项目名称: 大采高自动化综放工作面安全高效综合配套技术研究

申报单位: 山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿

主要完成人：刘克功  肖亚宁  周志利  贾双春  杨建立  

牛宏伟  赵学雷  苏  海  王  睿  李宗涛  

董宗斌  翟利斌  韩月强  杨晓国  王  锋

主要完成单位: 山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿

中国矿业大学

山西潞安机电修造公司

专业（学科）分类名称代码: 采煤专业

所属国民经济行业:B类型

任务来源：自选

计划（基金）名称和编号：无

项目起止时间：2006年6月-2007年8月

项目简介：综放开采技术经过二十多年的发展，目前已经成为我国厚煤层的主要开采方法之一。普通综放开采存在采放比例不尽合理，割放煤不同步；工作面有效通风断面小、产量增大带来瓦斯相对涌出量增大和上隅角瓦斯超限问题；工序复杂，工作面用人较多，放煤受人为因素影响较大，煤质和采出率稳定性波动较大等问题。为了进一步完善和提高综放开采技术自动化方向发展，潞安王庄煤矿、中国矿业大学和潞安机电修造公司等共同组成课题组，以普通综放开采技术存在缺陷和问题为突破口，率先进行了大采高自动化综放工作面安全高效综合配套技术研究。

本项目研制了大采高自动化综放液压支架和新型大采高综放工作面端头支架，进行了大采高综放工作面设备的配套选型，采用系统集成的方式研究大采高自动化综放工作面工艺、运输系统及生产保障系统的自动化监测控制技术。现场实测分析大采高综放工作面煤岩的运移规律及煤岩的破碎块度特征，采用散体模型研究大采高综放开采的煤矸流场特征，确定了大采高综放开采的放煤工艺参数。针对工作面端部顶煤冒放性相对较差的特点，在工作面端部试验研究振动放顶煤技术。现场实测研究大采高综放工作面的矿压显现规律，分析大采高综放支架的承载特征及适应性。研究了大采高综放工作面瓦斯治关键技术和矿井综合防尘技术。试验研究声音频谱煤矸识别与自动放煤技术。

为了进一步完善和提高综放开采的技术优势，特别是为了将放顶煤开采技术向自动化方向发展，掌握和应用更高层次的技术水平，王庄煤矿、中国矿业大学等共同组成课题组，以普通综放开采技术存在的三大缺陷和问题为突破口，率先进行了大采高自动化综放工作面安全高效综合配套技术研究。项目采用现场调研分析、理论研究、实验研究、工业性试验和现场实测研究相结合的综合研究方法进行，并在王庄煤矿进行试验，取得了成功。

立项背景：综放开采技术是由潞安集团率先试验成功的厚煤层采煤技术，该项技术于1997年获煤炭部科技进步特等奖；经过近二十年的发展，目前已经成为我国厚煤层的主要开采方法之一。但是，综采放顶煤技术中还有许多难题没有充分解决，一是普通综放开采虽然实现多点同时出煤，但由于采放比例不尽合理，割放煤不同步，割煤等放煤现象比较普遍；二是工作面有效通风断面小、产量增大带来瓦斯相对涌出量增大和上隅角瓦斯超限问题，制约了安全高效水平的进一步发展；三是工序复杂，工作面用人较多，同时放煤受人为因素影响较大，煤质和采出率稳定性波动较大。因此综放技术的优势还远远未发挥出来，发展潜力还很大。

目前，放顶煤支架最大高度一般在3.5m以下，机采高度3.2m以下，随着国内煤矿机械化开采步伐的加快以及地质条件的变化，这些支架的性能已经不能完全满足厚及特厚煤层机械化开采的要求。

结合综放开采和大采高综采两种采煤方法的优点，厚及特厚煤层采用大采高综放开采，避免了大采高综采面采煤机割煤过高造成煤壁片帮的问题，同时也克服了综放开采由于割煤高度小导致采煤机、前部刮板输送机能力得不到充分利用的问题，适应性好，是综放面提高工作面产量和安全的主要途径。同时，新版《煤矿安全规程》规定放煤高度不能超过3倍的机采高度，即在煤机割煤高度给定的条件下，综放开采一次采放的总厚度受到限制，对于部分特厚煤层将不能实现采用普通综放开采一次采煤层全厚。因此，大采高综放开采是未来我国厚及特厚煤层实现安全高产高效开采的重要途径。

