0.   引　　言

自2014年我国国产综采装备在陕煤黄陵矿实现了智能化生产模式以来，我国煤矿智能化综采技术快速发展^[1]。王国法，张良、李首滨，王虹等^[2-5]对国内外综采工作面智能化开采技术应用现状、综采工作面智能开采系统的主干模型以及采煤机位置监测、工作面自动取直及水平控制、煤岩界面识别、溜坡控制等关键技术进行了研究与总结，为我国综采智能化技术及装备的快速发展起到了重要的推动作用。范京道^[6]在黄陵一号井自动化综采工作面的实践基础上，系统总结了智能化综采技术的生产工艺、装备、控制系统以及综合保障系统。王国法等^[7-9]对智能化综采技术创新实践进行了系统总结，并建立了智能化采煤工作面的分类、分级评价指标体系，为国家管理部门对智能化综采面的验收和评级起到了重要指导作用。于斌等^[10]结合大同矿区的特厚煤层放顶煤开采，研究了智能化综采放顶煤的开采理论、技术与装备，创建了年产1500万t智能化综放开采示范工程。葛世荣等^[11]总结了“十一五”后我国自动化、智能化采煤技术，提出了精准定位、煤岩识别、智能支护、自主纠偏等复杂条件下的智能化采煤关键技术。

2020年2月，国家发展改革委、能源局等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，标志我国政府层面全面支持煤炭行业的智能化产业升级，煤炭的采、掘、洗、选过程以及各个生产系统的智能化技术快速升级发展。2022年我国智能化示范煤矿、智能化升级改造煤矿达到134处，智能化综采技术已在各主要产煤地区广泛推广应用^[12]。在一些薄煤层^[13-14]、大倾角^[15]、短壁工作面^[16]等复杂条件下，智能化采煤技术也开始推广应用。数字孪生^[17]、透明地质^[18]、数据驱动^[19]、巨系统^[20]等最新的技术也在综采工作面的智能化开采中开始工业性试验。

无论是人工控制还是智能化控制，综采工作面的装备都需要完成采煤、装煤、运煤、支护顶板、采空区处理这5个工序^[21]。综合机械化采煤工艺时，采煤机司机控制采煤机割煤、装煤，刮板输送机运煤，支架工控制跟机移架和推移刮板输送机。由于机械设备主要是人工控制，在作业规程中确定进刀、移架方式，工作班组就可以根据循环作业图表完成每班工作。一些具体的工艺细节如斜切进刀距离、移架滞后距离、推移架次、工作面端部浮煤清理等，操作工人根据现场实际情况在一定范围内可以灵活调节。对于程序控制的智能化综采面，则需要设计更详细的生产工艺流程，具体程序要精确到每一支架架号，尤其是斜切进刀工艺，更是要求程序要精确控制煤机方向、滚筒位置、斜切进刀距离以及清理浮煤流程等。

目前，对于顶板条件好、赋存稳定、倾角较小的煤层，在人工控制模式的基础上，设计了智能化的生产工艺，在应用过程中取得了较好的效果^{[6, 22]}。但是在一些复杂地质条件下，要提高综采工作面的智能化水平，减少人工干预，除了装备本身的适应性外，还需要研究适合智能化技术的综采生产工艺流程。

1.   近水平稳定赋存煤层的综采面自动化生产工艺

对于近水平且赋存稳定、构造较少的煤层，开采条件好，需要综采面生产工艺尽量自动化、智能化，最大程度降低人工干预，使综采装备能够自动稳定地持续运行。笔者以采高2.5～5 m、采煤机机身长度15 m左右、支架中心距1.5 m、滚筒截深0.865 m的综采面装备为例介绍此条件下的自动化生产工艺。

1.1   回采工作的工序和方法

综采面采用机头、机尾双向自动化记忆割煤工艺，在工作面往返1次进2刀。采用端部斜切进刀方式，1次进刀距离约为50 m（一般为采煤机机身长度的3倍）。双滚筒采煤机前滚筒沿顶板割煤，后滚筒沿底板割煤，行走1趟就可完成1刀割煤任务。

