綜合機(jī)械化放頂煤開采，簡(jiǎn)稱綜放開采，是開采厚煤層的有效方法。它實(shí)現(xiàn)了厚煤層一次采全高開采，具有巷道掘進(jìn)率低、能耗低、成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，屬于低碳開采技術(shù)。綜放開采技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)開采厚煤層的主要方法，也是我國(guó)在世界煤炭開采領(lǐng)域的標(biāo)志性技術(shù)。
我國(guó)從1982年開始研究試驗(yàn)綜放開采技術(shù)，40年來(lái)取得了重大科技創(chuàng)新。如今，我國(guó)綜放開采已形成多種技術(shù)模式。
在放煤方式上，從初期的高位放煤、中位放煤工藝，發(fā)展到目前普遍采用的低位放煤工藝。在裝備升級(jí)上，綜放開采裝備趨于重型化、大型化。支架架型也從早期的四柱式發(fā)展到今天的四柱式與兩柱式并存。在開采水平上，綜放開采的煤層厚度可達(dá)20米、煤層傾角可達(dá)60度，工作面年產(chǎn)量可達(dá)1500萬(wàn)噸。對(duì)于煤層厚度大于20米的急傾斜厚煤層，開發(fā)了水平分段綜放開采技術(shù)，工作面年產(chǎn)量可達(dá)400萬(wàn)噸。應(yīng)用綜放開采技術(shù)開采的煤層深度從100米到1000米，煤層單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)40兆帕。
綜放開采技術(shù)不僅在我國(guó)厚煤層開采中具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大化。2004年，我國(guó)綜放開采技術(shù)和裝備輸出至澳大利亞，2006年在澳斯達(dá)煤礦投用，建成了澳大利亞第一個(gè)綜放工作面。
神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦8.8米大采高智能綜采工作面
綜放開采的探索和推廣應(yīng)用
綜放開采技術(shù)發(fā)展可以劃分為2個(gè)階段：前20年的探索和推廣應(yīng)用階段，后20年的創(chuàng)新和技術(shù)輸出階段。
在探索和推廣應(yīng)用階段期間，1984年6月，我國(guó)在當(dāng)時(shí)的沈陽(yáng)礦務(wù)局蒲河礦第一次試驗(yàn)綜放開采技術(shù)。試驗(yàn)7個(gè)月，平均月產(chǎn)1.3萬(wàn)噸。后因支架設(shè)計(jì)不合理，采空區(qū)自然發(fā)火，試驗(yàn)被迫中斷。后來(lái)，技術(shù)人員對(duì)支架進(jìn)行改造，采用中位放煤方式，于1986年6月進(jìn)行第二次試驗(yàn)。雖然在蒲河礦的首次綜放開采工業(yè)試驗(yàn)效果并不好，但為我國(guó)后來(lái)綜放技術(shù)研發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。此后幾年，我國(guó)綜放開采技術(shù)研發(fā)方向轉(zhuǎn)向了急傾斜厚煤層。
1986年4月，我國(guó)在甘肅窯街礦務(wù)局二礦進(jìn)行了急傾斜厚煤層水平分段綜放開采試驗(yàn)。該礦煤層厚20米、煤層傾角55度，采用2800千牛阻力的低位放煤支架開采，取得成功。1986年11月，在吉林遼源礦務(wù)局梅河礦四井，進(jìn)行了水平分段高位放煤綜放開采試驗(yàn)。1987年10月，在梅河礦三井進(jìn)行中位放煤綜放開采試驗(yàn)，均取得成功。同年11月，烏魯木齊六道灣礦在煤層傾角64度到71度、煤層厚度33米至50米的松軟煤層中，進(jìn)行了水平分段綜放開采試驗(yàn)并取得成功。試驗(yàn)證明，液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)配套適應(yīng)性好，引進(jìn)的短機(jī)身采煤機(jī)及與之配套的前部刮板輸送機(jī)使用效果良好。
經(jīng)過(guò)不斷探索與創(chuàng)新，急傾斜厚煤層水平分段綜放開采技術(shù)取得了初步成功。工作面回收率達(dá)到85%以上，解決了以往分層開采、巷道高冒式采煤法等成本高、安全性差、效率低的難題。試驗(yàn)初步得到了合理的水平分段高度數(shù)據(jù)（10米至20米）和采放工藝參數(shù)，為后來(lái)的緩傾斜厚煤層放頂煤開采積累了經(jīng)驗(yàn)。
