量不協調。安全高效開采薄煤層是提高煤炭資源采出率，緩解資源緊張的重要途徑。薄及極薄煤層高效開采裝備和無人化智能開采技術是解決薄及極薄煤層開采諸多問題的必由之路。

薄及極薄煤層開采難點

目前，國內薄煤層采高一般大于1.3m，陜煤集團神木張家峁礦業有限公司實現了最小采高1.1m的技術性突破。最小采高小于1.2m的綜采設備多以破底或破頂開采方式，對設備壽命、設備投資造成嚴重浪費，開采出的煤炭夾矸多，需要二次洗選。受限于經濟效益、開采高度和裝備技術等因素制約，1m以下煤層綠色高效開采難度較大，以目前裝備和技術處于開采無效益，不開采資源嚴重浪費的狀態。

陜西陜煤黃陵礦業有限公司（簡稱黃陵礦業）中厚煤層采用1次采全高采煤法取得了良好的技術及經濟效益，工藝方法和裝備水平達到了國內先進水平。但礦區內存在大量厚度為0.85～1m的煤層資源，受開采高度限制和裝備技術影響，開采難度較大，基本處于無開采狀態。為避免資源浪費，實現資源均衡開采，改變目前薄煤層配置設備的思路和方法，將薄煤層開采設備成套一體化、智能化技術和薄煤層開采工況適應性設計相結合，可實現極薄煤層無人化開采，填補1m以下厚度極薄煤層成套裝備與開采技術的空白。

薄煤層開采的關鍵技術難點為連續快速推采難、工作面空間受限、人員跟機難，嚴重制約采煤機開采速度；裝備選型適配難，采機大功率、刮板輸送機可靠性和液壓支架支護性能與開采空間的矛盾突出；智能高效開采難，薄煤層工作面作業環境差，煤塵對監控效果影響大，實現遠程視頻監控操作難度大，并缺乏煤層條件變化情況下的智能感知、自主決策能力，難以實現與煤層條件的最佳匹配。

黃陵礦業以《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》中“綜采工作面內少人或無人操作”的行業發展目標，為實現薄及極薄煤層工作面資源充分回收及可持續發展，以“面內無人操作、面外人工干預”為目標，建設陜西雙龍煤業開發有限責任公司（簡稱雙龍煤礦）的無煤柱自成巷極薄煤層智能開采工作面示范工程，開展薄及極薄煤層無人化開采關鍵技術的研究與應用工作。

薄及極薄煤層開采關鍵技術創新

2.1 高可靠性綜采成套設備

通過分析極薄煤層工作面的地質特性和支護特征，解決極薄煤層空間狹小與裝備高可靠性、大功率之間的矛盾，研發了適用于極薄煤層工作面的小采高、大工作阻力液壓支架，設計了適用于狹窄空間的抬底、推移結構，以及極薄煤層液壓支架專用立柱，特殊結構設計便于立柱閥組檢修，同時增強立柱可靠性。

（1）緊湊型電液控制系統

結合國內外現有電液控制系統現狀，優化電液供液系統布置形式及尺寸，設計了緊湊型小型化控制器、電液閥組和攝像頭，在不降低性能的前提下，研發出緊湊型電液控制系統，保障液壓支架在極端工況下的操作性能，實現極薄層工作面的高效、安全支護，兩柱掩護式液壓支架及緊湊型電液控制元件如圖1所示。

圖1 兩柱掩護式液壓支架及緊湊型電液控制元件

（2）超矮機身采煤機

極薄煤層開采的采煤機功率、刮板輸送機可靠性與開采空間矛盾突出，在最小采高安全空間限制下，實現穩定開采和運煤是極薄煤層工作面開采難題。為解決空間限制問題，創新設計了反裝銷排形式，分析小直徑滾筒截齒合理布置方式，進行了結構及高強度材料的研究和試驗調試，設計了搖臂殼體材質、加工制造工藝及特殊可回轉結構的牽引行走導向機構，研制出超矮機身采煤機。

（3）極薄煤層刮板輸送機

在刮板輸送機方面，研究設計了特殊結構機頭架、機頭尾驅動部、側掛式銷排結構矮槽幫、專用型伸縮機尾、液壓調高墊架等關鍵部件，滿足走向和傾向多方向的角度的多維度機頭，研制液壓調高反曲線重疊側卸機頭，適應工作面與掘底巷道的高度變化，取消驅動部減速器，采用直驅永磁變頻一體機結構設計，進一步降低了設備空間占用，研制出適合極薄煤層的刮板輸送機。