2005年集团公司在前期调研的基础上，决定将放顶煤开采技术由机械化方向向自动化方向发展。为了进一步完善和提高综放开采的技术优势，特别是为了将放顶煤开采技术向自动化方向发展，以普遍综放开采技术存在的三大缺陷和问题为突破口，率先进行了大采高自动化综放工作面安全高效综合配套技术研究。

大采高综放开采能解决普通综采放顶煤技术中存在的许多难题，同时提高了综放开采一次采放的总厚度，进一步拓宽综采放顶煤技术的应用范围。放顶煤由于煤矸互混，块度大小不一，方位变化不定，综放工作面的自动化的难度远大于一般工作面。因此，开展大采高自动化综放工作面安全高效综合配套等关键技术研究，对于推动我国安全高效矿井建设，实现煤炭开采技术的自动化具有重要的理论价值和现实意义。

总体思路：结合综放开采和大采高综采两种采煤方法的优点，采用大采高综放开采实现厚及特厚煤层的安全高效开采。大采高综放开采，即工作面采煤机割煤高度大于3.5m的综放开采。由于大采高综放工作面割煤高度加大，放煤高度相应减小，不仅可增大工作面通风断面、降低工作面风阻、缩短放煤时间、提高工作面回收率与单产，而且为工作面支架后部通风与放煤提供了空间，为工作面放煤口附近瓦斯稀释提供了保证，有利于工作面实现均衡生产；而且工作面割煤高度加大，为充分利用当前大功率采煤机与输送机创造了条件，可增加工作面割煤量；工作面采用大采高支架，为工作面配备大功率后部输送机提供了空间，并有利于顶煤的垮落；大功率后部输送机为工作面增加放煤口数量提供了保证；随着大采高支架的高度增加，可有效减少循环移架、放煤时间，有效地缩短工作面循环时间，加快工作面推进速度，是综放开采进一步实现高产高效的途径。

图1  大采高综放开采的优势

分析目前国内外安全高效工作面的特点及技术装备情况，结合矿区的特点，选取王庄煤矿6203工作面为项目实施地点，确定工作面布置及设备选型原则。采用模拟实验和理论研究大采高综放开采条件下采场支架与围岩关系、煤岩的活动规律；确定大采高综放液压支架设计的目标和主要技术参数。根据潞安矿区的具体地质条件和大采高综放开采的矿压特点，确定合适的液压支架架型，完成液压支架与液压控制系统的配套设计；优化液压支架结构并进行液压支架结构件有限元计算，研制整体顶梁的ZF7000/20/40大采高放顶煤液压支架和大采高综放工作面端头支护的侧向自移式端头液压支架。根据国内外综采设备的发展现状，确定能满足工作面生产能力要求的采煤机、运输机及其它配套设备。

综放开采时机采高度变化，引起采放比变化，将导致采场采动应力；基于此形成通过调节采放比来调节矿山压力的思想和方法，即通过改变综放面的机采高度，调节采放比，进而调节矿山压力的变化，改变煤壁塑性区宽度和支承压力影响范围，从而调节矿山压力的破煤效果和工作面围岩的稳定性，使厚及特厚煤层满足放顶煤开采“架前完整、架后破碎”的基本要求。

实测研究大采高综放工作面的矿压显现规律和煤岩运移规律，分析大采高综放工作面支架围岩关系及支架稳定性。基于顶煤破断冒放的块度理论，采用散体模型试验和理论研究大采高综放开采放煤口参数和煤矸放出的流动场特征，在此基础上优化大采高综放开采放煤工艺参数。加大综放工作面的机采高度，调节采放比，进而调节矿山压力的变化，改变了煤壁塑性区宽度和支承压力影响范围，从而改善了顶煤的冒放性，提高顶煤放出率；且煤机割煤采出率整体大于顶煤放出率，加大机采高度与顶煤放出率提高共同提高工作面的采出率。采用振动的办法，改变大块顶煤的流动性，形成工作面端部改善放煤效果的振动放煤技术。根据放煤口放出煤矸的声音频谱信号差异，试验研究声音频谱煤矸识别技术，为自动终止放煤提供依据，解决综放工作面实现自动化放煤的技术“瓶颈”。

