綜合機械化放頂煤開采，簡稱綜放開采，是開采厚煤層的有效方法。它實現(xiàn)了厚煤層一次采全高開采，具有巷道掘進率低、能耗低、成本低、效率高的優(yōu)點，屬于低碳開采技術。綜放開采技術已經(jīng)成為我國開采厚煤層的主要方法，也是我國在世界煤炭開采領域的標志性技術。

我國從1982年開始研究試驗綜放開采技術，40年來取得了重大科技創(chuàng)新。如今，我國綜放開采已形成多種技術模式。

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20米、煤層傾角可達60度，工作面年產(chǎn)量可達1500萬噸。對于煤層厚度大于20米的急傾斜厚煤層，開發(fā)了水平分段綜放開采技術，工作面年產(chǎn)量可達400萬噸。應用綜放開采技術開采的煤層深度從100米到1000米，煤層單軸抗壓強度可達40兆帕。

綜放開采技術不僅在我國厚煤層開采中具有巨大的技術優(yōu)勢，而且隨著技術的發(fā)展與成熟，應用范圍逐漸擴大化。2004年，我國綜放開采技術和裝備輸出至澳大利亞，2006年在澳斯達煤礦投用，建成了澳大利亞第一個綜放工作面。

神東煤炭集團上灣煤礦8.8米大采高智能綜采工作面

綜放開采的探索和推廣應用

綜放開采技術發(fā)展可以劃分為2個階段：前20年的探索和推廣應用階段，后20年的創(chuàng)新和技術輸出階段。

在探索和推廣應用階段期間，1984年6月，我國在當時的沈陽礦務局蒲河礦第一次試驗綜放開采技術。試驗7個月，平均月產(chǎn)1.3萬噸。后因支架設計不合理，采空區(qū)自然發(fā)火，試驗被迫中斷。后來，技術人員對支架進行改造，采用中位放煤方式，于1986年6月進行第二次試驗。雖然在蒲河礦的首次綜放開采工業(yè)試驗效果并不好，但為我國后來綜放技術研發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗。此后幾年，我國綜放開采技術研發(fā)方向轉(zhuǎn)向了急傾斜厚煤層。

1986年4月，我國在甘肅窯街礦務局二礦進行了急傾斜厚煤層水平分段綜放開采試驗。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，在吉林遼源礦務局梅河礦四井，進行了水平分段高位放煤綜放開采試驗。1987年10月，在梅河礦三井進行中位放煤綜放開采試驗，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，進行了水平分段綜放開采試驗并取得成功。試驗證明，液壓支架、采煤機、刮板輸送機配套適應性好，引進的短機身采煤機及與之配套的前部刮板輸送機使用效果良好。

經(jīng)過不斷探索與創(chuàng)新，急傾斜厚煤層水平分段綜放開采技術取得了初步成功。工作面回收率達到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)，為后來的緩傾斜厚煤層放頂煤開采積累了經(jīng)驗。

在綜放開采發(fā)展過程中，支架等主要裝備以自主研發(fā)為主。但是，河南平頂山礦務局一礦也曾從匈牙利進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)濟效益。

經(jīng)過沈陽、窯街、遼源、烏魯木齊、平頂山等礦務局的實踐，尤其是在急傾斜厚煤層中綜放開采試驗成功，煤炭行業(yè)積累了瓦斯、自燃、粉塵等的防治經(jīng)驗。陽泉、潞安、兗州礦務局為代表，進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，真正實現(xiàn)了綜放開采的高產(chǎn)高效。

1988年12月，陽泉礦務局采用中位放煤支架進行綜放開采試驗，工作面單產(chǎn)成倍增加。隨后，陽泉礦務局在所屬的4個礦推廣應用中位放煤的綜放開采技術，1990年，綜放隊實現(xiàn)了年產(chǎn)量百萬噸的高產(chǎn)高效目標。1996年7月，陽泉一礦又開始了低位放煤綜放開采試驗，低位放煤在技術上更具優(yōu)勢。

1989年3月，潞安礦務局在王莊礦試驗天窗式高位綜放開采技術。1991年6月，在五陽礦進行低位放煤開采試驗，工作面最高月產(chǎn)20萬噸，充分證明了綜放開采的高產(chǎn)高效潛力。1993年，潞安礦務局所屬礦井全部采用了綜放開采技術。1999年7月，王莊礦開展了270米超長綜放工作面的開采試驗，工作面年產(chǎn)量達到400萬噸以上。

兗州礦務局的綜放開采始于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)35萬噸。1997年，東灘礦綜采二隊生產(chǎn)原煤410萬噸。通過增加工作面長度和推進長度，優(yōu)化設備配置和改造輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，綜采二隊于1998年生產(chǎn)煤炭501萬噸，2001年產(chǎn)煤551萬噸，使綜放開采技術潛力得到了進一步發(fā)揮。

