0.   引　　言

国能神东煤炭集团有限责任公司（以下简称“神东公司”）前身是国务院批准成立的神华集团下属全资子公司——神东煤炭公司，公司于2009年5月整合神东矿区其他3个煤炭公司成立了神华神东煤炭集团有限责任公司。2017年经国务院批准，神华集团与中国国电集团合并重组为国家能源集团，神华神东煤炭集团有限责任公司从此成为国家能源集团的骨干煤炭生产企业。神东公司地处蒙、陕、晋三省能源富集区，主要负责国家能源集团在神府东胜煤田骨干矿井、山西保德矿及配套项目的生产运营。

神东公司共有17个机关部门、57个二级单位。生产矿井13个，分布在内蒙古自治区内7个、陕西省内5个、山西省内1个；生产能力为3 000万t以上的矿井1个、2 000万～3 000万t的矿井2个、1 000万～2 000万t的矿井5个、1 000万t以下的矿井5个，煤炭年供应总量达2亿t，约占全国总产量的5.2%，位居我国十四大煤炭能源基地之首，是全国首个拥有千万吨矿井群的煤炭生产基地。

作为煤炭行业的龙头企业，神东公司以煤矿信息化、自动化为主体，以数据为纽带，促进产、学、研深度融合，形成了数据驱动型创新体系和发展模式。在采掘技术创新与实践、高端装备研发及应用与智能化矿井创新建设等方面位居世界领先水平。在采掘技术和高端装备制造方面，探索出适应厚及特厚煤层、薄煤层及无煤柱开采的新设备、新工艺；研发了世界首套全断面高效快速智能掘进系统；研发了适应8～9 m煤层特大采高综采关键技术和成套装备，实现了8.8 m综采成套装备的国产化，刷新了综采一次采全高采高的世界纪录。在智能化矿井建设方面，研发了亿吨矿区数字化集中管控技术，首次将国产“矿鸿操作系统”应用到煤炭领域，打造了国内首个煤炭工业互联网生态体系。在煤矿安全管理方面，创新性地建设实施安全风险预控管理体系，使煤炭生产更加安全高效。在生态环境建设方面，创建了神东先行示范区，构建了“五采五治”“三期三圈”的生态发展新模式。

笔者系统地论述了神东公司取得的重大科技成果，总结了在煤炭采掘技术、高端装备、智能化矿井与生态环境建设等方面取得的新进展，明确了神东公司的创新驱动发展方向，以期为其他煤炭企业的科技发展与技术创新提供借鉴。

1.   神东公司产业分布与企业特色

1.1   产业分布

神东公司主营煤炭生产及分选加工，下属煤矿主要分布在陕西榆林市、内蒙古鄂尔多斯市和山西忻州市内。陕西省内有大柳塔矿、哈拉沟矿、石圪台矿、榆家梁矿和锦界矿，内蒙古自治区内有上湾矿、补连塔矿、乌兰木伦矿、柳塔矿、寸草塔矿、寸草塔二矿及布尔台矿，山西省内有保德矿。

煤炭产品主要是块煤、特低灰煤、清洁煤和混煤四大类，其特征是“三低一高”，即：低硫、低磷、低灰与中高发热量，是优质动力、化工和冶金用煤，被誉为“城市环保的救星”。

神东公司各矿井采掘机械化率100%，资源采出率80%以上，全员工效最高150 t/工，直接工效最高1 170 t/工，主要指标国内第一、世界领先，市场占有率、经济效益、品牌知名度位居煤炭行业前列。

1.2   企业特色

神东公司的发展经历3个重要节点，① 从1998年起，公司煤炭产量平均每年以千万吨速度递增；② 2005年建成全国第一个亿吨级矿区；③ 2011年建成全国第一个2亿t煤炭生产基地。

神东公司在以下6个方面具有鲜明特色：

1）矿区井田面积大，煤炭地质储量高。神东自然条件得天独厚，浅埋深、近水平、厚煤层、地质构造简单，比较适合现代化矿井安全高效建设。神东矿区位于鄂尔多斯大型聚煤盆地的东北部，井田面积1 027.82 km²，保有地质储量123.43亿t，可采储量77.17亿t，截至2022年7月底累计产量34.78亿t。

2）科技创新体制健全，煤炭开采技术先进。神东公司建立了科技管理、项目管理、人才培养、绩效考核、成果转化与知识产权等科技体制。不断集成国内外先进技术，相继在矿井设计、开拓布置、开采工艺、采掘装备、搬家倒面、快速掘进、引进设备国产化制造等方面实现了重大技术突破，实现安全高效发展。

3）采掘机械化程度高，智能化建设能力强。作为国有重点企业管理标杆和国家首批智能化示范建设单位，神东公司将煤矿智能化建设作为提升煤矿本质安全水平的重要抓手，以“机械化换人、自动化减人、智能化少人”为原则，以全方位智能化建设为理念，先后在采掘工作面智能化、选煤厂智能化、亿吨矿区数字化集中管控系统、井下智能机器人研发与应用、矿鸿操作系统研发及应用等多个方面进行了创新性建设，全力实施智能矿山、智能工作面建设与井下机器人应用，推广智能生产作业排程、资源动态匹配、智能生产控制与智能安全监控等系统，提升企业生产智能化水平。

4）专业化分工细致，服务优势逐步凸显。神东公司以煤炭生产为中心，将矿井综采工作面回撤安装、生活后勤等20多项业务分离，组建了一支技能复合型的专业化管理服务队伍。在煤炭开采、开拓准备、搬家倒面、煤炭分选加工、地测、设备维修与后勤等方面开展专业化服务，达到人力、财力、技术、设备和管理等资源的优化共享，专业化管理服务体系日益成熟^[1]。

5）市场化运营机制完善，成本控制能力突出。神东公司在专业化管理模式基础上，构建了覆盖全公司核心业务的内部市场化管理体系。推行“五级四层”的全面定额量化体系，覆盖矿井生产、设备维修、设备制造、搬家倒面、开拓准备与后勤服务各方面，形成了较为科学、合理与完整的内部价格机制，按照市场规则逐级核算，形成了神东公司内部市场良性循环的发展模式。

6）低碳环保多角度展开，绿色生态矿区逐步实现。神东公司把建设世界领先的清洁煤炭生产商定为企业发展重要战略目标。多年来利用矿区生态修复技术、节能降耗、清洁用热、光伏发电、矿井水利用和煤矸石无害化处理等手段，构建了资源高效利用、节能减排的绿色矿山体系，形成了“五采五治、三期三圈”的生态防治模式。一个“绿水、青山、低碳、蓝天、和谐与共生”的新神东正在逐步创建。

2.   神东公司科技创新体系建设

2.1   科技创新驱动体系建设

神东公司历来高度重视科技创新工作，经过多年的探索，逐渐形成了以科技攻关与工程需求为导向，以科技创新与协同创新为平台，以科技管理与科技决策为指导，以科技服务与人才培养为目标的科技创新驱动体系（图1）。

图  1  神东公司科技创新驱动体系

Figure  1.  Scientific and technological innovation driving system of Shendong Company

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科技创新驱动体系以人才队伍为轴心，通过煤矿需求启动，配合技术服务拉动，形成了一个不断加速与螺旋上升的科技创新通道，实现了神东公司科技创新驱动体系的良性循环。

1）科技管理体系构建。形成了由公司和基层矿（处）构成的两级管理体系架构（图2），公司设立了科学技术委员会，作为公司科技管理的最高决策机构，下设专家委员会、专业委员会和办公室。基层矿（处）设立了科技创新领导小组，作为基层单位的科技创新管理机构，负责本单位的科技创新和技术交流活动。

图  2  神东公司科技创新组织架构

Figure  2.  Organizational structure of scientific and technological innovation of Shendong Company

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神东公司不断完善科技创新体系，配套制定一系列制度和办法确保体系有效运行，强化了科研项目流程管理，推行了“揭榜挂帅”制度^[2]；完善了企业标准工作体系，建立健全标准化常态机制；规范了科技支出与研发费用的统计口径，加大了科技奖励力度，从制度上保证了科技创新活动的有效实施。

2）科技创新平台建设。神东公司全面优化科技创新平台布局，建成了以“煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室”为主体的煤炭绿色开采研发平台，完善了“内蒙古自治区煤炭集约化开采工程技术研究中心”和“内蒙古自治区企业研究开发中心”2个省级技术创新平台、“煤炭行业采煤装备再制造工程研究中心”1个行业级技术创新平台以及榆林市2个市级技术创新平台，形成了以国家级科研平台为主体，省级、行业级和市级科研平台为支撑的创新平台合理布局。

神东公司申请建设了矿鸿工业互联创新国家矿山安全监察局重点实验室，引领煤炭行业高质量发展和数字化转型；建立了“彭苏萍院士团队神东研究基地”，为建设智能绿色低碳矿区搭建创新驱动高能级载体；建成了“国家能源集团矿井通风安全与职业健康防护研究中心”，为提升职业健康安全管理体系水平提供了实践平台；建立了神东公司矿压研究重点实验室，专门研究神东矿井特殊地质条件下的矿压规律及其防控预案，助力安全生产迈上新台阶。

此外还有各级人才培养平台（图2），包括博士后工作站、专业技术人才和职业技能人才培养平台以及国家级、省级与公司级等创新工作室（37个）（图3）。

图  3  神东公司科技创新工作室统计

Figure  3.  Statistics of science and technology innovation studio of Shendong Company