極薄煤層高可靠性綜采成套設備，實現了“三機”裝備在薄及極薄煤層工作面空間狹小、設備運動空間有限、檢修困難等多重限制條件下的穩定運行，為薄及極薄煤層工作面智能無人化開采打下堅實基礎，極薄煤層智能化工作面成套裝備聯調如圖2所示。

圖2 極薄煤層智能化工作面成套裝備聯調

2.2 無人化高效開采控制系統

為降低極薄煤層工作面人員勞動強度，通過智能控制系統替代人工跟機操作，實現薄煤層無人化作業的快速推采。以雙龍煤礦無煤柱自成巷極薄煤層智能開采工作面作為示范工程，完成了數字孿生的智能截割系統、狹窄空間5G漏纜通信系統、工況檢測與故障預警系統、采煤自適應控制系統、智能冗余控制系統、智能煤流檢測監控系統和遠程集中控制系統等關鍵技術的研發，實現了極薄煤層工作面“面內無人操作，面外人工干預”的生產模式。

（1）實時監測工作面運行工況

采用多源數據融合方案構建了運行工況監測體系，通過安裝在工作面的RGBD相機采集數據進行目標檢測，實現了綜采過程中關鍵設備及目標對象狀況（煤機滾筒、液壓支架、刮板輸送機、片幫、大塊煤、操作工人等目標）的自動檢測識別。構建了煤壁深度距離模型，通過深度時變差異分析，實現了對煤壁狀態及片幫體量估計，將視覺攝像與壓力、位移傳感器等深度結合，分析判斷極薄煤層工作面采煤機和液壓支架狀態，對非正常工況支架進行預警，實現了安全生產過程的智能化感知。

（2）采煤機智能截割控制

研發了基于透明化工作面的智能截割系統，建立了高精度透明化工作面地質模型，集成工作面成套設備和慣導系統的位姿信息，利用人工測量及傳感器實時數據動態修正工作面地質體和煤巖層數據模型，智能截割算法根據數據模型進行實時解算，發布規劃截割指令。采煤工藝編輯引擎具有采煤工藝離線編輯、人機交互工藝調整和采煤機、支架工序自動匹配等功能，實現了采煤機截割工序調度、支架跟機控制調度及匹配的全程自動化。極薄煤層工作面直線度數據的煤層起伏數據分析和優化算法，實現了采煤機截割曲線在線修正和采煤機滾筒精確調高。智能煤流檢測監控系統與截割規劃動態配合，檢測到煤流負荷后將煤流運輸系統運行速度與采煤機截割速度和牽引方向進行同步自適應調節，極薄煤層工作面無人化開采智能控制系統如圖3所示。

圖3 極薄煤層工作面無人化開采智能控制系統示意

（3）極薄煤層綜采工作面液壓系統模型

針對極薄煤層工作面快速推進的高效開采需求，建立了極薄煤層綜采工作面液壓系統模型，完成綜采工作面主要液壓元件特性測試及液壓系統的仿真分析，開發了分布式穩壓系統，提高供液質量，搭建高穩定性高可靠性供液系統。研發了極薄煤層工作面液壓支架、自移機尾、自移轉載機、自移超前支架、刮板輸送機機尾和轉載機機頭自動張緊、自移設備列車、電纜和供水管路自動拖曳等關鍵設備的協同電液控制，形成了極薄煤層工作面超前支護裝備和工作面一體化推進技術體系；研制了自動協同推進關鍵裝備，創新提出了超前支架和轉載機連接機構工藝，成功實現運輸?支護一體化，真正實現了運?支協同，巷道支護工況檢測及協同推進系統如圖4所示。

圖4 巷道支護工況檢測及協同推進系統示意

（4）建設5G漏纜通信系統

為了實現極薄煤層工作面與井下控制中心、井上遙操作集控中心的穩定通信，針對性研發了適用于極薄煤層工作面狹窄空間的5G漏纜通信系統，通過工作面內的漏纜布置進行組網，采煤機內置式5G模組與其他設備共同組成穩定的數據鏈路，實現了極薄煤層工作面內5G冗余通信功能。

（5）智能化協同控制系統

井下工作面控制中心和地面遙操作集控中心實現集中協同控制，主要包括采煤機智能截割及遠程控制系統，液壓支架追機推移刮板輸送機移架、采高姿態調整、自動糾偏校直、人員定位、工況視頻監控系統、有線和5G無線通信系統、智能煤流運輸控制系統、智能遠距離供液系統和智能供配電集控系統。所有系統集中聯成網絡進行智能化協同控制，實現了工作面無人操作、人工遠程干預，智能化協同控制中心如圖5所示。