陽泉、潞安、兗州是我國應用綜放開采技術較早的礦務局，其共同特點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，最后推廣應用低位放煤階段，實現(xiàn)了工作面高產(chǎn)高效。

對于一些“三軟”“兩硬”“大傾角”等復雜煤層條件，我國綜放開采技術也取得了突破性進展。

鄭州礦務局米村礦于1988年9月在煤層軟、頂板軟、底板軟“三軟”煤層中，首次進行了中位放煤的綜放開采試驗，沒有取得成功；1991年對支架進行改造，取得了成功，工作面年產(chǎn)量達60萬噸。1994年，米村礦、超化礦工作面年產(chǎn)量達百萬噸；2000年月產(chǎn)量可達15萬噸至17萬噸。此外，徐州礦務局1993年在三河夫礦、1997年在韓橋礦、1998年在權臺礦，應用了輕型支架綜放開采技術開采“三軟”煤層，月產(chǎn)量平均達5萬噸至8萬噸。

大同礦務局的侏羅紀煤層堅硬、頂板堅硬，俗稱“兩硬”煤層。1991年，大同礦務局在煤峪口礦試驗下分層高位放煤的綜放開采技術。1992年，在忻州窯礦進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，同時采用頂煤爆破弱化技術，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)量達到百萬噸以上。晉城礦務局1990年在鳳凰山礦、1994年在古書院礦進行了硬煤綜放開采試驗，1998年在成莊礦推廣綜放開采技術。

1995年，甘肅靖遠礦務局魏家地礦在高瓦斯突出厚煤層中開展了綜放開采試驗研究，通過煤層中間瓦斯高抽巷和上部瓦斯排放巷進行瓦斯抽排、在采空區(qū)注入氮氣和黃泥灌漿解決采空區(qū)自燃問題，取得成功。1998年，淮北礦務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，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。2004年，在蘆嶺礦進行了預采頂分層的綜放開采試驗，通過底板穿層鉆孔、預采頂分層等對煤層進行瓦斯解突，開采過程中通過頂板高抽巷等綜合措施防治瓦斯，通過煤層注水防止煤壁破壞和降低粉塵，均取得了良好效果。

由于我國煤層條件復雜多樣，所需的技術模式和裝備有很大差異。綜放開采技術在復雜條件下應用成功，是我國煤炭企業(yè)與科研單位、高等院校、設計單位等共同科技攻關的成果。

輕型支架綜放開采技術在我國放頂煤開采歷史上具有重要地位，這與我國煤炭開采技術發(fā)展和煤炭企業(yè)的經(jīng)濟狀況有關。

20世紀80年代至90年代，在放頂煤開采技術發(fā)展初期，我國煤礦開采的總體機械化程度不高，許多礦務局以炮采、普采為主，因此采用輕型支架（支架重量≤8噸）。通過減小支架控頂面積、保證支架支護強度，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題。較單體和滑移、懸移等簡易支架，輕型支架穩(wěn)定性好、支護強度大，成了一些煤炭企業(yè)的首選。

當時，輕型支架放頂煤工作面最高月產(chǎn)12萬噸，大部分工作面月產(chǎn)量在5萬噸至8萬噸。輕型支架普遍為四柱式，采用單鉸接或單擺桿結構，額定工作阻力為2000千牛至2800千牛，支護強度0.47兆帕至0.69兆帕，支架高度1.6米至2.4米。

隨著我國煤炭開采技術和裝備整體的快速進步，煤炭企業(yè)經(jīng)濟效益普遍好轉(zhuǎn)。此外，受到國家對煤炭開采的高產(chǎn)高效要求以及輕型支架整體支護能力偏低、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。

晉能控股煤業(yè)集團塔山礦千萬噸綜采智能化面作業(yè)現(xiàn)場

綜放開采的創(chuàng)新和技術輸出

經(jīng)過前20年的探索和發(fā)展，我國綜放開采技術形成了自己的技術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優(yōu)勢。近20年來，結合我國煤層條件和國家對煤炭能源的強勁需求，綜放開采技術取得了進一步發(fā)展和重大創(chuàng)新，主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

以大同塔山礦為代表的20米特厚煤層綜放開采技術取得了突破性進展。2007年，國家“十一五”科技支撐計劃重大項目中，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)1085萬噸，頂煤回收率86.7%。2018年，國家“十三五”科技支撐計劃項目中，開展了智能化方面研究與應用。2019年，山東能源集團在陜北金雞灘礦開發(fā)了7米大采高放頂煤開采技術，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，支護強度達到1.65兆帕，并通過增大機采高度、改善頂煤冒放性來提高硬煤工作面的回收率。在大采高綜放工作面，應用了主動感知、自動分析、智能處理、系統(tǒng)協(xié)同配合等技術，開展了智能化大采高綜放工作面建設。