将电液控制技术应用于大采高四柱支撑掩护式综放设备，采用汉字显示，开发适合于采放工艺要求的自动跟机控制程序，达到采放平衡。采用本安型工业以太网技术，通过Modbus/TCP总线、标准的OPC接口，实现系统控制台对工作面设备的集中控制，实现了综放工艺自动化。实现主运输、供电设备的地面集中控制，无人值守。大幅度提高综放工作面及环节系统自动化水平、安全可靠性，达到减人提效的目的。

采用大采高综放支架增大工作面有效通风断面，形成以综放沿空小断面留巷技术和工作面分源治理瓦斯技术为特征的大采高综放开采J型通风系统治理瓦斯涌出的关键技术，解决工作面因产量提高而带来的瓦斯涌出量增大和上隅角瓦斯超限问题。采用未掘成前加固和掘成后的加固的方法，解决工作面风巷变形量大，无法实现快速掘进和通风能力受到影响的难题，形成了小煤柱锚网巷道注浆加固支护技术。将供给的高压水转化成控制采煤机滚筒割煤产尘源向外扩散的汽雾流屏障和局部含尘风流净化除尘系统，实现对采煤机滚筒割煤产尘的就地净化、阻止和减少粉尘向外扩散，形成采煤机二次负压电控架间喷雾降尘技术。最后进行大采高自动化综放工作面安全高效综合配套技术的工业性试验和技术完善。

技术方案：一、大采高自动化综放工作面设备配套技术支架设计的目标为（1）通过50000次寿命试验，生产原煤1000万t不大修；（2）电液控制，移架速度小于11s/架。根据大采高综放开采矿压特点研制的ZF7000/20/40型大采高四柱支撑掩护式低位综放液压支架有如下特点：

（1）工作阻力大，切顶能力及抗冲击能力强；

（2）后部放煤空间大，支架尾梁可以向上旋转62°，增大了后部运输机的过煤高度，加大了支架插板的行程，插板行程700mm，增加了放煤口尺寸 ；

（3）采用整体式双前连杆、单后连杆型式，大大提高了支架的抗扭能力和横向稳定性。

（4）采用双活动侧护板，便于采区倒面。支架侧护板收回时最小宽度1430mm，侧护板展开后最大宽度1600mm。

（5）支架采用2根φ250的双伸缩前立柱和2根φ230的双伸缩后立柱，调高范围大，采高适应性强。

（6）提高了支架的初撑力。支架初撑力达到支架工作阻力的81%以上；同时加大前梁千斤顶缸径，其缸径为φ200，增加了前梁对顶煤的支撑力，提高了支架对新暴露顶板的控制能力。

图2  ZF7000/20/40型大采高四柱支撑掩护式低位综放液压支架

研制了适合大采高综放工作面端头支护特点的位于外帮的ZDWX-07型侧向自移式端头液压支架。该端头支架具有适应巷道和工作面宽度变化，前推后拉与转载机同步前进，与转载机、运输机、排头支架不接触，结构简单，管理使用简便，适应性强等特点。研制了回风巷超前维护循环支移支架，该支架具有能适应动压巷道变形量要求，避免了对顶板的反复支撑，可根据巷道断层尺寸进行顶梁调节和护帮机构等特点。

 

图3  ZDWX-07型侧向自移式端头液压支架结构示意图

  

图4  ZDWX-07型侧向自移式端头液压支架地面调试

6203大采高自动化综放工作面设备选型配套有如下特点：（1）增大了工作面刮板机配套功率，并使用双速电机，刮板链型号提高，有效减少了断链和传动部事故的发生；（2）自行研制并成功使用了采煤机截割滚筒内喷雾装置，有效降低了工作面煤尘浓度，改善了工作面环境；（3）工作面配套使用了大功率移变，并实行双回路供电和备用回路带电热备用，提高了工作面供电可靠性；（4）选用大流量乳化液泵站，实行双泵双回路供液，提高工作面支架供液系统的流量、压力；（5）工作面安装TK-200通讯控制一体化系统，实现了对关键设备的集中控制和负荷检测。