圖5 智能化協同控制中心

2.3 多系統融合安全保障體系

極薄煤層工作面環境條件嚴苛、操作空間小，現場操作人員難以快速處置突發情況，對工作面成套裝備及控制系統的安全監測和危險預警能力提出更高要求，針對極薄煤層工作面礦壓、粉塵、瓦斯等風險項，建立了有效的預警與安全保障技術措施，具體包括以下3個方面。

（1）礦壓大數據智能預警監測系統

礦壓大數據智能預警監測系統實時監測礦壓動態，根據支架工作阻力變化規律評價支架的支護效果，有效防止因頂底板及圍巖垮塌引起的安全事故。構建了基于綜采工作面電液控制系統壓力數據和巷道壓力監測數據的礦壓大數據中心，實現了電液控制壓力、傾角、位移、行程等數據的時間統一。以支架初撐力不合格比例、工作阻力高報比例、安全閥開啟比例、支架不保壓比例、不平衡比例等關鍵數據作為主要指標，形成了液壓支架工況的實時評價體系。

為實現極薄煤層工作面開采過程中來壓的提前預警，研發了綜采工作面周期來壓自動分析和預測預警算法，實現了工作面周期來壓的自動分析和及時預警，并通過周期來壓步距、強度、范圍等頂板來壓預警指標體系和算法模型，綜合分析歷史來壓數據，提前預測預報下一次來壓。

（2）粉塵自動感知與降塵系統

薄煤層工作面無人化操作割煤的核心為監控系統的可視化程度，薄煤層工作面空間小，攝像頭視覺范圍受限，工作面粉塵較大嚴重影響工作面智能化采煤效果。研發了粉塵自動感知與降塵系統，實現了跟機自動噴霧、感知人員自動停止噴霧和根據粉塵濃度智能調節噴霧開關和噴霧量，實現了噴霧系統與粉塵預警系統一體化聯動，粉塵控制效果良好的。

（3）高瓦斯條件下安全高效開采保障系統

為應對極薄煤層工作面采煤過程中易出現瓦斯涌出量超標，工作面多個位置安裝CH4和CO傳感器，實現了“全覆蓋式實時監測+重點區域預測警示”的瓦斯監控功能，達到提前預警、快速響應的瓦斯監控管理效果。智能識別工作面瓦斯濃度實時監測數據，滿足預警瓦斯濃度，搭建了多級聯控平臺，實現對采煤機啟停、速度的自動控制。

應用效果

通過薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備一體化設計，解決了薄煤層空間狹小與裝備高可靠性和生產能力之間的矛盾，實現了極薄煤層的穩定開采。通過智能控制無人跟機，融合工作面運行工況實時檢測系統、自適應供液系統等智能化子系統，實現了薄煤層無人化作業的快速推采。通過研發的粉塵自動感知與降塵系統、高瓦斯條件下安全高效開采保障技術，解決了復雜條件極薄煤層安全性開采。

薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備的成功研發與應用使黃陵礦業實現了極薄煤層工作面0.8m采高常態化運行，年產能力為100萬t，成功解決了薄煤層群綠色、高效、智能開采難題，進一步提升了我國煤炭極薄煤層開采技術和裝備水平。

雙龍煤礦應用薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備與系統后，工作面長度延長至236.5m，有效減少了極薄煤層設備搬家次數，提高了設備利用率，降低了設備噸煤成本，提升了極薄煤層工作面生產效率和經濟效益。無人化技術的成熟應用實現了工作面減人增效的目標，試運行生產期間工作面作業人員由6人減少至面內無人作業、2人定期巡檢，有效減輕了一線工人勞動強度，對極薄煤層無人化開采關鍵技術的推廣和應用起到了重要的示范作用。

結語

薄及極薄煤層高效智能開采成套裝備的研發與應用使雙龍煤礦成為薄及極薄煤層標志性礦井，具有良好的示范應用效果，提升了國內極薄煤層智能化開采技術和成套裝備技術水平，帶動了薄及極薄煤層資源高效利用的發展進程。

黃陵礦業繼續按照“協同攻關核心技術、打造全國煤礦智能化標桿，形成行業示范的發展目標，不斷提升薄及極薄煤層智能化與高端裝備關鍵技術水平，全面加快“智能礦井、智慧礦區”建設，為煤炭工業高質量發展提供不竭動力。

“煤礦智能化重大進展發布會”自 2021年開始，至今已舉辦4次，發布會吸引了眾多煤礦智能化建設領域的專家及科研、工程技術人員，成為展示煤礦智能化建設成果，交流煤礦智能化科技成果的盛會。