工作面主要工艺流程为：割煤→装煤→移架支护→推移刮板输送机。

采用单架顺序移架的方式，支架随采煤机移动割煤而依次前移，移动步距等于采煤机截深，追机及时移架支护。

采煤机割落的煤炭在滚筒及挡煤板配合下向外抛出，装入可弯曲刮板输送机。采空区采用完全垮落法，顶板在移架后跟架冒落。

1.2   采煤机自动化截割工序

针对上述回采工作工序，设计了采煤机自动化截割流程，采煤机从机尾向机头正常割煤开始，共14道工序，如图1所示。

图  1  采煤机自动化截割流程

Figure  1.  Shearer automatic cutting process

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1）采煤机由机尾向机头割煤，左滚筒在上割顶煤，右滚筒在下割底煤，直至割透煤壁。提前1个支架距离收护帮板，滞后采煤机后滚筒 （右滚筒）1～2架支架距离伸护帮，支架在采煤机当前架后面第8架开始移架，滞后采煤机后滚筒20 m （12台架）推移刮板输送机。

2）采煤机向机尾方向运行，左滚筒在下，右滚筒中位位置，割机身位底煤，运行距离略大于1个采煤机长度。

3）采煤机向机头方向运行，左滚筒在下，右滚筒在中位，清理浮煤，运行距离5 m （3台架）。

4）采煤机向机尾方向运行，左滚筒在下，右滚筒在上，斜切进刀，进刀距离53 m （35台架）。整个采煤机 （包括后滚筒） 完全进入直线段，完成斜切进刀。

5）采煤机向机头运行割三角煤。此时左滚筒在上，右滚筒在下，至割透煤壁。

6）采煤机向机尾方向运行，左滚筒在下，割机身位置底煤，右滚筒位于中间位置，运行距离略大于1个采煤机长度。

7）采煤机向机头方向运行，左滚筒在下，右滚筒在中位，清理浮煤，运行距离5 m。

由此完成全部端头进刀工序，第8道工序开始向机尾方向 （即与第1道工序方向相反） 开始正常割煤。

第8道工序 与第1道工序相同，方向相反，采煤机由机头向机尾割煤，右滚筒在上割顶煤，左滚筒在下割底煤，直至割透煤壁。提前1个支架距离收护帮板，滞后采煤机后滚筒 （左滚筒） 1～2架支架距离伸护帮，支架在距采煤机机身中心位置后面第8架开始移架，滞后采煤机后滚筒20 m （12台架）推移刮板输送机。

第9~14道工序，同2~7道工序，方向相反。

1.3   液压支架自动跟机工艺

1.3.1   正常割煤的自动跟机流程

采煤机开始割煤动作后，完成落煤、装煤任务，支架要跟随采煤机做相应的动作以保证支撑顶板和煤壁，并推移刮板输送机向下一刀要割的煤壁移动。图2为采煤机在工作面中部正常割煤段支架自动化跟机作业流程。采煤机在运行过程中通过红外等技术定位与支架的位置关系，从而确定当前采煤机位置的支架号。煤机前方第5架执行收伸缩梁和护帮板动作。距煤机前、后方各3架距离的支架开启喷雾动作，开启架数均为2架。煤机正对的当前支架执行伸出伸缩梁动作，以护住煤机上滚筒割煤后新暴露的顶板。滞后煤机的第5个支架执行伸护帮板动作，以护住前后滚筒割煤后新暴露的煤壁。煤机后方的第8个支架执行移架动作（如顶板条件不好，可将移架位置提前至采煤机当前架开始移架）。从煤机后方的第12个支架算起，共10个支架执行推移动作，这10个支架范围对应的刮板为蛇形弯曲状。

图  2  采煤机正常割煤段支架自动化跟机作业流程

Figure  2.  Automatic process of supports following with shearer in normal cutting section in Longwall working face

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在距工作面两端约30 m处，各有1台支架为端头斜切进刀的标识架，如图2中的第21架，当采煤机位置到达此架号时，自动跟机的程序由正常割煤段程序进入斜切进刀程序。

1.3.2   工作面端头跟机动作流程

将采煤机从机尾向机头割煤运行当作第1工序，采煤机经过斜切进刀标识架后进行入第2工序，具体流程如图3所示。

图  3  支架自动跟机流程

Figure  3.  Process of supports automatic action with following shearer

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1）采煤机从机尾向机头（从右至左）运行，即采煤机在工作面中间的正常割煤阶段。工作面中部跟机自动移架、推移，采煤机后第8架移架，第12架推移，随后的10架左右范围为正在进行推移的距离，输送机在这一段成弯曲状。

2）采煤机向左将煤壁割透，支架自动跟机到第21架后，进入端部进刀程序。跟机移架到15架，第22～30架推移成蛇形段，为采煤机进刀做准备。对应采煤机第1道工序的最后割透煤壁段。