二、大采高综放工作面煤矸流场特征及工艺参数优化

与普通采高综放工作面相比，大采高综放开采顶煤开始张裂的位置前移了1m左右，张裂缝的倾角增大3°，顶煤的垮落角增大15°，张裂缝切割顶煤的间距减小约500mm，相同位置的裂缝宽度也有所增加。

图5  6203大采高综放工作面顶煤变形素描图（单位：mm）

在大采高综放开采条件下，顶煤的始动点超前煤壁的距离较大，顶煤的破断角增大，顶煤超前支架切顶线冒落，顶板滞后顶煤垮落的距离减小，顶煤破碎块度变小，顶煤的冒放性改善。

图6  顶煤及顶板位移变化曲线

基于以顶煤破断块度为特征量的块度理论，分析得出了大采高综放开采煤矸流场特征主要表现为：①顶煤放落后的煤矸分界线的斜率变陡；②放煤过程中煤矸的流动速度变快，煤矸分界线与支架顶梁末端的距离缩小；③受采放比、掩护梁角度和放煤口尺寸变化影响而易于混矸。

图7  顶煤破断冒放的块度理论框架

    

（a）移架前              （b）移架后放煤前              （c）放煤后

图8  采高3.6m时煤矸流动形态

大采高综放开采煤矸分界线和顶煤始动线之间的间隔层宽度随着放煤步距的加大而增加。合理的放煤步距应保证移架后放煤前的煤矸分界线应略偏后于尾梁下部边界。在王庄矿大采高低位综放开采条件下，最佳放煤步距与放煤方式的组合形式应是“两采一放双轮顺序放煤”。

表1  不同放煤步距放煤效果对比

表2  放煤方式实验结果

序号	顶煤厚度/m	顶煤放出率/%				备注
		间单	顺单	顺多	间多
1	3.0	57.78	55.21	63.98	59.26	含矸率不大于1%
2	4.8	76.62	64.41	81.62	75.17
3	6.9	77.85	64.95	89.42	86.74

表3  6203工作面放煤工艺试验结果

 

采用振动放顶煤技术破坏了重力放煤过程中形成的铰接拱结构，从而大幅度地降低了放顶煤过程中的成拱概率，提高了工作面端部顶煤的放出率。基于煤和矸石的声音频谱差异，试验研究了声音频谱煤矸识别与自动放煤技术。

三、大采高综放工作面矿压显现规律与支架适应性

与相邻非大采高综放工作面相比，具有以下特点：

（1）工作面来压步距基本相同，采高增加后，对老顶的破断规律没有明显影响；

（2） 大采高综放工作面来压期间动载系数1.63，提高了27.3%；

（3）老顶周期来压期间，工作面上中下三个部位支架最大工作阻力平均5061.15kN、6463.4kN和5178.9kN，分别占额定额工作阻力的72.3%、92.3%和73.98%；

（4）支架末阻力占其额定工作阻力的比例的分布较分散，基本呈均匀分布，而时间加权阻力基本呈正态分布；

（5）支架的工作特性主要呈现先增后降与先降后升状态；

（a）末阻力                          （b）时间加权阻力

图9  工作面中部阻力分布

（6）现场实测统计表明，片帮深度主要在150～300mm范围，占统计总数的63.6％，而大于450mm的频率占13.6％。冒顶高度小于600mm；

图10  片帮深度分布

（7）实测支架顶梁的仰俯角分布范围为-0.5°～1.5°，最大仰角为1.5°，最大俯角为6°，支架位态良好；

（8）从对煤壁片帮和端面冒顶的控制效果上看，大采高综放支架的支护参数及结构形式能够适应大采高综放工作面的围岩活动规律，保证了工作面的高效生产，具有良好的适应性。

四、大采高综放工作面自动化控制技术研究

工作面自动化系统集成采用三级网络结构，即信息层、传输层和监控层，每一层均采用成熟的信息与控制技术，对工作面单个设备工况及整个生产系统的状态进行精确实时监测与控制，实现了工作面生产过程自动化和生产信息计算机管理网络化。