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3）协同创新发展。神东公司将自主创新与联合创新相结合，助推企业高质量发展。紧抓煤矿智能化和机器人应用的发展方向，大力推动智能矿山建设，成为由中国煤炭学会、中国煤炭科工集团联合发起的煤矿智能化创新联盟的首批理事单位；与30余家合作单位建立了“西北三院”产学研用技术联盟，协同解决安全生产技术难题；与45家单位开展了高端装备合作研发，大力推进高端装备的国产化研制；积极推进国家级煤质化验中心和安全检测中心建设。多年来以神东公司为主体、联合行业内外科研机构、高等院校与高技术企业，建立了产学研用协同创新平台（图2），形成了联合开发、优势互补、成果共享与风险共担的协同创新机制。

4）人才队伍建设。截至2022年10月底，神东公司现有正式员工3.26万余人，平均年龄39.8岁，硕士、本科、专科学历员工人数不断增加，大专以上学历员工占员工总数的57%：取得专业技术职称的人员9 846人，占员工总数的30%：取得职业技能等级证书的员工7685人，占员工总数的24%（图4）。其中5人享受国务院特殊津贴，8人被评为全国技术能手，18人荣获内蒙古草原英才荣誉称号。

图  4  神东公司科技人员构成分布

Figure  4.  Composition and distribution of scientific and technological personnel of Shendong Company

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神东公司建立了与管理岗位并行的专业技术和技能操作人才职业发展通道，明确了各级专业技术和技能操作人才的职级待遇；建立了“技能基础培训——机电技术人才培养——神东工匠培养”的三阶段金字塔型人才培养模式^[3]，并大力实施“神东工匠”培养计划，按照“青年工匠”和“神东工匠”两个等级加大了高技能人才的培养力度，涌现出一批工匠人才。

5） 知识产权战略。神东公司强化全员知识产权保护意识，提高发明人专利撰写技能，取得了一批高价值专利，培养了一大批知识产权专业人才。神东公司成立了知识产权办公室，制定下发了《神东煤炭集团知识产权管理细则》与《神东煤炭集团专利成果转化实施方案》，明确了专利价值评估方法、成果转化方式及具体操作流程，完善了专利奖励办法与成果转化收益分配原则，从制度上激励员工进行专利转化工作；设立了重大科技项目专利挖掘与布局组织机构，强化高价值专利的培育工作。

6） 标准体系建设。神东公司以企业标准化委员会为组织保障，以《神东煤炭标准化管理办法》为制度保障，建立了标准数据库与资源共享平台，强化了标准化人才队伍建设，培养了一批标准化管理人员和专家队伍，为标准化工作的高质量开展奠定了坚实的基础。

通过技术示范、标准固化、大规模推广与总结提升，有力推进了安全新设备、开采新技术、支护新材料和环保节能新工艺等一批先进技术成果的推广应用，提高了企业社会经济效益，实现了高质量发展。

2.2   科技创新体系运行成果

神东公司一直传承“艰苦奋斗、开拓务实、争创一流”的企业文化，坚持“安全、高效、创新、协调”的核心价值观，探索形成了“五高四化”神东模式^[4]。神东公司坚持科技创新驱动发展，坚定走数字经济与能源经济融合发展之路，有序推进重大关键核心技术攻关，科技创新体系运行成果显著，“双创”效益凸显。

1）科技成果不断涌现。大力推动煤炭开采方法与工艺、煤矿智能化与机器人应用等创新工作，完善清洁低碳、安全高效、绿色智能神东现代化煤炭开发技术体系。近年来，神东公司每年科技投入10亿元以上，承担国家项目5项，集团重点项目7项，其中“8.8 m超大采高智能综采工作面成套装备研发与示范”成果2020年获第六届“中国工业大奖”，“神东现代化矿区建设与生产技术”成果2003年获“国家科技进步一等奖”。多年来累计荣获8项“国家科技进步奖”，61项“中国煤炭工业协会科技进步奖”，以及12项省级科技奖。科技成果不断涌现，助力神东公司突破一批引领行业未来发展的前瞻性、颠覆性关键技术，实现更多核心技术的“神东引领”。

2）标准化成果丰硕。神东公司成为全国信标委大数据标准化工作组矿山大数据行业组组长单位，牵头推进制定矿山行业统一大数据标准。已制定和正在制定的国家、行业及团体标准34项，主导起草并发布的《矿用设备地面通电试验规程》《矿用自动控制防水闸门》等行业标准填补了国内空白。发布企业标准690余项，有效促进采煤装备通用互换和技术进步，提高了神东公司在煤炭行业标准领域的话语权与影响力^[5]。

3）专利数量井喷式增长。2021年申请专利543件，其中发明专利196件，数量同比增长58%。获得授权专利341件，数量同比提高97%。累计获得授权专利1 263项，取得全球领先技术31项、国内领先技术38项。高价值专利的培育，助推神东公司建设成为国家知识产权示范企业和优势企业。

4）职工创新创效硕果累累。近两年来，完成职工创新创效成果4 091项，创造经济效益超过5亿元。《采煤机整体式链轮开发与应用》等94项成果荣获煤炭工业协会煤炭企业优秀“五小”创新成果奖，《泵站电控主站智能化升级》等420余项成果获神东公司优秀成果奖。通过积极培育众创文化和创新生态，有效激发了全员创新潜力，着力营造了全员创新氛围。

3.   神东公司采掘技术创新与实践

神东公司位于神府煤田和鄂尔多斯大型聚煤盆地，浅埋深、薄基岩、厚风积沙层是其主采煤层特有的赋存条件。30多年来，为提高采掘工效，神东公司在采掘技术方面不断突破，采煤技术除在一次采全高采高上不断提高外，在放顶煤、薄煤层等高开采、短壁机械化与无煤柱开采等方面也进行了技术创新；掘进方面积极推进快速掘进和全断面盾构等技术的创新及应用。目前神东公司已经形成了采掘工艺齐全、技术装备先进和保障体系可靠的自动化高效采掘体系，引领了全国煤炭行业的技术创新与科技进步，创造了国际、国内多项纪录。

3.1   厚及特厚煤层一次采全高综采技术与实践

神东公司开采规划区内主要可采煤层包括12煤、22煤、31煤、42煤和52煤，大部分煤层厚度一般为4～6 m，厚煤层主要分布在大柳塔矿、上湾矿、补连塔矿和哈拉沟矿等几个中心矿井，厚度6 m以上的煤层地质储量为15.49亿t^[6]，其中厚度6～7 m的储量占比为78.1%；厚度7.0～7.3 m的储量占比为8.1%；厚度7.3～8.0 m的储量占比为3.8%。厚及特厚煤层开采方法的合理选择对神东公司安全高效开采意义重大。

国内外对厚及特厚煤层的开采方法一般有综采放顶煤、人工假顶分层开采和大采高一次采全高综采3种。对于补连塔矿22煤、大柳塔矿52煤和上湾矿12煤，受煤层埋藏浅、硬度大与节理裂隙发育度不高的影响，综采放顶煤开采适应性差；若采用人工假顶分层开采，则使工作量变大、用人增多，生产工艺与生产管理复杂，万吨掘进率也大幅升高，不符合神东公司高产高效矿井要求^[7]，因此，对于厚及特厚煤层尽可能采用大采高一次采全高综采的开采方法是神东公司的最佳选择。

为提高厚煤层回采工效及采出率，神东公司于2007、2009和2018年分别进行了国内外首次6.3、7.0、8.8 m大采高综采技术实践，创造了单工作面最高日产6.55万t、最高月产150万t的纪录，为我国7～9 m特厚煤层特大采高综采提供了样板，为晋陕蒙宁甘乃至新疆等区域厚及特厚煤层采用大采高一次采全高综采工艺技术提供了示范。

综采工作面每一次采高的增加，都是一次煤炭开采装备与回采技术的革命，也是一次我国煤矿开采装备制造水平提升的见证。神东公司为逐步提高大采高一次采全高综采工作面的采高，在采场围岩控制、开采装备研发与开采工艺革新等方面做了诸多研究、探索与创新。

3.1.1   采高增加引起采场覆岩运动变化分析

在特定采高情况下，综采工作面垮落带上部岩层能够随工作面推进，不断形成三铰拱式的简支梁铰接平衡结构，维持采场围岩压力的暂时平衡。在采高提高的情况下，低位岩层铰接形成的稳定结构因回转量增大而失稳，以“悬臂梁”结构形态参与垮落运动，成为垮落带的一部分；处于更高层位的岩层替代低位岩层铰接形成新的平衡结构（图5、图6）。

图  5  采高3 m上覆岩层运动形态

Figure  5.  Movement pattern of overlying rock layer with mining height of 3 m

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图  6  采高7 m上覆岩层运动形态

Figure  6.  Movement pattern of overlying rock layer with mining height of 7 m

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经实验室模拟与现场数据论证，采高增加对综采工作面垮落带、基本顶、支承压力、煤壁与采空区的参数都有较大的影响（图7）。当采高增加1 m，垮落带的高度将增加3～4 m，单位面积所承担的静载将增加70～100 kN；采场上部岩层形成的基本顶其运动步距、运动强度呈非线性增加；煤壁稳定性与最易失稳位置也发生变化，需强化对综采液压支架的架型、初撑力、工作阻力与护帮参数的创新设计，以应对由采高的增加引起围岩应力非线性变化带来的安全风险。