在綜放開采發(fā)展過(guò)程中，支架等主要裝備以自主研發(fā)為主。但是，河南平頂山礦務(wù)局一礦也曾從匈牙利進(jìn)口了一套開天窗高位放煤支架，并于1987年9月在近水平煤層工作面投產(chǎn)使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
經(jīng)過(guò)沈陽(yáng)、窯街、遼源、烏魯木齊、平頂山等礦務(wù)局的實(shí)踐，尤其是在急傾斜厚煤層中綜放開采試驗(yàn)成功，煤炭行業(yè)積累了瓦斯、自燃、粉塵等的防治經(jīng)驗(yàn)。陽(yáng)泉、潞安、兗州礦務(wù)局為代表，進(jìn)行了緩傾斜厚煤層綜放開采的大膽創(chuàng)新。支架架型也從高位、中位放煤定型到低位放煤，真正實(shí)現(xiàn)了綜放開采的高產(chǎn)高效。
1988年12月，陽(yáng)泉礦務(wù)局采用中位放煤支架進(jìn)行綜放開采試驗(yàn)，工作面單產(chǎn)成倍增加。隨后，陽(yáng)泉礦務(wù)局在所屬的4個(gè)礦推廣應(yīng)用中位放煤的綜放開采技術(shù)，1990年，綜放隊(duì)實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)量百萬(wàn)噸的高產(chǎn)高效目標(biāo)。1996年7月，陽(yáng)泉一礦又開始了低位放煤綜放開采試驗(yàn)，低位放煤在技術(shù)上更具優(yōu)勢(shì)。
1989年3月，潞安礦務(wù)局在王莊礦試驗(yàn)天窗式高位綜放開采技術(shù)。1991年6月，在五陽(yáng)礦進(jìn)行低位放煤開采試驗(yàn)，工作面最高月產(chǎn)20萬(wàn)噸，充分證明了綜放開采的高產(chǎn)高效潛力。1993年，潞安礦務(wù)局所屬礦井全部采用了綜放開采技術(shù)。1999年7月，王莊礦開展了270米超長(zhǎng)綜放工作面的開采試驗(yàn)，工作面年產(chǎn)量達(dá)到400萬(wàn)噸以上。
兗州礦務(wù)局的綜放開采始于1992年的興隆莊礦。1999年，采用ZF6200-16/35型較大阻力綜放支架，工作面平均月產(chǎn)35萬(wàn)噸。1997年，東灘礦綜采二隊(duì)生產(chǎn)原煤410萬(wàn)噸。通過(guò)增加工作面長(zhǎng)度和推進(jìn)長(zhǎng)度，優(yōu)化設(shè)備配置和改造輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，綜采二隊(duì)于1998年生產(chǎn)煤炭501萬(wàn)噸，2001年產(chǎn)煤551萬(wàn)噸，使綜放開采技術(shù)潛力得到了進(jìn)一步發(fā)揮。
陽(yáng)泉、潞安、兗州是我國(guó)應(yīng)用綜放開采技術(shù)較早的礦務(wù)局，其共同特點(diǎn)是近水平煤層或者緩傾斜，煤層厚度6米至8米、煤層硬度中等，適合于綜放開采。工作面支架經(jīng)歷了高位放煤、中位放煤，最后推廣應(yīng)用低位放煤階段，實(shí)現(xiàn)了工作面高產(chǎn)高效。
對(duì)于一些“三軟”“兩硬”“大傾角”等復(fù)雜煤層條件，我國(guó)綜放開采技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展。
鄭州礦務(wù)局米村礦于1988年9月在煤層軟、頂板軟、底板軟“三軟”煤層中，首次進(jìn)行了中位放煤的綜放開采試驗(yàn)，沒有取得成功；1991年對(duì)支架進(jìn)行改造，取得了成功，工作面年產(chǎn)量達(dá)60萬(wàn)噸。1994年，米村礦、超化礦工作面年產(chǎn)量達(dá)百萬(wàn)噸；2000年月產(chǎn)量可達(dá)15萬(wàn)噸至17萬(wàn)噸。此外，徐州礦務(wù)局1993年在三河夫礦、1997年在韓橋礦、1998年在權(quán)臺(tái)礦，應(yīng)用了輕型支架綜放開采技術(shù)開采“三軟”煤層，月產(chǎn)量平均達(dá)5萬(wàn)噸至8萬(wàn)噸。