系统集成的配套子系统包括： 1）采煤机子系统； 2）运输设备集控子系统； 3）泵站集控子系统； 4）负荷中心；5）顶板离层。

综放工作面自动化的关键是液压支架的电液控制，尤其是放煤的电液自动控制。本项目采用PM31电液控制系统对液压支架实施多功能、高效率、自动化控制。6203工作面PM31系统具体功能主要包括：

（1）用按键对单个支架（邻架）单动作的非自动控制；

（2）对单个支架（邻架）的降柱→移架→升柱动作施行自动顺序联动；

（3）成组自动控制；

图11  大采高综放工作面自动化的总体要求

 

图12  大采高综放工作面自动化功能体系

（4）支柱在工作中发生卸载时的自动补压功能；

（5）闭锁及紧急停止功能；

（6）信息功能；

（7）以采煤机位置为依据的支架自动控制；

（8）跟机自动化。

 

 

图13  6203工作面系统集成图

液压支架电液控制系统由工作面支架监控系统、采煤机位置监测系统、平巷主机系统组成。每个支架安设了控制单元系统并联接形成了一个控制网络；可监控工作面支架、输送机和采煤机的运行情况，并实现对单个支架或者一组支架自动补液、推溜和移架。

工作面工艺自动化技术主要包括：（1）采煤机自动进刀与割煤技术；（2）工作面自动移架与推溜技术；（3）自动放煤技术，实现人工启动成组按时间控制自动放煤，必要时人工单架找补的半自动放煤，根据后部运输机负荷实现放煤口数量和组数的自动控制。

利用支架电液控制系统和采煤机自动监控系统的控制原理和可编程功能，设计了采煤机进刀与割煤、移架与推溜和放煤的自动控制流程，实现了综放工作面工艺过程（采煤机进刀与割煤、移架与推溜、放煤）的自动化。

（a）

（b）

图14  移架推溜控制过程

大采高综放工作面运输及生产保障系统集成技术：

（1）工作面集控台首次采用防爆型ups电源，提高了系统集中控制的可靠性。

（2）工作面首次采用本安型环网交换机，保障数据通信的高速传输。

（3）首次在皮带机头设置集控台，实现工作面设备的远程控制。

（4）首次采用modbus/TCP现场总线技术，实现工作面各种设备与系统集成主机的通讯。

（5）首次采用标准的opc接口技术，将系统集成主机与电液控主机数据快速提供给第三方，实现在地面的集中监控。

（6）自动化工作面供电监控系统首次采用树型结构及多线结构，监控分站与高、低压开关间采用点对点通讯方式，可同时获取各开关数据。满足自动化工作面供电系统快速反映要求，在遥测的基础上，首次引入了遥控、遥调功能。

清水保障系统：取自奥灰水，全封闭供水系统，加超高精度净水器和高精度过滤器，内外喷型钢铁管，水泵调节供水，水质精度可达10μm。

系统集成子系统：工作面控制器TK200；皮带控制器TK200；三机监测系统；采煤机系统；泵站控制系统；负荷中心；顶板离层监测系统。

运输与生产保障系统的自动监测与控制系统整体工作状态较好。刮板输送机、转载机、破碎机、皮带、泵站、负荷中心以及顶板离层的监测、报警与控制功能保证了工作面外围系统的安全生产，为优化生产工艺，提高工作面效率创造了条件。

  

 

图15  工作面控制器TK200

  

图16  皮带控制器TK200                 图17  三机监测系统

  

图18  采煤机系统                 图19  泵站控制系统

  

图20  负荷中心

   

图21  顶板离层监测系统

6203大采高自动化综放工作面整个循环过程设备动作配合严密、运动关系协调，工序完成流畅，尤其是自动化移架与推溜技术和放煤的半自动化控制技术使工作效率分别提高了29.6%和57.9%。支架自动补液技术使平均初撑力提高了27.5%，支架初撑力得到了保障。