图  7  采高变动对围岩运动参数的影响

M_z—采高；M_z—直接顶高度；H_q1—直接顶单位静载荷；B_k2—基本顶动载系数；B_p2—基本顶运动强度；B_d—基本顶运动空间；B_s—基本顶运动速度；S₁—支承压力峰值距煤壁距离；S_k—支承压力峰值系数，支承压力峰值与原始应力比值；S_x—支承压力影响范围；↑—提高；↓—降低

Figure  7.  Influence of mining height change on surrounding rock motion parameters

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3.1.2   神东矿区采场覆岩“切落体”结构

1）“切落体”结构的提出。传统的采场上覆岩层运动形态有“砌体梁”结构、“传递岩梁”结构之分。神东矿区受浅埋深、薄基岩、厚松散层、大采高与超大工作面采动影响，当工作面埋深在150 m之内时，其上覆岩层经常表现出“两带”特征，即采场上覆岩层呈整体切落式周期性破断，破断范围波及地表，此覆岩运动结构被称之为“切落体”结构^[8]（图8）。

图  8  浅埋煤层工作面“切落体”结构

Figure  8.  “Cutting block” in shallow coal seam working face

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“切落体”与“砌体梁”及“传递岩梁”等结构相比，“切落体”结构力学承载能力较弱，覆岩大部分载荷作用在支架或采空区矸石上，导致浅埋煤层工作面矿压显现更加强烈。由“切落体”结构知，传统采场上覆岩层“上三带”中的弯曲下沉带在神东矿区浅埋深、薄基岩、厚松散层及大采高的条件下很难形成，导致采场支承压力转移规律与常规采场差异较大。

2）“切落体”的类型。由物理相似试验、数值模拟及现场矿压实测分析可知，“切落体”结构中覆岩切落角度与岩层强度、刚度、层理及厚度等参数有关。对于厚硬岩层组合，顶板破断面偏向于采空区，破断角小于90°（图9a）；对于薄及松软岩层组合，顶板破断面偏向于工作面前方，破断角大于90°（图9c），对于软硬复合型岩层组合，则介于二者之间（图9b）。结合开采实践，把“切落体”结构形式划分为超前“切落体”、垂直“切落体”与滞后“切落体”3种类型。

图  9  “切落体”三种类型

Figure  9.  Three types of “cutting block”

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3）“切落体”结构下矿压显现特征。采场覆岩若以“切落体”结构运动，传统矿压理论中弯曲下沉带难以形成，其支架载荷计算方法也有别于常规采场。由图9可知，直接顶载荷与“切落体”载荷是采场支架载荷的主要来源。由于直接顶强度一般较低，随采随冒，其载荷必将全部作用在支架上；而“切落体”载荷并非全部作用于支架，仅将其残余载荷传递至支架，残余载荷的大小取决于切落面的摩擦因数$ \tan\; \varphi $、水平挤压力$ T $、切落角度$ \alpha $等参数。

在“切落体”结构下，支架上的矿压显现比常规条件下矿压显现强烈，提高支架支护强度是应对“切落体”岩体运动比较有效的方法之一。支架支护强度的提高，同时也影响“切落体”结构的切落角度$ \alpha $、水平挤压力$ T $的数值，支架支护强度与围岩运动状态是个复杂的非线性耦合过程。①神东矿区采场顶板受“切落体”结构影响，初次来压步距一般在40～60 m，周期来压步距一般为13 m左右，周期来压顶板运动期间矿压显现强烈，顶板运动结束后，矿压显现不明显。②采场作用在支架上的载荷普遍较大，采用较大工作阻力的液压支架才能满足采场矿压的需要。③煤层若进入下组煤开采，受上覆煤层煤柱影响，采煤工作面出煤柱时，煤柱边界上方2个“切落体”已经形成的稳定结构极易失稳，导致采煤工作面顶板载荷瞬间增大，易造成采场顶板矿压显现异常。

针对神东矿区采场上覆岩层“切落体”结构，需要加强对采场液压支架选型、支护参数选择与护帮参数确定等方面的研究。

3.1.3   国内首个6.3 m采高重型工作面开采实践

神东公司上湾矿根据其煤层赋存条件，2007年5月，装备了国内首个采高6.3 m的51202重型综采工作面^[9]，创造了国内一次采全高采高纪录。

重型工作面一般指工作面总装机功率在10 000 kW以上，生产能力突破1 200万t/a的综采工作面，具有生产能力强、总装机功率大、可靠性高与技术先进等特点。重型工作面代表了国内外煤炭生产先进技术的最新发展方向，是煤炭开采矿压理论、采掘技术、机电与装备技术、回撤安装、系统能力配套、信息化、自动化应用、安全保障及生产组织等一系列技术创新和升级的成果，最终目的是提升矿井生产能力、生产效率和经济效益。

51202综采工作面总装机功率由过去的4 100 kW提升到11 000 kW，生产能力由500万t/a提高到1250万～1 350万t/a，工作面设备总质量由4 300 t增加到10 000 t，采煤机功率由990 kW提高到2 390 kW，液压支架工作阻力由6 715 kN提高到10 800 kN，刮板输送机装机功率由2×552 kW提高到3×1 000 kW，带式输送机宽度由1.4 ｍ提高到1.6 m，运输能力由2 200 t/h提高到4 000 t/h。“6.3 m一次采全厚重型综采工作面成套技术”成果2009年获内蒙古自治区科学技术进步一等奖。

51202重型工作面开采过程中，工作阻力为10 800 kN的综采液压支架有效控制了顶板，同时也实现了煤矿综采、机电、装备、信息化与自动化等方面的技术创新和突破，最高日产达40 214 t，最高月产达109.5万t，单产水平提高到1 200万t/a，每年可以增加经济效益约1亿元，资源采出率达到了94.2%，矿井服务年限延长了4.5 a。

51202重型工作面之所以能取得成功，主要归功于在采场上覆岩层以“切落体”结构理论指导下的液压支架选型及相关配套设备的创新，主要有以下2点：

1）依传统矿压理论，采高由4.3 m提高到6.3 m，液压支架工作阻力只需提高2 000 kN即可适应采场矿山压力。考虑51202重型工作面上覆岩层若以“切落体”结构运动，需估算“切落体”的残余载荷，因此把液压支架工作阻力提高了4 085 kN，支护强度提高0.38 MPa，研发当时支护高度最大的ZY10800/28/63D型国产两立柱液压支架，配置了最大护帮高度3.2 m的三级护帮结构。

2）为提高综采工作面的生产能力，开发应用了电机功率3×1 000 kW、链条直径48 mm及输送量4 200 t/h的刮板输送机；研发了当时最大功率2 390 kW的采煤机，并配备了直径3.2 m滚筒；开发了最大流量430 L/min的乳化液泵。

3.1.4   7～8 m厚煤层一次采全高综采创新实践

补连塔矿在综采一次采全高技术上积极实践，2009年22303综采工作面装备了一次采全高采高为7 m的重型工作面，2016年12511综采工作面装备了一次采全高采高为8 m的重型工作面，实现了当时国内一次采全高采高达到8 m的技术突破。

22303综采工作面把采煤机的最大采高提高到7 m，液压支架工作阻力提升到16 800 kN，中心距增加到2.05 m；12511综采工作面把采煤机功率提高到2 925 kW、最大采高提升到8 m，液压支架工作阻力提高到21 000 kN。

一次采全高的采高由6.3 m逐步提高到7 m与8 m，主要实现的技术创新如下：

1）以覆岩“切落体”结构理论为指导，把液压支架最大工作阻力由10 800 kN提升到16 800、18 000 kN乃至21 000 kN，液压支架中心距增加到2.05 m。实践证明，一次采全高采高为7 m的综采工作面选配最大工作阻力为18 000 kN、采高为8 m的综采工作面选配最大工作阻力为21 000 kN的两立柱掩护式液压支架对采场顶板适应性较好，液压支架要选配三级护帮结构，其最大护帮高度要达到其最大支撑高度的0.45～0.50倍。

工程实践表明，一次采全高采高由6.3 m提高到7 m，液压支架最大工作阻力提高了7 200 kN，支护强度提高了0.575 MPa；一次采全高采高由7 m提高到8 m，液压支架最大工作阻力提高了3 000 kN，支护强度提高了0.24 MPa。从采高提高数值与支架载荷升高数值不成比例这一现象，说明一次采全高采高的增加与支架载荷提升是一种非线性关系，论证了“切落体”结构残余载荷向支护体传递的非线性。该结论对深入认识与研究“切落体”结构具有十分重要的意义。

2）采煤机创新采用了全直齿传动、铸焊结合型壳体、时分性强制润滑和组合多路冷却等关键技术，实现了7 m大采高的国产易维护全直齿摇臂五级直齿传动^[10]，提高了减速机构的稳定性。

3）为解决大采高工作面两端头煤炭损失严重的问题，开发了垂直过渡支架，提高了采煤工作面的煤炭采出率；采用辅巷多通道工艺，并配套7～8 m的大采高成套装备回撤专用支架，系统性解决了大采高综采工作面末采贯通难度大、矿压大及回撤难的问题。