3）采煤机向右斜切进刀，6～14号跟机移架，和其他支架对齐。采煤机从22号支架开始进入蛇形弯曲段，前滚筒开始斜切进刀缓慢切入煤壁。对应采煤机第4道工序的初始段。

4）采煤机继续向右斜切进刀，前滚筒至35架完成进刀。采煤机整体（包括后滚筒）进行入直线段。支架从22号到1号按顺序完成自动推移（1～5号架同步完成推移刮板输送机头），完成后1～5号支架开始自动顺序移架。对应采煤机第4道工序的结束段。

5）采煤机向左割三角煤，6～22号支架保持不动，1～5号支架同时完成自动顺序移架。对应采煤机第5道工序的初始段。

6）采煤机向左割透煤壁，完成割三角煤，同时清理浮煤。对应采煤机第5道工序的结束段。

7）采煤机向右割透机身煤壁后，从6号支架开始跟机自动移架。对应采煤机第6道工序。

8）采煤机向右割煤至27号支架时，触发机头1～5号架推移。对应采煤机第8道工序的开始段。

9）1～5号架完成推移后，顺序自动移架。进行入正常割煤程序，采煤机向右开始正常割煤，支架自动跟机移架，移架距离滞后于煤机8号架；从6号架自动跟机推移，推移距离滞后于煤机位置约12个支架。对应采煤机第8道工序的正常段。

2.   大倾角煤层综采面自动化生产工艺

倾斜煤层、大倾角煤层、急倾斜煤层、特厚煤层等复杂赋存条件工作面，在我国普遍存在，很多此类条件的综采面也装配了智能化的综采装备。为了充分发挥智能化装备的功效，尽量减少人工干预，需要设计适合不同条件的自动化生产工艺。

2.1   大倾角煤层端头反向进刀单向割煤工艺

为适应大倾角条件下的自动化生产工艺，采用了端部反向斜切进刀，双滚筒单向割煤工艺。为方便叙述，将大倾角工作面分为机头、中部、机尾3个部分，机尾即输送机机尾附近，在工作面上部，机头即输送机机头附近，在工作面下部。具体工艺如图4所示。

图  4  端部斜切进刀单向割煤工艺流程

Figure  4.  Unidirectional coal cutting process with end bevel feed for the Longwall working face in high inclination coal seam

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1）采煤机在机头阶段来回清扫浮煤，在清扫浮煤阶段不能越过中部起始架，清扫浮煤阶段不推移。

2）采煤机上行到中部起始架后，触发指令机头开始推移。

3）采煤机到达机尾区域，触发机尾阶段程序，中部支架仍正常推移。

4）采煤机斜切进刀（反向斜切进刀），中部及机尾支架仍正常推移。

5）采煤机割透机尾煤壁，采面所采支架推移到位。

6）采煤机向机头方向割煤，运行达到移架距离后，从机尾开始随机移架，不推移。

7）采煤机到达机尾最下边1架后，反向向机尾运行清理浮煤。

8）采煤机到达机尾最上边1架后，清理浮煤完成，重新向机头运行。当煤机到达中部架最上边1架时，机尾开始推移，推移到机尾下部结束。

9）煤机中部割煤，后方正常跟机移架，不推移。

10）采煤机继续下行割煤到达机头部分，跟机程序切换为机头阶段程序，煤机后方正常跟机移架，不推移。

11）采煤机下行割透机头煤壁，煤机后方正常跟机移架，不推移。

12）采煤机上行割透机身位置煤壁，机头未移架区域移架，不推移。到整个工作面移架结束，完成本次循环。

此工艺主要应对大倾角工作面采煤机只能下行割煤，刮板输送机易在推移时下滑等问题。采用单向从下向上的推移方式可以有效解决输送机整体向工作面下滑的现象。

2.2   中部斜切进刀割煤工艺

在工作面中部完成斜切进刀，煤机在工作面两端停留时间短，端头管理方便，可实现单向推移，适于倾斜煤层刮板输送机易下滑的条件。如图5所示。

图  5  中部斜切进刀工艺流程

Figure  5.  Process of oblique cutting and feeding in middle of Longwall working face

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1）煤机停在中部区域，且已经完成切斜进刀。工作面所有刮板全部推向工作面，除了端头架以外所有支架的推移行程全部为推出状态，此时处于最大控顶距状态。

2）采煤机向机头割煤，经过端部起始架后进行入端部跟机程序，煤机后方跟机移架，不推移。

3）采煤机割透机头煤壁，支架继续跟机移架。

4）采煤机向机尾方向运行，清理浮煤。从机头向机尾方向跟机推移。

5）采煤机越过中部终止架后，向机尾方向割煤，支架跟机移架，不推移。此时端头区域内继续推移，直至机尾斜切起始架。

6）采煤机运行至机尾割透煤壁，机尾斜切起始架至机尾区域移架，不推移。

7）采煤机从机尾向机头运行，清理浮煤，不推移。

8）采煤机到达尾斜切起始架时，斜切进刀嵌入煤壁，采煤机机身（即采煤机位置对应的支架）越过中部起始架，触发中部终止架向机尾方向的推移动作，推移范围从中部终止架一直到机尾。