大同礦務(wù)局的侏羅紀(jì)煤層堅(jiān)硬、頂板堅(jiān)硬，俗稱“兩硬”煤層。1991年，大同礦務(wù)局在煤峪口礦試驗(yàn)下分層高位放煤的綜放開采技術(shù)。1992年，在忻州窯礦進(jìn)行中位放煤的綜放開采，取得了較好效果。1995年，研制出低位放煤支架，同時(shí)采用頂煤爆破弱化技術(shù)，取得了初步成功。1997年至1998年，研制出新型低位放煤支架，開展頂煤和頂板活動(dòng)規(guī)律研究，建立了煤體爆破分形能量釋放模型，改善了頂煤爆破弱化效果，在硬煤條件下工作面年產(chǎn)量達(dá)到百萬(wàn)噸以上。晉城礦務(wù)局1990年在鳳凰山礦、1994年在古書院礦進(jìn)行了硬煤綜放開采試驗(yàn)，1998年在成莊礦推廣綜放開采技術(shù)。
1995年，甘肅靖遠(yuǎn)礦務(wù)局魏家地礦在高瓦斯突出厚煤層中開展了綜放開采試驗(yàn)研究，通過(guò)煤層中間瓦斯高抽巷和上部瓦斯排放巷進(jìn)行瓦斯抽排、在采空區(qū)注入氮?dú)夂忘S泥灌漿解決采空區(qū)自燃問(wèn)題，取得成功。1998年，淮北礦務(wù)局在朱仙莊和楊莊礦開展了輕型支架低位放頂綜放開采試驗(yàn)，取得成功，尤其在松散頂煤放出規(guī)律、極軟煤層端面漏冒控制、高瓦斯治理等方面，獲得了寶貴經(jīng)驗(yàn)。2004年，在蘆嶺礦進(jìn)行了預(yù)采頂分層的綜放開采試驗(yàn)，通過(guò)底板穿層鉆孔、預(yù)采頂分層等對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯解突，開采過(guò)程中通過(guò)頂板高抽巷等綜合措施防治瓦斯，通過(guò)煤層注水防止煤壁破壞和降低粉塵，均取得了良好效果。
由于我國(guó)煤層條件復(fù)雜多樣，所需的技術(shù)模式和裝備有很大差異。綜放開采技術(shù)在復(fù)雜條件下應(yīng)用成功，是我國(guó)煤炭企業(yè)與科研單位、高等院校、設(shè)計(jì)單位等共同科技攻關(guān)的成果。
輕型支架綜放開采技術(shù)在我國(guó)放頂煤開采歷史上具有重要地位，這與我國(guó)煤炭開采技術(shù)發(fā)展和煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)狀況有關(guān)。
20世紀(jì)80年代至90年代，在放頂煤開采技術(shù)發(fā)展初期，我國(guó)煤礦開采的總體機(jī)械化程度不高，許多礦務(wù)局以炮采、普采為主，因此采用輕型支架（支架重量≤8噸）。通過(guò)減小支架控頂面積、保證支架支護(hù)強(qiáng)度，節(jié)省工作面投資，避免了普通支架重量大、安裝搬家困難和投資大等問(wèn)題。較單體和滑移、懸移等簡(jiǎn)易支架，輕型支架穩(wěn)定性好、支護(hù)強(qiáng)度大，成了一些煤炭企業(yè)的首選。
當(dāng)時(shí)，輕型支架放頂煤工作面最高月產(chǎn)12萬(wàn)噸，大部分工作面月產(chǎn)量在5萬(wàn)噸至8萬(wàn)噸。輕型支架普遍為四柱式，采用單鉸接或單擺桿結(jié)構(gòu)，額定工作阻力為2000千牛至2800千牛，支護(hù)強(qiáng)度0.47兆帕至0.69兆帕，支架高度1.6米至2.4米。
隨著我國(guó)煤炭開采技術(shù)和裝備整體的快速進(jìn)步，煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益普遍好轉(zhuǎn)。此外，受到國(guó)家對(duì)煤炭開采的高產(chǎn)高效要求以及輕型支架整體支護(hù)能力偏低、支架易損壞、煤壁與端面穩(wěn)定性控制偏弱、工作面產(chǎn)量較低等影響，2005年以后輕型支架逐步退出了歷史舞臺(tái)。
晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山礦千萬(wàn)噸綜采智能化面作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)
綜放開采的創(chuàng)新和技術(shù)輸出
經(jīng)過(guò)前20年的探索和發(fā)展，我國(guó)綜放開采技術(shù)形成了自己的技術(shù)模式和裝備配套系列，展現(xiàn)出其高產(chǎn)高效、低成本低能耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。近20年來(lái)，結(jié)合我國(guó)煤層條件和國(guó)家對(duì)煤炭能源的強(qiáng)勁需求，綜放開采技術(shù)取得了進(jìn)一步發(fā)展和重大創(chuàng)新，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。