22303与12511综采工作面回采期间，采场顶板基本可控，顶板的周期性运动比较明显，在推进方向上矿压大致呈现“大～小”相间变化趋势，来压步距9.0～16.8 m，平均13 m；在倾斜方向上周期来压步距以中间支架为中心呈对称分布，整体呈现“中间小，两头大”的运动特征。

12511综采工作面全部回采煤量1 031.7万t，采出率达到98%；工作面生产能力显著提升，每刀产量达到2 800 t，最高日产量5.22万t，最高月产量134.4万t。12511重型工作面配套装备具备完成年产1 550万t的生产能力。

3.1.5   8.8 m特厚煤层一次采全高综采创新实践

2018年上湾矿装备了一次采全高采高为8.8 m的12401重型工作面。该工作面把液压支架工作阻力提高到26 000 kN，选用功率为3 030 kW、最大采高为8.8 m的采煤机，工作面总装机功率达到13 762 kW。“8.8 m智能超大采高综采工作面成套装备研发与示范工程”成果2020年获中国工业经济联合会中国工业大奖，其主要技术创新如下：

1）优化了辅助运输巷道设计。为解决大型设备的安装、回撤等运输问题，在12煤四盘区系统中部开掘支架专用巷，综采大型设备入井后经支架专用巷可直达综采工作面开切眼，实现一条巷道为12煤四盘区12个综采工作面的安装、回撤服务的功能；支架专用巷使综采工作面的辅助运输形成环线，提高了辅助运输效率；待盘区进行最后一个综采工作面回采时还可以作为回风巷使用，实现了一巷多用。

2）研发了目前世界上支护高度最高的8.8 m两立柱掩护式液压支架。该液压支架中心距2.4 m，最大工作阻力26 000 kN，其支护强度比21 000 kN液压支架提高了0.34 MPa，配套了最大护帮高度4.9 m的三级护帮结构。

3）为提高综采设备配套能力，研发了目前最大截割高度8.8 m的采煤机；开发了高强度大运量刮板输送机，减缓了超大采高工作面落煤和煤炭运输过程中对刮板运输机各刚性部件的冲击；开发了1 350 L/min大流量乳化液泵站，解决了以往乳化液泵站无法快速匹配超大采高工作面液压支架所提供的支撑能力、无法满足快速移架的问题；为有效解决百吨级液压支架、采煤机整体搬运和回撤巷道安全支护技术难题，研发了双百吨级支架搬运车。

12401综采工作面开采过程中，周期来压步距一般为13.5 m，来压动载系数均值1.6，来压期间液压支架安全阀开启率可达20%，中部支架周期来压比两端头明显，具有周期来压步距短、持续时间长与动载矿压强烈等特点，与“切落体”结构运动特征相吻合。

高阻力两立柱掩护式液压支架的成功应用，进一步验证了神东矿区上覆岩层以“切落体”结构形态运动的可能性，验证了覆岩在“切落体”结构下液压支架参数选型的复杂性，也验证了目前神东矿区实施的一次采全高液压支架选型方案的可行性与可靠性，该方案可以支持相同或相似地质条件与采动条件液压支架选型设计。

8.8 m特厚煤层一次采全高综采的实践，创造了单工作面年产1 400万t的纪录。神东公司自创建重型工作面以来把一次采全高采高从6.3 m逐步提高到8.8 m，设备配套能力达到1 900万t/a，多次刷新纪录。重型工作面的成功推广和应用，提高了矿井经济效益，提升了综采技术水平，推动了我国煤矿综采装备技术的进步，对国家建设亿吨级大型煤炭基地具有重要意义。

3.2   浅埋坚硬特厚煤层上层综采下层综放技术

神东公司活鸡兔井12煤复合区面积4.24 km²，煤层厚度9.63～10.35 m，平均厚度为10 m。该盘区基岩厚度42.3～86.4 m，直接顶为厚度1.5～6.8 m的粗、中砂岩，基本顶为厚度大于20 m的细、粉砂岩，基本底为厚度大于10 m的细、粉砂岩。

2000年，受一次采全高采高不超过4 m技术的限制，神东公司活鸡兔井12煤复合区采煤方法只能在放顶煤与分层开采中选择。由于该复合区埋深浅、煤层比较坚硬，若采用放顶煤开采，不利于顶煤破碎，顶煤冒放性不佳，放煤时容易产生大块堵塞放煤口，影响开机率，资源采出率较低；因此当时选用上分层综采4 m、中间留2 m假顶、下分层综采4 m的开采方案。2001年3月至2005年5月对该盘区上分层两翼共9个综采工作面进行了回采。

2015年，神东公司已经能实现采高为7 m的一次采全高综采，在对厚度6 m的下分层开采方案选择时，首先考虑一次采全高综采。由于上分层综采时未铺网，下分层需要在上分层采空区下开采，顶板控制难度大，安全隐患大，一次采全高方案不可取。如继续按原计划采用综采4 m回采下分层，就会浪费厚2 m的煤炭资源，大量煤炭遗留在采空区还存在自然发火的安全隐患^[11]。

为了更加安全高效地开采该复合区下分层，提高煤炭资源采出率，12煤复合区下分层采用综采4 m、放顶煤2 m的综放开采方法，厚2 m的顶煤可作为下分层综采的顶板，架后作为放顶煤进行回收，既保证了顶板安全，又回收了煤炭资源，即把原计划10 m特厚煤层“上分层综采4 m、中间留2 m假顶、下分层再综采4 m”变更为“上分层综采4 m、下分层综放6 m”的开采方法（图10）。

图  10  活鸡兔井分层开采技术

Figure  10.  Slicing mining technology in Huojitu Well

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2015年，对下分层首个工作面进行了综放开采，选用ZFY10200/25/42型液压支架，工作面采用“一刀一放，采放平行作业”的方式回采。利用上分层回采时采动压力对底煤的破坏作用和下分层回采时支架反复支撑对顶煤的破坏作用松动顶煤，通过摆动尾梁和伸缩插板机构实现控制放煤块度和挡矸作用，实行“多轮循环、均匀连续、大块破碎、见矸关门”的放煤原则。工作面回采过程中，顶煤受上分层采动影响和下分层工作面大阻力支架对顶煤的反复支撑破碎作用，冒放性较好，提高了回采效率，工作面月产量最高达87万t。“浅埋深特厚坚硬煤层下分层放顶煤开采技术研究”成果2016年获第八届陕西煤炭工业科技成果一等奖。

目前该盘区下分层已经全部回采完毕，采出率达97.8%。活鸡兔井12煤复合区分层开采的成功实践，一方面验证了浅埋坚硬特厚煤层采取上分层综采下分层综放的可行性，另一方面也验证了神东矿区采取“采大放小、高阻支架上下扰动”措施的正确性。

3.3   薄煤层等高采煤技术与实践

薄煤层（1.3 m以下）开采一直是困扰采矿行业的一个难题^[12-13]。神东公司0.8～1.3 m薄煤层可采储量占公司可采总储量的10%，薄煤层回采工效将是制约未来神东公司安全高效开采的重要因素之一。

3.3.1   薄煤层开采面临的主要技术难题

传统的薄煤层开采工艺难以满足神东公司高产高效生产要求，主要存在4个方面的技术难题^[14]：

1）巷道所需断面较大与煤层厚度较薄的矛盾。神东公司辅助运输车辆要求巷道保持一定的高度，相对于1.3 m以下薄煤层需要挑顶或挖底1 m以上，巷道断面内岩石占比超过40%，巷道断面尺寸优化与掘进方式选择是一个难题。

2）万吨掘进率高与单进水平低的矛盾。薄煤层相对于厚煤层而言，万吨掘进率相对较高，回采同样数量的煤炭需要开掘的巷道工程量大。薄煤层煤厚变化系数大，挑顶、起底工程量大，单进水平低下。

3）装备大功率与小尺寸的矛盾。为追求高产高效，薄煤层工作面装备追求大型化、重型化，煤层厚度又限制了装备的规格尺寸，造成装备大功率与小规格尺寸的矛盾。

4）装备适应性与小尺寸的矛盾。薄煤层赋存不稳定，煤厚变化大，装备因受限于小尺寸要求，调整变化幅度小，不能及时适应煤层变化，顶板管理、煤质管理困难。

3.3.2   神东公司薄煤层开采关键技术

1）薄煤层巷道掘进技术。为解决巷道所需断面较大与煤层厚度较薄的矛盾，在满足混凝土底板施工厚度、支护锚索外露和安全间隙的条件下，优化薄煤层辅运线路巷道最佳断面为5.1 m×2.3 m。神东矿区各薄煤层底板硬度普遍低于顶板，结合薄煤层刮板输送机采用端卸式落煤及顶板管理要求，巷道优先选择拉底掘进。

2）降低万吨掘进率技术。为解决万吨掘进率高与单进水平低的矛盾，采用切顶成巷与工作面优化布置2种方案降低薄煤层万吨掘进率。切顶成巷技术较为成熟，已在神东矿区推广使用；工作面优化指将薄煤层工作面长度逐步由传统的150 m提高到250 m。

3）薄煤层采煤装备选型技术。为解决装备大功率与小尺寸的矛盾，神东公司研发了融合滚筒采煤机与刨煤机优点的等高式采煤机及配套装备（图11）。该套装备采用刨煤机牵引配采煤机截割滚筒，单电动机驱动双滚筒的方式布置；截割滚筒直径1.2 m，质量19.2 t，配备500 kW的电动机，割煤性能媲美大功率采煤机，实现了小尺寸、大功率的装备配置新突破。