2002年，中煤集團平朔公司在淺埋硬煤層中應用綜放開采技術，開采4號煤和9號煤。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號煤的工作面年產(chǎn)量達600萬噸，工作面回收率接近90%。2010年，在4號煤中采用兩柱式放頂煤支架試驗大采高綜放開采技術，取得成功。

2007年，淮北礦業(yè)集團在渦北礦進行了極軟含夾矸煤層大采高綜放開采技術研究，主要解決含夾矸軟煤層的高效開采難題。2007年，潞安集團王莊礦建成了首個自動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題。

靖遠王家山礦于2003年在煤層傾角38度至49度、煤層厚度15. 5米的厚煤層中，應用了走向長壁綜放開采技術。2013年，山西大遠煤業(yè)在煤層傾角平均53度的厚煤層中，通過工作面?zhèn)涡?3度布置、研發(fā)寬側(cè)護板強力抗擠壓綜放支架、結合采放工藝和設備配套，共同解決了工作面設備的防倒防滑難題，成功應用綜放開采技術，并發(fā)明了“下行動態(tài)分段、段內(nèi)上行放煤”的采放工藝。

對于煤層厚度大于20米的急傾斜厚煤層，國家能源集團烏東礦應用水平分段綜放技術，由于煤層較硬，在頂煤中開掘了一條頂煤弱化工藝巷，進行頂煤預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，我國綜放開采逐步進入以液壓支架電液控制為代表的自動化時代，并實現(xiàn)以時序記憶控制為主導的自動放煤。我國在前期引進和借鑒美國、德國、澳大利亞等國先進的自動化技術以及大量自主研發(fā)后，將綜采工作面的自動化開采技術與人工智能、大數(shù)據(jù)等相結合，逐步形成了我國綜采工作面的智能開采技術。同時，制定了相應的技術標準，極大地推動了我國煤礦智能開采技術進步。目前，我國綜放開采已經(jīng)處于國際先進水平，某些技術如遠程控制、數(shù)據(jù)自動處理等處于國際領先水平。

隨著煤礦智能化技術的發(fā)展，綜放開采技術也迎來了智能化變革。

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。相比綜采，采煤機割煤可以采用固定高度割煤，不必進行割煤過程的煤巖識別。

二是放煤工序智能化。這一部分進展緩慢，曾開展過聲音頻譜、近紅外光譜、自然射線、振動信號等技術研發(fā)，進行放煤過程的煤矸識別，但目前仍處于實驗室階段。2021年，中國礦業(yè)大學（北京）開發(fā)了基于圖像識別的智能控制放煤技術，取得突破性進展，首次實現(xiàn)了真正意義上的智能控制放煤。該技術目前已在相關煤礦進行工業(yè)試驗和推廣應用。

兗州礦業(yè)集團于2004年11月在澳大利亞注冊了兗煤澳大利亞公司，12月收購了澳斯達礦。2006年10月，提供國產(chǎn)綜放配套設備，建起了澳大利亞第一個放頂煤工作面。除澳大利亞以外，印度、土耳其、俄羅斯、越南等國也開始關注和引進我國的綜放開采技術，并進行了一些基礎研究。

為了促進我國綜放開采技術的健康發(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，指導我國綜放開采技術研發(fā)和應用。1995年，制定和頒布了煤炭工業(yè)部《放頂煤開采暫行技術規(guī)定》。同年，中國礦業(yè)大學北京研究生部和潞安礦務局聯(lián)合成立了煤炭工業(yè)部放頂煤開采技術中心。1997年，該中心主任吳健教授主持了我國礦業(yè)工程學科第一個國家自然科學基金重點項目——《厚煤層開采基礎理論研究》，全面系統(tǒng)地研究了綜放開采的基礎理論問題，促進了我國綜放開采技術的快速進步。

40年來，我國綜放開采技術取得了重大創(chuàng)新和發(fā)展，這得益于煤炭企業(yè)、高校、科研單位、煤機制造、管理等部門持之以恒的科技攻關，也得益于國家整體科技水平提升。未來，綜放開采技術發(fā)展要符合國家雙碳戰(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，采動巖層運動與控制、保水開采、環(huán)境保護、災害防治、設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)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

（作者系中國礦業(yè)大學（北京）副校長）

晉煤控股集團同忻礦綜采隊員工在進行放煤操作

來源：中國煤炭學會  作者：王家臣