五、大采高自动化综放工作面安全关键技术

大采高放顶煤开采条件下，由于开采强度和工作面产量的增大，进行瓦斯的有效防治是确保工作面安全顺利生产的重要保障。6203大采高综放工作面采用E+J型通风系统 ，即运输顺槽进风、回风顺槽和采空区沿空留专用排瓦斯尾巷回风 。该通风系统主要关键技术有：综放沿空小断面留巷技术，高瓦斯涌出工作面通风方法分源治理瓦斯技术。

形成了以综放沿空小断面留巷技术和工作面分源治理瓦斯技术为特征的大采高综放开采J型通风系统治理瓦斯涌出的关键技术，6203综放工作面正常生产期间各测点瓦斯浓度值平稳正常。

图22  6203工作面瓦斯尾巷支护示意图 图23 工作面正常生产与高产期间瓦斯涌出量曲线

6203综放工作面风巷与6205工作面为留5m窄煤柱掘巷，且在6203工作面顶煤中距风巷15m平行掘有一条排瓦斯巷。未掘成前加固：喷浆参数：喷浆水泥河沙比为1：2，喷层厚度100~150mm。喷浆为6205风巷外帮煤墙。

注浆参数：6205风巷外帮破碎圈为0.8m，松动圈为1.2m。掘成后的加固：有效地控制了6203风巷的变形。

   

图24  6205风巷注浆孔平、剖面图        图25  6203风巷注浆孔平、剖面图

工作面采用负压二次降尘技术等综合防尘技术，运输系统采用封闭除尘、净化风流、冲洗巷道相结合的综合防尘技术，回风巷净化水幕采用粉尘传感器及红外控制自动喷雾装置。工作面最大粉尘浓度118mg/m³（落煤），平均浓度36.4mg/m³，降尘效果理想。

图26  负压二次除尘装置在采煤机上的安装示意图

图27  负压二次除尘装置井下应用效果

采用了地面三维地震勘探、无线电波坑道透视等地质保障技术，形成了大采高自动化综放开采的安全关键技术体系。

研制了大变形回风巷超前支护系统，支移机构由吊挂机构、自悬式轨道、行走机构和平衡机构组成；其特点为：单框架结构型式；能适应动压巷道变形量要求；避免了对顶板的反复支撑；可根据巷道断层尺寸进行顶梁调节；有护帮机构；通过吊挂环形工字钢梁实现支架的支、回、运等动作。

        

图28 支架总装图            图29  回风巷循环支移支架移架立体图

 

图30  回风巷超前维护循环支移系统井下应用效果

（2.3） 实施效果

6203大采高自动化综放工作面试验期间，对大采高综放工作面自动化生产系统可靠性、采高、采煤机割煤速度与开机率、支架移架工序、大采高综放支架位态及不同放煤工艺参数下的放煤效果等进行了大量跟班实测。生产班内采煤机的开机率平均为65.24％。

经过三个月的工业性试验证明，该项目总体设计适应工作面地质条件和生产环境，实现达到了自动化生产工艺，新型ZF7000型支架适应并提高了综放工作面的压力支护要求，设备装备配套体现了设计选型先进，匹配合理、几何关系协调、生产能力稳定、自动化程度高。顶煤的破碎块度平均为20～30cm，直接顶的破碎块度平均为30～40cm，破碎煤矸的流动性好，工作面回收率平均达91.6％，最高达92.1％。在工业性高产试验期间，最高日产达到33186t，平均日产26068t，最高月产达到633168t；最高工效达到502t/工，平均工效394t/工。实践证明该大采高自动化工作面是我国目前设备配套最为先进、自动化程度最高的放顶煤工作面。

表4  6203大采高自动化综放工作面主要技术经济指标（6~8月份）

月 份		产 量 （万t）	进 尺 （m）	生 产 天 数	日 产（t）		回采工效（t/工）
					平 均	最 高	平 均	最 高
2007.6		305072	159.5	25	12202.88	18032.3	184	273
2007.7		434655	227	26	16717.5	19769.1	253	299
2007.8	上旬	175322	91.5	10	17532.2	31950.9	265	484
	中旬	260688	136.5	10	26068.8	33186.3	394	502
	下旬	197158	103	9	21906.44	29563.8	331	447
	小计	633168	331	29	21833.38	33186.3	330	502
平均		456731.66	717.5	80	—	—	—	—