图  11  等高式采煤机

Figure  11.  Contour shearer

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4）薄煤层采煤装备适应性调整技术。为解决装备高适应性与小尺寸的矛盾，在采煤机机身上配套了调高油缸，可调整采高150～200 mm，布置调高油缸后挖底量增大，最高可挖底150 mm；利用配置在液压支架推拉杆上的倾角调整油缸（图12），实现工作面横向角度的调节，提高了对煤层变化的适应性。

图  12  工作面角度调节

Figure  12.  Angle adjustment of working face

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5）采煤机垂直进刀技术。为解决采煤机功率受限问题，创新采用单电机驱动双滚筒技术，可以实现大功率截割、端头垂直进刀工艺。采煤机由传统的端头斜切进刀变为端头垂直进刀，省去了割三角煤的往返工序，节约了时间，提高了生产效率。

3.3.3   薄煤层等高采煤无人化工作面的应用

2019年石圪台矿22上303-1采煤工作面，首次实现了国内薄煤层等高采煤无人化工作面全自动化生产。22上303-1综采工作面长度为253.4 m，推进长度为603.3 m，平均煤厚为1.3 m，从2020年7月开始生产，采煤机割煤速度达到10 m/min，圆班生产突破15刀割煤纪录。工作面配备集控台司机1人、巡视岗位工3人，月产量达12.4万t，年产能可达150万t。等高采煤装备的成功投入运行，为神东公司薄煤层自动化安全高效开采积累了宝贵经验。

3.4   短壁机械化全部垮落法回采技术与实践

我国现有煤炭资源中17%属不能布置长壁工作面的采区^[15]。以神东矿区为例，规划范围内存在不规则边角块段及部分小型井田的可采储量约为5.3亿t^[16]，开采边角煤炭资源对神东矿区的发展具有十分重要的现实意义。

短壁机械化开采技术是解决块段小、不规则、储量分散、煤层赋存不稳定及地质条件复杂区域开采的关键。1995年起神东公司开始引进国外连续采煤机成套装备，曾创造最高日产1.38万t、最高年产225万t的连采纪录。近年来神东公司与中国煤炭科工集团太原研究院联合攻关，实现了连续采煤机、梭车、锚杆钻车、行走支架与连运系统全套装备国产化^[17]，在国产化装备性能、回采通风技术等方面积累了大量的实践经验，实现了边角煤资源的安全高效回收。

3.4.1   短壁机械化采煤工艺及通风系统

短壁采煤法经过多年工艺演变，目前形成了以旺格维利采煤法、块段式采煤法为主的2类代表性短壁开采工艺^[17]，神东公司短壁采煤工作面使用块段式采煤法（图13）。

图  13  块段式采煤法开采与通风示意

Figure  13.  Block mining method schematic of mining and ventilation

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块段式采煤法通过平巷、支巷把开采区域划分为若干矩形块段。支巷按照支巷1→支巷2→支巷3→支巷4→支巷5→支巷6的顺序掘进；煤柱按照A₁→A₂→A₃→A₄→A₅→B₁→B₂→B₃→B₄→B₅→C₁···的顺序回采，工作面煤柱回收采用连续采煤机双翼交替进刀后退式开采，梭车和输送带运煤，并采用行走支架跟机支护顶板，实现全部垮落法管理顶板。通风由辅运平巷进新鲜风流，通过在平巷、支巷及联络巷内设置密闭、风障及挡风帘等通风设施调整风流进入工作面，污风经采空区回到主运平巷回风，形成支巷四进两回的全负压通风系统。

3.4.2   短壁机械化采煤关键装备与技术

榆家梁矿52煤三盘区边角煤布置短壁回采工作面，可采面积21.5万m²，按块段式采煤工艺布置了3个回采采区（图14），回采原煤65.6万t，采出率达到83.2%。

图  14  榆家梁矿52煤三盘区边角煤短壁回采工作面巷道布置

Figure  14.  Roadway layout of corner coal short wall stoping face in third panel area of No. 52 coal in Yujialiang Mine

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榆家梁矿52煤三盘区边角煤的成功开采，主要归功于使用了国内首台EML340型连续采煤机与装机功率182 kW的梭车，配备了XZ7000/25.5/50型履带行走式液压支架、国产CLX3型防爆胶轮铲车和国产DZY100/160/135型柔性连续运输系统。系列装备指标达到国外先进水平。

短壁回采工作面采用连采机双翼交替进刀后退式开采、行走支架跟机支护顶板的回采工艺。该工艺不仅实现了快速高效回采，更重要的是在采用行走支架支护顶板的前提下双翼交替进刀回采，实现了采空区顶板的全部垮落，消除了短壁开采顶板大面积垮落造成飓风伤人的重大安全隐患，保证了安全生产。

3.5   无煤柱开采技术与实践

沿空留巷工艺技术能明显提高煤炭资源采出率，增加矿井服务年限，减少巷道掘进量，节约掘进费用，缓解接续紧张，该技术已经在全国许多煤矿中推广使用。

神东公司下属各矿井一直保持高速开采，传统的沿空留巷技术很难突破6 m/d的留巷速度^[18]，无法满足综采工作面全速推进的要求。近年来，神东公司在巷旁柔模混凝土支护沿空留巷、沿空掘巷与切顶卸压自动成巷技术方面取得进展。

3.5.1   巷旁柔模混凝土支护沿空留巷技术

巷旁柔模混凝土支护沿空留巷技术是在采煤工作面后方沿采空区边缘，采用柔模混凝土墙作为巷旁支护，将该工作面的区段巷道保留下来，给相邻工作面使用（图15），形成了成熟的厚煤层柔模快速沿空留巷工艺。“煤矿柔模复合材料支护安全高回收开采成套技术与装备”成果2018年获国家科学技术进步二等奖。

图  15  柔模浇筑空间三维示意

Figure  15.  Three dimensional schematic of flexible form pouring space

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1）巷旁柔模沿空留巷“六位一体”的技术体系。沿空巷道受多次采动影响，围岩活动剧烈，巷道维护难度较大。为保持综采工作面快速推进，神东公司从整体上对沿空留巷进行设计，对巷旁支护墙的快速构筑、柔模支护体防漏、采空区顶板悬顶治理及“一通三防”等技术展开科技攻关，形成了巷旁柔模沿空留巷“六位一体”的技术体系（图16）。

图  16  沿空留巷“六位一体”技术体系

Figure  16.  “Six in One” technical system for gob-side entry retaining

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留巷技术包括留巷设计、激光放线、柔模吊挂、柔模浇筑与柔模墙强度监测；支护技术包括留巷前补强、挡矸支架、单元支架、挂网与无机材料离层加固；堵漏技术包括多腔柔模、螺栓孔堵漏、薄喷技术、喷浆与泡沫堵漏；“一通三防”技术包括Y型通风、气体监测、注氮注浆与低氧治理；矿压监测技术包括监测顶板离层、围岩变形、应力应变与周期来压4类数据；悬顶治理技术包括常规退锚、高压水切割、液压破顶装置与水力压裂等。

2）快速柔模混凝土支护技术。为保持留巷墙体的快速构筑，研发了快速柔模混凝土制备输送系统与滞后临时支护单元支架，提高了柔模沿空留巷的支护效率。柔模混凝土制备输送系统由地面柔模混凝土制备混合系统、柔模混凝土运输系统与井下柔模混凝土泵送系统等组成。

滞后临时支护单元支架采用型号为ZQ5000/20.6/45（图17），底座尺寸为1.4 m×0.9 m、顶梁尺寸为1.6 m×1 m，靠柔模砼墙侧安设，沿空留巷内单元支架中心距2 m，临时支护长度120 m。单元支架支护代替了沿空留巷传统“一梁四柱”支护工艺，降低了员工劳动强度，提高了现场施工效率。

图  17  ZQ5000/20.6/45单元支架及留设效果

Figure  17.  ZQ5000/20.6/45 unit support and retention effect

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3）巷旁柔模混凝土支护沿空留巷技术应用。榆家梁矿从2013年以来，先后在52401、52402、与52307等7个采煤工作面应用“巷旁柔模支护”沿空留巷工艺，累计留巷长度达12 500 m，增加综合效益2 490万元/a；大柳塔矿52605综采工作面应用沿空留巷工艺，留巷长度4 097 m，增加综合效益1.2亿元；锦界矿31116综采工作面应用巷旁柔模支护沿空留巷工艺，留巷长度5 069 m，增加综合效益1.1亿元。

该技术还在上湾矿、哈拉沟矿、乌兰木伦矿、柳塔矿和石圪台矿等矿井推广应用。神东公司在沿空留巷墙体高度3.8 m的前提下，取得了最快留巷速度18 m/d的好成绩。

3.5.2   巷旁柔模混凝土支护沿空掘巷技术

神东公司榆家梁矿首次实现了柔模混凝土沿空掘巷技术，采用厚1 m的柔模混凝土墙体替代了宽15 m的护巷煤柱，减少了遗留在采空区的煤炭，延长了矿井服务年限。

榆家梁矿52401综采工作面超前采煤工作面200～300 m，在运输巷沿副帮浇筑一道连续的柔模混凝土墙体，工作面回采结束后混凝土墙体进入采空区，待采空区岩层垮落活动稳定后，紧贴柔模混凝土墙掘进52402辅运巷，实现沿空掘巷无煤柱开采。