以大同塔山礦為代表的20米特厚煤層綜放開采技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。2007年，國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目中，研發(fā)了ZF15000/28/52型四柱式大采高綜放液壓支架及配套裝備，工作面年產(chǎn)1085萬(wàn)噸，頂煤回收率86.7%。2018年，國(guó)家“十三五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目中，開展了智能化方面研究與應(yīng)用。2019年，山東能源集團(tuán)在陜北金雞灘礦開發(fā)了7米大采高放頂煤開采技術(shù)，研發(fā)了ZY21000/38/70D型兩柱式大采高放頂煤液壓支架及配套裝備，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.65兆帕，并通過(guò)增大機(jī)采高度、改善頂煤冒放性來(lái)提高硬煤工作面的回收率。在大采高綜放工作面，應(yīng)用了主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、智能處理、系統(tǒng)協(xié)同配合等技術(shù)，開展了智能化大采高綜放工作面建設(shè)。
2002年，中煤集團(tuán)平朔公司在淺埋硬煤層中應(yīng)用綜放開采技術(shù)，開采4號(hào)煤和9號(hào)煤。雖然埋深較淺，但由于煤層裂隙發(fā)育，仍然取得了良好的開采效益。9號(hào)煤的工作面年產(chǎn)量達(dá)600萬(wàn)噸，工作面回收率接近90%。2010年，在4號(hào)煤中采用兩柱式放頂煤支架試驗(yàn)大采高綜放開采技術(shù)，取得成功。
2007年，淮北礦業(yè)集團(tuán)在渦北礦進(jìn)行了極軟含夾矸煤層大采高綜放開采技術(shù)研究，主要解決含夾矸軟煤層的高效開采難題。2007年，潞安集團(tuán)王莊礦建成了首個(gè)自動(dòng)化大采高綜放工作面，支架采用電液控制系統(tǒng)，主要解決了以往瓦斯涌出量大和工作面煤炭回收率低問(wèn)題。
靖遠(yuǎn)王家山礦于2003年在煤層傾角38度至49度、煤層厚度15. 5米的厚煤層中，應(yīng)用了走向長(zhǎng)壁綜放開采技術(shù)。2013年，山西大遠(yuǎn)煤業(yè)在煤層傾角平均53度的厚煤層中，通過(guò)工作面?zhèn)涡?3度布置、研發(fā)寬側(cè)護(hù)板強(qiáng)力抗擠壓綜放支架、結(jié)合采放工藝和設(shè)備配套，共同解決了工作面設(shè)備的防倒防滑難題，成功應(yīng)用綜放開采技術(shù)，并發(fā)明了“下行動(dòng)態(tài)分段、段內(nèi)上行放煤”的采放工藝。
對(duì)于煤層厚度大于20米的急傾斜厚煤層，國(guó)家能源集團(tuán)烏東礦應(yīng)用水平分段綜放技術(shù)，由于煤層較硬，在頂煤中開掘了一條頂煤弱化工藝巷，進(jìn)行頂煤預(yù)爆破和爆破后注水弱化，提高了頂煤回收率和放煤效率。
2000年開始，我國(guó)綜放開采逐步進(jìn)入以液壓支架電液控制為代表的自動(dòng)化時(shí)代，并實(shí)現(xiàn)以時(shí)序記憶控制為主導(dǎo)的自動(dòng)放煤。我國(guó)在前期引進(jìn)和借鑒美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)以及大量自主研發(fā)后，將綜采工作面的自動(dòng)化開采技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)等相結(jié)合，逐步形成了我國(guó)綜采工作面的智能開采技術(shù)。同時(shí)，制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了我國(guó)煤礦智能開采技術(shù)進(jìn)步。目前，我國(guó)綜放開采已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平，某些技術(shù)如遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理等處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