同时，对煤层硬度较大、矿山压力较小的综放面，增加机采高度，采放比增大，矿山压力显现加剧，有利于顶煤地破碎和顺利放出，从而提高顶煤的放出率；且煤机割煤采出率整体大于顶煤放出率，加大机采高度与顶煤放出率提高共同提高了工作面的采出率。

取得的主要技术指标如下：（1）工作面支架移架速度达11.5S/架，通过50000次寿命试验，生产原煤1000万t不大修；（2）侧向自移式端头液压支架适应巷道和工作面宽度变化，前推后拉与转载机同步前进，实现不停机作业；（3）大采高综放面累计采出率达91.6％，最高达92.1％；（4）生产班内采煤机的开机率平均为65.24％；（5）自动化移架与推溜技术和放煤的半自动化控制技术使工作效率分别提高了29.6%和57.9%；（6）支架自动补液技术使平均初撑力提高了27.5%，支架初撑力得到了保障；（7）工作面的工人数量降至16人；（8）形成了以综放沿空小断面留巷技术和工作面分源治理瓦斯技术为特征的大采高综放开采J型通风系统治理瓦斯涌出的关键技术；（9）工作面最大粉尘浓度118mg/m³（落煤），平均浓度36.4mg/m³。

作用意义如下：（1）“大采高自动化综放工作面安全高效配套技术研究”项目的试验成功，形成了一套技术含量高、设备配套性能好、自动化程度高的综采成套设备与技术，建立了在厚煤层实现安全高效的工艺与保障技术体系，使我国厚煤层条件下安全高效综放技术跃上了新的台阶。（2）在6203综放工作面工业性试验期间，由于各项技术的应用，工作面产量、安全可靠性、回采工效、资源采出率等各项指标均有了明显的提高，特别是自动放煤技术的应用，大采高综放工作面采出率获得了较大提高；另随着工作面自动化集控程度的提高，工作面支架前移、放煤、顶溜（拉后溜）等工序均实现了自动化，工作面的工人数量明显减少；自主研发的侧向自移式端头液压支架的应用，改变了原机头空档采用单体柱架铰结顶梁的支护方式，减少了单体支柱的投入；大大降低了生产成本，进一步提高了生产效率。（3）该套设备推广应用之后，将进一步拓宽综采放顶煤技术的应用范围，提高综采放顶煤技术水平，促进综放开采技术的进一步发展。

发现、发明及创新点：（1）根据潞安矿区地质条件，自主研发制造了大采高四柱支撑掩护式综放液压支架和新型侧向自移式端头支架，并与国内先进设备相配套，形成了具有自主知识产权的高可靠性、大功率、大采高成套综放设备。

（2）首次将电液控制技术应用于大采高四柱支撑掩护式综放设备；首次采用本安型工业以太网技术，通过Modbus/TCP总线、标准的OPC接口，实现了系统控制台对工作面设备的集中控制，实现了综放工艺自动化。实现了主运输、供电设备的地面集中控制，无人值守。

（3）采用大采高综放支架增大工作面有效通风断面，解决了工作面因产量提高而带来的瓦斯涌出量增大和上隅角瓦斯超限问题。研究应用了小煤柱锚网巷道注浆加固支护技术。首次采用采煤机二次负压电控架间喷雾降尘技术，有效地降低了工作面的粉尘浓度。

（4）根据煤矸流场特征，试验研究了声音频谱煤矸识别技术，为下一步实现智能化放煤提供了强有力的技术支持。

（5）研究了大采高综放工作面的矿压显现规律和煤岩稳定性控制技术，形成了通过改变综放开采采放比来调节矿山压力的思想和方法，为综放开采端面围岩稳定性和顶煤冒放性控制提供了依据。