9）采煤机完成中部进刀，整个工作面所有刮板已经全部推出。恢复到第1工序状态。

2.3   短壁工作面单摇臂采煤机中部斜切进刀工艺

我国西部如新疆、宁夏区域赋存有急倾斜特厚煤层，煤层倾角超过70°，煤层厚度超过50 m。这类难采煤层常用水平分段放顶煤开采，工作面长度较短，建议采用单摇臂采煤机，图6为国产MG300/355−NWD型单摇臂电牵引采煤机。摇臂布置在机身中部，采用简单可靠的齿条－油缸调高系统，可以左右两个方向摆动，即滚筒可以方便的调到左、右侧。由于采煤机机身短，滚筒可完全进入到顺槽巷道内，将刮板输送机的机头机尾进行改造后，可随机推移满刀切割，而不用斜切进刀。如果设备或端头条件不充许，则可以采用中部斜切进刀。单摇臂采煤机还适用于条带开采、煤柱或边角煤回收等长度较短的工作面。单摇臂采煤机中部斜切进刀自动化生产工序如图7所示。

图  6  国产MG300/355−NWD单摇臂采煤机

Figure  6.  MG300/355−NWD shearer

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图  7  单摇臂采煤机中部斜切进刀工艺流程

Figure  7.  Process of midsection bevel feed of single-arm shearer

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1）采煤机停在中部区域，且已经完成切斜进刀。工作面刮板全部推向煤壁，所有支架的推移行程全部处于推满状态，此时处于最大控顶距状态。滚筒偏向机头方向，割顶煤。

2）采煤机向机头方向下行割顶煤，跟机移架，不推移。

3）采煤机割透机头煤壁，跟机移架，不推移。

4）采煤机摇臂下摆。向机尾方向运行割底煤，机头完成全部支架移架。

5）采煤机经过中部终止架后，煤机摇臂转到机尾方向，割顶煤。支架跟机移架，不推移。

6）采煤机上行割透机尾煤壁，跟机移架，不推移。

7）采煤机摇臂下摆。向机头方向运行割底煤，机尾完成全部支架移架。

8）采煤机完成工作面上半部分底煤截割，继续向机头方向运行清理浮煤，此期间不移架、不推移。

9）采煤机到达机头后，调换滚筒方向，采煤机向机尾上行继续清理浮煤，跟机推移。

10）采煤机经过中部终止架后，向机尾方向继续清理浮煤。刮板推移至机尾斜切起始架后，不再进行推移。

11）采煤机滚筒调换方向，向机头运行继续清理浮煤。

12）采煤机到达机尾斜切起始架时，调换滚筒方向，斜切进刀割顶煤嵌入煤壁，越过中部起始架，触发中部终止架向机尾方向的推移动作，推移范围从中部终止架一直到机尾。

13）采煤机完成斜切进刀，采面推移全部完成。开始下一循环。

3.   现场应用

3.1   端头进刀双向自动割煤工艺

1）工程条件：陕北矿区某煤矿416工作面，切眼长度300.5 m，走向长度2332 m，煤层倾角0～2°，平均厚度5.6 m，地质构造简单，顶底板稳定。

2）装备配置：选用MG900/2210−GWD型智能采煤机，具备自主记忆割煤功能。安装175台液压支架，其中ZY10800/28/63型两柱掩护式液压支架162台，ZYT10800/28/55D端头支架6台，ZYT10800/28/55D型过渡液压支架7台。刮板输送机为SGZ1200/2565型。采用SCA型综采工作面集成控制系统。

3）应用效果：该工作面采用了端头进刀双向自动割煤工艺（即图1—图3所示的工艺流程），实现了常态化的采煤机记忆割煤为主，人工就地干预为辅，支架自动跟机动作为主，人工就地干预为辅的生产模式。平均日推进10刀，日产量超过2万t。生产班采面工人数5～6人，并且大大减轻了煤机司机、支架工的劳动强度。

3.2   端头反向进刀单向割煤工艺

1）工程条件：以国家能源集团宁夏某煤矿为例，工作面倾斜长度284.6 m，走向长度1590 m，煤层平均厚度3.85 m，煤层倾角31°。直接顶为12.83 m细粒砂岩和泥岩，底板为5.66 m粉粒砂岩、细粒砂岩。