隨著煤礦智能化技術(shù)的發(fā)展，綜放開采技術(shù)也迎來(lái)了智能化變革。
綜放工作面智能化由兩部分組成，一是采煤機(jī)割煤及配套工序的智能化。這可以直接采用綜采工作面的智能化技術(shù)。相比綜采，采煤機(jī)割煤可以采用固定高度割煤，不必進(jìn)行割煤過(guò)程的煤巖識(shí)別。
二是放煤工序智能化。這一部分進(jìn)展緩慢，曾開展過(guò)聲音頻譜、近紅外光譜、自然射線、振動(dòng)信號(hào)等技術(shù)研發(fā)，進(jìn)行放煤過(guò)程的煤矸識(shí)別，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。2021年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）開發(fā)了基于圖像識(shí)別的智能控制放煤技術(shù)，取得突破性進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了真正意義上的智能控制放煤。該技術(shù)目前已在相關(guān)煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。
兗州礦業(yè)集團(tuán)于2004年11月在澳大利亞注冊(cè)了兗煤澳大利亞公司，12月收購(gòu)了澳斯達(dá)礦。2006年10月，提供國(guó)產(chǎn)綜放配套設(shè)備，建起了澳大利亞第一個(gè)放頂煤工作面。除澳大利亞以外，印度、土耳其、俄羅斯、越南等國(guó)也開始關(guān)注和引進(jìn)我國(guó)的綜放開采技術(shù)，并進(jìn)行了一些基礎(chǔ)研究。
為了促進(jìn)我國(guó)綜放開采技術(shù)的健康發(fā)展，原煤炭工業(yè)部于1994年成立了煤炭工業(yè)部綜采放頂煤專家組，指導(dǎo)我國(guó)綜放開采技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。1995年，制定和頒布了煤炭工業(yè)部《放頂煤開采暫行技術(shù)規(guī)定》。同年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京研究生部和潞安礦務(wù)局聯(lián)合成立了煤炭工業(yè)部放頂煤開采技術(shù)中心。1997年，該中心主任吳健教授主持了我國(guó)礦業(yè)工程學(xué)科第一個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目——《厚煤層開采基礎(chǔ)理論研究》，全面系統(tǒng)地研究了綜放開采的基礎(chǔ)理論問(wèn)題，促進(jìn)了我國(guó)綜放開采技術(shù)的快速進(jìn)步。
40年來(lái)，我國(guó)綜放開采技術(shù)取得了重大創(chuàng)新和發(fā)展，這得益于煤炭企業(yè)、高校、科研單位、煤機(jī)制造、管理等部門持之以恒的科技攻關(guān)，也得益于國(guó)家整體科技水平提升。未來(lái)，綜放開采技術(shù)發(fā)展要符合國(guó)家雙碳戰(zhàn)略、能源保供、綠色智能方向。由于綜放開采效率高、產(chǎn)量大、單位能耗低，具有低碳開采的屬性，可實(shí)現(xiàn)煤炭能源保供和柔性產(chǎn)能。
下一步，我們還需要在開采完全智能化，尤其是在放煤智能化，采動(dòng)巖層運(yùn)動(dòng)與控制、保水開采、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害防治、設(shè)備配套與智能化系統(tǒng)的可靠性等方面加大研發(fā)力度，助力煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。
（作者系中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）副校長(zhǎng)）
晉煤控股集團(tuán)同忻礦綜采隊(duì)員工在進(jìn)行放煤操作
來(lái)源：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì) 作者：王家臣