沿空掘巷与沿空留巷墙体支护都是巷旁柔模混凝土。沿空掘巷的柔模混凝土墙体施工在采煤工作面前方，而沿空留巷的柔模混凝土墙体施工在采煤工作面后方，沿空掘巷具有施工便利性强，安全系数高，操作难度低等特点。

3.5.3   切顶卸压自动成巷技术

哈拉沟矿在12201工作面运输巷应用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术^[19]，在靠近工作面侧顶板，采用双向聚能爆破沿区段平巷走向预裂切顶，随工作面回采，煤层顶板沿预裂切缝自动垮落，形成采空侧巷帮^[20]。该巷道可在下一工作面开采时重复使用，实现了无煤柱开采。12201工作面运输巷留巷580 m，综合效益880万元。

3.6   快速掘进技术创新与实践

为满足矿井通风、排水、运输与搬家等需要，神东公司每年巷道掘进量超过350 km。为提高掘进效率，公司在快速高效掘进与全断面盾构施工等方面积极探索，保持了采掘接续平衡，提高了矿井安全高效生产水平^[21]。

3.6.1   快速高效掘进系统

矿井快速高效掘进技术一直是我国矿井采掘亟待攻坚的核心难题之一，神东公司携手中国煤炭科工集团与中国铁建重工集团，经多年科技攻关，成功研制出世界首套全断面高效快速智能掘进系统，实现了掘、支、运一体化，解决了采掘失衡的矛盾，满足了矿井规模化、集约化与智能化的生产需要。

自2013年世界首套快速掘进系统在神东公司大柳塔矿正式使用以来，曾创造了煤巷支护作业大断面单巷掘进日最高进尺132 m，月最高3 088 m的纪录^[22]。“高效全断面掘进机研制—快速掘进后配套装备研发”成果2017年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

快速高效掘进系统主要由全断面快速高效掘进机、矿用十臂锚杆钻车、煤流连续运输、长压短抽通风、实时位姿自动检测与快速掘进系统安装回撤等关键技术组成^[23]。

1）全断面快速高效掘进机。目前神东公司全断面快速高效掘进机主要有全断面煤巷高效掘进机与全断面矩形快速掘进机二大类。

全断面煤巷高效掘进机是一种掘支一体化装备，可实现全断面截割、装运、支护、行走、锚固与除尘等多重功能。该机截割高度4.2 m，截割宽度6 m，纵向工作坡度≤±5°（图18）。

图  18  全断面煤巷高效掘进机

Figure  18.  Full-section coal roadway-efficient roadheader

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全断面矩形快速掘进机集机、电、液与激光陀螺惯导系统为一体（图19）^[24]，有5 个截割刀盘错次对称布置，结合 6 个盲区铲齿构成截割部，能满足快速、连续与一次全断面矩形巷道成型施工需要，实现掘、运与支一体化，掘进中空顶距可以控制在4.7～6.2 m。

图  19  全断面矩形快速掘进机

Figure  19.  Full-section rectangular fast roadheader

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2）矿用十臂锚杆钻车。矿用十臂锚杆钻车（图20）安装有6台顶锚钻臂和4台帮锚钻臂，在掘进机后方，骑跨在可弯曲带式输送机上，掘进机前移后，钻车紧跟着进行顶帮支护，可同时完成顶板和巷帮上部支护，实现了顶、帮支护的依次完成，减少了支护用时，提高了支护作业效率，保证了掘支平衡。

图  20  十臂锚杆钻机

Figure  20.  Ten-arm anchor drill

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3）煤流连续运输技术。全断面掘进机将截割下来的煤转载运输到可弯曲带式转载机，可弯曲带式转载机卸载至迈步式自移机尾，然后经带式输送机输送到主带式输送机。迈步式自移机尾和可弯曲带式输送机重叠式布置，具有较长的搭接行程，保证了生产班正常的连续掘进。

迈步式自移机尾（图21）不仅把可弯曲带式转载机卸载下来的煤炭转载运输至主带式输送机，而且在检修班还可把掘进前移时用完的搭接行程通过遥控操作自身的自移装置完成向前迈步自移，为下一个掘进循环做好准备工作。

图  21  迈步式自移机尾位

Figure  21.  Tail position of step-by-step self-moving machine

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4）长压短抽通风技术。目前，神东公司已经成功建立了一套适应于巷道掘进的“长压短抽”通风除尘技术^[25]，使工作面作业环境的降尘率达95%，改善了作业环境。“长压短抽”通风除尘（图22）是指用压入式局部通风机作为工作面供风的局部通风机，用抽出式风机作为除尘风机。

图  22  掘进工作面一体化除尘系统布置

Figure  22.  Integrated dedusting system in heading face

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长距离掘进工作面选用干式除尘通风机，将其固定连接在桥式转载机末端，当掘进工作面生产时，开启除尘通风机，形成“长压短抽”通风除尘系统，从源头上控制了粉尘的扩散；当掘进工作面停产时，关闭除尘通风机。

5）实时位姿自动检测技术。神东公司采用一种基于视觉/惯导的掘进机位姿组合测量方法提高掘进机实时位姿测量精度。该方法组合激光捷联式惯导与单目视觉测量技术，取得掘进机实时位姿的5个自由度数据。该技术不需要外界信息修订导航参量，解决了受误差累积影响而不能连续工作的问题^[26]。该技术在大柳塔矿进行了应用，姿态测量精度为0.1°，静态漂移标准差≤0.25°，位置定位精度≤1 cm，满足测量精度需求。

6）快速掘进系统安装回撤技术。快速掘进系统在安装及回撤时因设备体积大、重量大且规格尺寸固定无法拆解等原因，尚未实现自动开口和退机。

神东公司采用双巷配合工艺，准备段巷道开5个联络巷（图23），联络巷1为移变硐室，联络巷2为通风机硐室，联络巷3～5为全断面掘进机、后配套设备安装运输通道，联络巷5处沿巷道掘进方向设置全断面掘进机安装区域。

图  23  快速掘进系统准备段巷道布置

Figure  23.  Roadway layout in the preparation section of rapid tunneling system

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快速掘进设备回撤，需由相邻巷道在巷道停掘位置前开设2个联络巷，打设厚200 mm的砼底板，末联巷实现调车功能，头联巷为设备拆解区域，快速掘进系统回撤时需要施工回撤联络巷和拆解硐室。

3.6.2   全断面盾构施工关键技术

针对煤矿深埋超长、连续下坡、富水高压和地层多变的特点，神东公司应用了双模式盾构机的成套系统，创新了煤矿巷道施工工艺，实现了煤矿巷道安全、优质、快速与高效施工，在国内外煤炭行业起到了引领和示范作用。

双模式盾构机（图24）主要部件包括刀盘、主驱动、推进系统设计与双模式盾构配套设备布局等，其中刀盘开挖直径达到7 620 mm，整机长度238 m，整机质量1 200 t，总装机功率4 800 kW。

图  24  斜井双模式盾构机

Figure  24.  Dual mode shield machine for inclined shaft machine

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全断面盾构施工技术能适应不同地质条件、采动条件下的巷道施工，其技术关键如下：

1）超前钻探地质预报技术。该技术是通过超前钻探过程中的压力、钻孔速度、转速、转矩、钻杆波动、钻孔水量与温度等数据的分析，对盾构前方的水文地质条件进行预测，为双模式盾构机模式的选择及排水卸压预案的确定提供数据支撑。

2）超前预加固技术。该技术是指通过分析掘进工作面前方断层破碎带内岩体可维持的自稳定时间，预测破碎岩体坍塌的可能性，制定破碎岩体超前加固方案，解决盾构施工长距离斜井过断层破碎带围岩施工难的问题。

3）盾构安全评估技术。该技术制定了基于刚度等效的斜井管片衬砌结构的盾构安全评估体系，实现了盾构工艺实时监测软硬件开发与集成。

4）其他关键技术。为适应巷道软岩变形，建立了前大后小阶梯递减的盾构组合支护体系；为解决盾构施工穿越高水压地段的难题，使用了泄水降压式管片结构；为解决盾构施工防水问题，采取了优化弹性密封垫、管片壁后纵向分段隔水的处置方法；为解决盾构施工有害气体处置问题，设计了盾构施工有害气体监测预警系统和通风系统；为解决原位盾构拆解硐室围岩加固问题，采用“强化注浆”技术控制巷道纵向位移；编制了煤矿斜井扩大硐室盾构拆解操作规程，规范斜井硐内盾构拆解施工工艺^[27]。

全断面盾构成套装备成功应用于神东公司补连塔矿埋深280 m的斜井掘进，施工期间实现了安全零事故，机械化率达100%，平均月进尺达到546.4 m，最高月进尺达639 m。“盾构法建设煤矿长距离斜井成套技术、装备及示范”成果2018年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

4.   神东公司国产高端装备研发及应用

近年来，神东公司在高端装备研发与制造领域积极探索，8.8 m超大采高智能综采工作面成套装备、纯水液压支架、超长运距可伸缩单点驱动带式输送机、双百吨重载搬运车和新能源电动车等装备研发取得重大突破，提高了煤矿关键采掘装备的国产化水平。