2）装备配置：选用MG620/1660−WD型电牵引采煤机，截深865 mm，滚筒直径1800 mm。液压支架型号为ZF8600/18/35。采用郑煤机综采工作面智能集中控制系统，将采煤工序进行分解，按照工序顺序将子命令分配给各个子系统，各个子系统对智能化采煤机、液压支架、供配电设备与泵站等系统进行协调联动控制。

3）应用效果：采用自动化的端头反向进刀单向割煤工艺（即图4中的工艺流程），工作面内每刀推移均为从下向上的顺序，有效避免了刮板输送机下滑，开采效率明显提高，架间耗时降低，开机率提高40%。实现了工作面无人跟机，仅需布置2～4人巡视系统运行状况，部分人员的工作岗位上调至工作面端头及回采巷道内，减轻了工人劳动强度，提高了大倾角工作面的安全生产等级。

3.3   中部斜切进刀割煤工艺

1）工程条件：山东某矿综采面倾斜长度150 m，走向长度1050 m，煤层平均厚度4.3 m，煤层倾角10°，直接顶为粉砂岩，基本顶中砂岩，底板为中砂岩，赋存稳定，强度中等，水文地质类型中等。

2）装备配置：选用MG300/730−WD型双滚筒无链电牵引采煤机，截深630 mm，滚筒直径1800 mm；ZQL2×6400/22/45D型端头液压支架1架，ZFG4800/18/36D型过渡液压支架6架，ZF4200/17/36D型液压支架98架；ZQL2×3200/20/40D型超前支架2架，SGZ730/400型中双链可弯曲刮板输送机。选用郑煤机ZE0704型电液控系统及综采自动化控制系统。

3）应用效果：实现了工作面设备的一键启停，采煤机记忆截割，支架自动跟机动作。采用中部斜切进刀，支架跟机自动动作，往返1次割1刀的自动化生产工艺（即图5中的工艺流程）。采用从下向上推移刮板的工序，有效避免了输送机下滑。避免了采煤机在端头的多次往返进刀过程，降低端头顶板管理难度，提高了端头空间的利用效率。工作面生产班仅用4人巡检，实现了减人提效，同时大大减轻了工人劳动强度。

3.4   单摇臂采煤机中部斜切进刀割煤工艺

1）工程条件：新疆某煤矿主采煤层厚度为49 m，倾角87～89°，顶底板均为砂岩。采用水平分段放顶煤开采，沿煤层厚度方向布置短壁工作面，分段高度22～34 m，工作面长度42.5 m，推进长度1380 m。

2）装备配置：MG300/355−NWD型短壁式单摇臂电牵引采煤机，截深0.8 m，采高2.6～3.9 m。安装21台ZF6500/20/40型放顶煤液压支架，2台ZFG6800/20/40型过渡支架，2台ZFT18000/23/38端头支架。选用SGZ−730/110中双链刮板输送机。采用ZCS综采智能集成管控系统以及ZES电液控制系统。

3）应用效果：采用单摇臂采煤机中部斜切进刀割煤工艺，支架自动跟机，实现了短壁工作面的自动化生产。工作面达到了减人提效，放顶煤工作面生产班采面仅4～5人，在保证3班正常生产的情况下，使1个班工人轮休，工人劳动强度大大减轻。

4.   结　　论

1）针对煤层赋存条件好，生产能力大的综采面，提出了14道割煤工序和9步骤跟机移架、推移工序，解决了采煤机在工作面两端头自主进刀难题。实现了双向自主割煤，往返1次割2刀。生产能力大，现场应用效果好，已成为国内主流的综采自动化采煤工艺。

2）针对大倾角煤层，设计了端部反向斜切进刀，双滚筒单向割煤工艺，提出了12步自动化生产工序，采用单向从下向上的推移方式，有效解决了输送机在工作面下滑的现象，提升了智能装备的应用效果和采面的安全生产水平。

3）针对倾斜煤层，设计了工作面中部斜切进刀，双滚筒双向割煤，往返1次割1刀的工艺。提出了9步工序的自动化生产工艺流程，采煤机在工作面两端头停留时间短，端头管理方便，单向上行推移，避免了刮板输送机下滑。

4）针对短壁工作面的单摇臂采煤机，设计了中部斜切进刀，单滚筒双向割煤，往返1次割1刀的工艺。提出了13步骤的自动化生产工序，适用于工作面长度较短的情况，如急倾斜煤层水平分段放顶煤开采、条带工作面、煤柱或边角煤回收的工作面等。