应用情况：本项目实施以来，6203大采高自动化综放工作面最高日产33186吨，平均日产26068吨，最高月产633168吨；年生产能力达到800万吨水平。队组在册人数由120人减少到96人，主运输、供电实施地面集中控制，无人值守。工作面效率最高达502吨/工，平均394吨/工，工作面回收率达92.1%。工业性试验证明，设备配套合理，主要技术参数选择适当、各单机性能良好、系统运行可靠；自动化工艺之间协调一致，能够实现集中控制与在线检测。各部件操作正常，设备运行良好，支架自移步距正常，移架时间达到试验要求，放煤程序适应现场需要。实践证明该大采高自动化工作面是我国目前设备配套最为先进、自动化程度最高的放顶煤工作面。

大采高综放开采技术因其显著的技术优势而适用于高瓦斯坚硬难冒厚及特厚煤层，拓宽了综放开采技术的适用范围；同时，通过调节采放比来调节矿山压力的思想对综放开采具有重要的理论价值和现实意义。

本项目首次形成了小煤柱大采高综放工作面的支护设备配套体系，自主研发了侧向自移式支架，在人员组织、劳动强度、支护效果上均不能与自动化工作面相适应，在端头管理上取消了单体架设十字梁的管理方式，达到了安全高效率方便快捷的效果；该支护设备体系可以在综放工作面条件下应用。大采高综放工作面矿压规律、煤岩运移规律、支架围岩关系及支架稳定性、煤矸流场特征及工艺参数优化等矿压与工艺的理论和技术成果可以在所有的大采高综放工作面应用。大采高综放工作面自动化控制技术可以在所有综放工作面推广应用。总之，大采高自动化综放工作面安全高效综合配套技术研究形成的理论与技术体系具有广阔的推广应用前景。

经济效益：（1）产量提高增加的收入：工业性试验期间实现产量137.2895万t，平均月产量45.68万t，王庄煤矿类似煤层条件下工作面常规开采平均月产量37.26万t，按同期原煤销售平均价格372.08元/t计算，增加销售收入：（45.68－37.26）×3×372.08=9398.7408万元

（2）产量提高增加的成本：2007年6、7、8月份，王庄矿平均原煤成本为164.6元/t，王庄矿类似煤层条件下工作面常规开采平均原煤成本为170.99元/t，由于产量提高实际增加成本费用总额为：137.2895×164.6－111.78×170.99＝3484.5895万元

（3）产量提高增加的净利润为：9398.7408-3484.5895=5914.1513万元

由于该项目的实施，2007年3个月可增加税前利润5914.1513万元，平均月增加税前利润1971.379万元，预计年增加23656.548万元。按33%计算所得税7806.66万元，年净利润为15849.888万元。

社会效益：（1）进一步提高了我国对厚煤层开采的整体装备水平和工作面单产能力，为矿井提高综合生产能力、高度集约化生产奠定了基础。

（2）自动化程度显著提高，设备安全可靠性增强，大大降低了工人的劳动强度，改善了劳动环境，设备故障率明显降低。

（3）综放面安全高效是王庄煤矿实施“三步走”战略，保证矿井持续、稳定、健康发展的需要。

    （4）项目的实施为进一步减人提效、合理集中生产，大幅度减少生产、运输、通风、排水、供电等环节设备的占用，降低运行费用，创造了必须的前提条件。

    （5）本项目的成功实施是安全、生产和效益互动的客观需要，通过科学组织，加强管理，集约高效生产呈现出强劲发展态势，在生产指标连续攀升的同时，各类事故均降至了建矿历史最低点，继续保持了百万吨死亡率为“零”的纪录。与此相应的是由于增产增销和安全形势良好所带来的销售收入、利润和职工收入的大幅度提高。

（6）该项研究在王庄煤矿生产实践过程中取得了显著的技术经济效果，产生直接经济效益亿元，为王庄煤矿进一步提高矿井综合生产能力和高度集约化生产打下良好基础。该项技术成果的总体思路、基本框架以及具体技术措施和控制参数都能向同类矿区推广应用，具有广阔的推广应用前景

获奖情况：：2007年12月获长治市人民政府“长治市科技进步奖”一等奖；

           2008年10月获中国煤炭工业协会、中国煤炭学会“中国煤炭工业科学技术奖”一等奖。

专利情况：大采高自动化综放工作面安全高效综合配套设备项目成功获得国家专利号：中国200720138454.0

 

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