4.1   8.8 m超大采高综采工作面成套装备

神东矿区8～9 m煤层地质储量丰富。2018年，为提高安全回采工效，研发了综采8.8 m超大采高智能采煤工作面成套装备，包括8.8 m大采高采煤机、大采高液压支架、高强度大运量刮板输送机和大流量乳化液泵站等装备。“神东矿区超大采高智能开采关键技术与成套装备研发”成果2020年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

4.1.1   8.8 m超大采高采煤机

神东公司主导研制了世界首台8.8 m采高特厚煤层采煤机（图25），装机功率3 030 kW，创造了长壁滚筒式采煤机截割高度新纪录，填补了8 m以上特厚煤层采煤机技术空白，研制过程主要有4点创新。

图  25  8.8 m超大采高采煤机

Figure  25.  8.8 m oversized shearer

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1）研发了适应特厚煤层采煤机的新型材料，解决了加工精度低、焊接性差等难题。为提高采煤机的可靠性，研制一种在精确温控条件下利用稀有金属进行微合金化形成理想金相组织的新型材料，使采煤机的摇臂、牵引部等关键部件的抗疲劳、抗扭转性能得到大幅提升，解决了传动系统因壳体变形导致的寿命下降问题，并使整机重量得到了有效控制。

2）研制了最大可承载1 250 kW的轻量化、大长度与高可靠性截割部。通过优化滚筒结构，使滚筒材料和焊接工艺得以改进，在不降低ø4 300 mm滚筒^[28]的强度和耐磨性前提下，首次将其质量控制在16.3 t以内，减轻了摇臂壳体和调高油缸的负载，提高了截割部可靠性（图26）。

图  26  ø4 300 mm滚筒结构外观

Figure  26.  ø4 300 mm drum structure appearance drawing

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3）创新使用多腔润滑的方法，解决了摇臂润滑冷却难的问题。摇臂常规润滑冷却设计方法，难于润滑上端齿轮，若加大注油量，必将引起仰角状态时油液在下端聚集，导致摇臂温度过高。8.8 m采煤机通过摇臂润滑腔多单元分隔结构的设计，实现了冷却布置方式的创新升级，保证了摇臂良好的润滑及冷却效果，提升了摇臂的大采高工况适应性。

4）创新使用“T”形对接面，解决了复杂恶劣工况条件下超大采高采煤机的整机稳定性及机身连接刚性问题。建立系统动力学模型，模拟采煤机机面高度、采煤机行走方向的反力与工作面推进方向进刀反力间的耦合关系，设计了“T”形断面结构，增大对接面有效宽度，提高结构稳定性；应用箱式拉杠预紧联接技术，实现了行走与机身的可靠联接^[29]。

8.8 m采煤机于2018年被安装在上湾矿12401综采工作面，实现了特厚煤层一次性采全高，随后被推广应用到12402、12403综采工作面，回采过程中设备运行稳定，各项性能指标满足生产需求。

4.1.2   8.8 m超大采高液压支架

为适应超大采高工作面的高效开采，研制了ZY26000/40/88D两柱掩护式液压支架，立柱采用高强度双伸缩结构。目前，该液压支架工作阻力为世界最大，最大支护高度为世界最高，研制过程主要有4点创新。

1）研制了世界最大缸径（ø600 mm）的液压支架立柱（SLJ600a）（图27），提高了液压支架立柱的可靠性和稳定性^[30]。

图  27  ZY26000/40/88D型液压支架稳定性分析

Figure  27.  Stability analysis of ZY26000/40/88D hydraulic support

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2）在研究各种设备因素与超大采高支架中心距关系的基础上，分析超大采高支架中心距拓宽的可能性与合理性，把液压支架中心距拓宽到2.4 m。目前该液压支架中心距为世界最宽。

3）研制了超大流量液压系统匹配技术，实现降柱行程100 mm同时抬底时间4.3 s/架，移架时间3.499 s/架，升柱行程100 mm达到初撑力时间2.467 s/架，可以把液压支架1个工作循环时间控制在10 s以内，跟机速度达到14.03 m/min，满足了快速移架的要求。

4）针对超大采高采煤工作面矿压显现强烈、安全隐患多、顶板日常管理难度大等问题，研发了超大采高工作面智能化监测与控制系统（图28），实现了支架姿态监测与自动控制、设备干涉预测、故障预警与生产系统负载平衡速度匹配，解决了超大采高工作面稳定性预防与控制的难题。

图  28  工作面智能化监测与控制系统操作界面

Figure  28.  Working face intelligent monitoring and control system operation interface

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4.1.3   高强度大运量刮板输送机

由于传统的刮板输送机无法与ZY26000/40/88D型液压支架配套，神东公司与科研院所联合攻关，研发了SGZ1388/3×1600型高强度大运量刮板输送机，具备变频自动调速、在线智能监测、在线故障诊断、断链自动检测与煤流量实时监测等智能化功能，达到国际先进水平。

SGZ1388/3×1600型刮板输送机（图29）在超重型中部槽设计、机尾自动张紧、智能调速与智能控制等方面取得创新。

图  29  SGZ1388/3×1600型刮板输送机

Figure  29.  SGZ1388/3×1600 scraper conveyor

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1）研制了2.4 m超重型刮板输送机的中部槽。国内外刮板输送机中部槽最大长度为2.05 m，无法与ZY26000/40/88D型液压支架配套，创新了拼焊式2.4 m超重型中部槽的设计及加工工艺，槽帮、铲板和中、底板采用整体拼焊结构，中部槽中板厚度为60 mm，底板厚度为40 mm。

2）为减缓刮板输送机各刚性部件的冲击，研发了国产重型刮板输送机机尾自动张紧系统。系统通过检测机尾伸缩油缸内部压力大小，将其与控制程序内部预先设定的压力范围值进行比较，用电磁阀调节油缸进液或者泄液，控制油缸伸缩，使刮板输送机整个链条张力处于合理范围，延长了链轮、链条、刮板等主要部件的使用寿命。

3）为解决刮板输送机的能耗问题，研发了刮板输送机智能调速系统。刮板输送机配套3台1 600 kW变频一体电机，变频器和驱动电机集成一体设计，功率达到1 600 kW，为国际首创^[31]。系统通过检测刮板输送机上的负载情况及采煤机反馈的相关参数，进行相应的速度调整，以最优的能耗比进行运转，实现了节能降耗。

SGZ1388/3×1600型刮板输送机输送量可达6 000 t/h，属于高产高效国产设备，较进口设备具有采购成本低、技术服务和备件供应及时有效等诸多优势，有效降低了生产成本。

4.1.4   大流量乳化液泵站

国内外煤矿井下常用乳化液泵的额定流量为630 L/min，无法满足8.8 m综采工作面需要超大流量乳化液的要求，为此研发了额定流量为1350 L/min乳化液泵站及额定流量250 L/min的超高压乳化液增压泵，有效缓解工作面瞬时大量用液响应慢的问题，满足了液压支架快速注液的工作要求。

1）为快速匹配综采液压支架所需要的泵站流量，研发了紧凑型大流量专用柱塞泵，单泵额定流量为1 350 L/min^[32]，工作压力42 MPa；研制了由12组60 L蓄能器组成的大容量蓄能压力站（图30），总容积达到720 L，较传统蓄能站容积提升了3倍。

图  30  大容量蓄能压力站

Figure  30.  Large capacity energy storage pressure station

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2）为使液压支架能够快速卸压，研制了超高压大流量卸载阀，额定流量1 500 L/min，工作压力42 MPa，相比传统流量最大的630 L/min的卸载阀，成功提升了1倍的通流能力，泵站加卸载更加平稳，减小了管路振动，延长使用寿命。

大流量乳化液泵站的研发，满足了液压支架快速移架、推移刮板输送机及支护要求，提升了国内泵站系统的制造水平，乳化液泵站系统可实现全自动控制，不需要设置专职人员值守，减少了人工劳动量。

4.2   纯水介质液压支架技术与实践

为解决井下开采污染，改善矿井生产环境，研究用纯水替代乳化液介质技术，提高矿井清洁生产水平，为绿色矿山建设提供装备支撑。神东公司在矿井环境下纯水水质提升、液压元件表面防腐与液压元件和密封件的润滑性能等关键技术方面展开攻关。

1）纯水水质保持和提升技术。纯水制备装置将矿井水深度处理，制造出符合GB/T11446.1—2013要求的纯水。该装置由预处理系统、超滤系统、一级反渗透系统、二级反渗透系统、电去离子系统与控制系统等组成。为解决矿井水质运输污染问题，设计研发了反渗透水箱、硐室内纯水水箱、涂塑管路、区段巷道内配置混床和纯水高压泵水箱等装置，以此来保证水质在长距离运输时得以保持和提升。

2）液压零部件防锈技术。为解决液压设备防锈问题，研发了液压零部件和纯水泵站零部件防锈技术。为满足高压力、大流量泵站抗腐蚀的性能要求，对泵的泵头、卸载阀、安全阀与柱塞等关键零件，使用氧化铝陶瓷与304不锈钢等表面处理技术；对纯水介质接触的千斤顶，利用激光熔敷、熔铜与QPQ等工艺进行处理，优化与提高关键部件防腐防锈能力。

3）与纯水介质接触的密封件、金属零部件表面润滑耐磨技术。千斤顶的主密封材质由自润滑聚氨酯改为高强度的P2002M型自润滑聚氨酯（图31），耐磨性能可提升12.5%；主密封结构由P23-H改为P23-HE，增加聚氨酯部分的宽度和截面，使用性能提升15.2%；千斤顶的主密封挡圈材质由POM改为PEEK（填充碳纤维），耐磨性能约可提升1倍。

图  31  P2002M型自润滑聚氨酯

Figure  31.  P2002M self lubricating polyurethane diagram

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神东公司锦界矿从2018年开始在31408、31409综采工作面使用纯水介质液压支架，2020年哈拉沟矿22411-1、22303-1/-2综采工作面推广应用了该技术，填补了国内外综采工作面液压支架使用纯水介质的空白。

4.3   超长运距带式输送机技术与实践

为满足神东矿区6 000 m超长运距煤炭运输需求，神东公司自主研制6000 m机头集中驱动可伸缩带式输送机（图32），主要包含带式输送机整机降阻、张紧控制与智能变频驱动三大核心技术。

图  32  6 000 m机头集中驱动可伸缩带式输送机

Figure  32.  6 000 m head centralized drive retractable belt conveyor

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1）整机降阻技术。开发了新型低阻托辊，采用迷宫+径向微隙整体密封组合、新型不锈钢材质筒皮、低阻轴承与提高加工精度等方法，减轻托辊筒体质量，降低托辊自身旋转重量及旋转阻力，达到整机降阻的目的。

2）新型张紧控制技术。建立智能张紧自动计算控制模型，张紧系统可以根据带式输送机实时运行数据，自动计算出所需张紧力并加以控制。新型张紧控制技术降低停机时低张力区的冲击力，提高整机系统运行稳定性、安全性，解决了长距离带式输送机张紧匹配不到位导致启停困难的技术难题。

3）智能变频驱动技术。以“变频器+电机+减速机”作为驱动部，研发软启动、智能调速、自动脱机与高精度功率平衡控制技术，根据负载变化智能加载，及时提供所需驱动转矩，提高驱动控制能力。智能变频驱动首次应用带式输送机“服从控制”技术，通过对驱动、张紧与带式输送机保护的控制方式研究，建立三者之间的控制服从关系。服从控制技术的应用，实现了整机系统的稳态控制，保证输送机在全工作周期各种工况下安全运行。

上湾矿是国内外第一家试用6 000 m超长运距可伸缩单点驱动带式输送机的煤矿，系统运行稳定，经济效益显著，一个综采工作面节省费用可达680万元。目前，该机型已在神东公司全面推广，累计推广应用40余部，节约资金超2亿元。“6 000 m超长距低阻智能机头集中驱动矿用带式输送机研究与应用”成果2018年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

4.4   双百吨重载搬运车技术与实践

8.8 m智能超大采高综采工作面液压支架与采煤机质量都达到100 t以上，传统国内外最大的支架搬运车与铲板搬运车都不能满足工程需求。神东公司联合科研院所与装备制造厂商制造了载重超过百吨的WC100Y型液压支架搬运车与WXP100型蓄电池铲板搬运车，属国内首创。

4.4.1   框架式支架搬运车

8.8 m综采液压支架质量为100 t，而国内常用支架搬运车载重吨位不超过80 t。WC100Y型液压支架搬运车（图33）载重100 t，首次将整体式车架、液压独立悬架与多连杆全轮转向等技术应用于液压支架搬运车，解决了8.8 m百吨支架整体运输入井和井下搬运问题。

图  33  WC100Y型支架搬运车整车

Figure  33.  WC100Y support carrier vehicle diagram

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1）整体式U型复合集成车架（图34）。为确保百吨的液压支架搬运车在复杂受力的条件下具有足够的刚度、强度和使用寿命，采用框架盒型焊接结构，组成整体式U型复合集成车架。车架主体由厚度为20 mm的Q690高强钢板焊接而成，下层与悬架回转套管形成封闭式盒型结构，有利于提高车架强度。

图  34  WC100Y型支架搬运车U型复合集成车架

Figure  34.  WC100Y support carrier U-shaped composite integrated frame

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2）液压独立悬架技术。液压支架搬运车在通过井下起伏路面和涉水路面等复杂路况时容易发生故障，设计了8组液压独立悬架，使同侧的一轴和二轴的两悬挂油缸、三轴与四轴的两悬挂油缸并联在一起，实现2组油缸间的液压平衡^[33]。行驶过程中可根据路面不平进行补偿，使悬架受力均衡，通过悬挂补偿减缓路面不平对车辆的冲击，确保在井下起伏路面、涉水路面的适应能力。

3）多连杆全轮转向技术。支架搬运车采用断开式转向机构设计，将中心转向盘改为分体式的梯形连杆结构，采用转向油缸推动车轮驱动转向，前后分组设计，前两轴线转向角度采用连杆协调，后两轴线转向角度采用液压联动协调。将多连杆全轮转向技术（图35）应用在液压支架搬运车上，整车具有更小的转弯半径，轮胎最大转角达到40°，便于在井下狭窄巷道转弯或掉头，转向更加精准灵活且降低轮胎磨损，通过性更好。

图  35  WC100Y型支架搬运车转向系统布置

Figure  35.  Steering system layout of WC100Y support carrier

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智能超大综采工作面液压支架若使用现有80 t支架搬运车，支架需在井口将顶板和底座进行分解，实行分体运输，在工作面完成顶梁与底座的装配和液压支架油液加注后，需动用大型吊车、特殊井下吊运设备搬运。经测算，采用载重100 t框架式液压支架搬运车比采用载重80 t液压支架搬运车节省运行成本约37万元/台。

4.4.2   蓄电池铲板搬运车

国内外最大蓄电池铲板车载重只有80 t，无法满足超百吨液压支架、超百吨大侧板过渡支架与重达140 t采煤机的安装与回撤需求。WXP100型蓄电池铲板搬运车（图36）载重100 t，采用大吨位铰接式车架、电动轮驱动控制与高度集成的轮边系统设计技术，解决了井下综采工作面超大采高液压支架的搬运问题。

图  36  WXP100型蓄电池铲板搬运车

Figure  36.  WXP100 battery shovel plate carrier

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1）大吨位铰接式车架主要由前车架、铰接机构、中车架（图37）、回转机构与后车架组成，可实现前、后车架在水平面的偏转和绕中心轴的回转。通过回转结构，使前后车体可以绕车轴中心转动，在过坎或过坑时，轮胎较好贴合地面，增强通过能力，从而降低了对车架抗扭能力的要求^[34]。

图  37  铲板搬运车中车架仿真应力

Figure  37.  Simulated stress nephogram of middle frame of shovel plate carrier

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2）电动轮驱动控制技术。为提高铲板搬运车通过性能，采用电动轮驱动控制技术，优化控制策略，增强整车动力性。通过以整车控制器为核心的转矩控制技术，采用驱动转矩分层控制策略，对多个电动轮进行协同控制，使整车获得最大驱动力、具备最佳驱动特性，保证了车辆在各种行驶条件下的安全、高效、稳定行驶。

3）针对传统桥驱动存在传动链长、故障点多等缺点，研发了高度集成的轮边系统。轮边系统包括轮边驱动系统和轮边制动系统，由轮胎、轮边减速机和驱动电机组成，轮边减速机内部集成有湿式制动器，可实现行车制动、驻车制动和紧急制动3种制动模式。

智能超大综采工作面液压支架若使用现有载重80 t的VT680铲板车，需2台配合稳放支架，工艺流程繁琐，施工周期长。上湾矿12401使用WC100Y型支架搬运车配合WXP100铲板车使用，简化了工艺流程，缩短了施工周期，仅12401一个综采工作面的安装与回撤就产生12356万元的经济效益。

4.5   新能源矿用电动车技术与实践

传统的无轨胶轮车以防爆柴油机驱动，存在高污染、高噪音、高能耗和低寿命的“三高一低”问题，不仅提高了矿井运行成本，而且严重影响了煤矿工人的健康安全，同时还制约着采煤工效。

神东公司联合开展科技攻关，以解决柴油机动力源为切入点，研制了以电池管理、悬架结构与智能监控为核心的新能源矿用电动车。

1）采用主从架构的电池管理系统和分级能量管理策略，实现对电池能量的优化管理。矿用电动运输车电池箱采用多组串并联工作方式，主控器BMS-M与从控器BMS-S构成主从式的电源管理架构，与整车控制器VCU一起实现能量的分级管理，各层级之间通过CAN网络进行数据通讯，实现在整车模式、分箱模式和重组模式下的能量管理。

2）利用有限元分析建立前后悬架动力学分析模型，对悬架的刚度、频率进行对比分析，优化匹配悬架结构改动前后跳动、偏频等相关参数。经数据验证，悬架结构的更改提高了整车减震性能、承载可靠性与驾驶舒适度^[35]。

3）研发了车载智能健康管理系统。通过收集全系车型的海量运行信息，建立大数据库，形成基于车辆检测数据与故障的定量、定性关联关系，采用实时数据引擎，推理车辆故障模式及发生故障的设备、故障等级，实时将故障诊断结果发送至指挥调度人员、驾驶员及维修人员。

矿用防爆电动无轨胶轮辅助运输车已成功应用于神东公司各个煤矿。目前，神东公司井下在用防爆电动车445台，矿用防爆电动车每百公里能耗费用仅为同类型柴油车的6.5%，每年单台运行能耗成本降低近8万元，445台新能源电动车年运行能耗可降低约3 500万元。

5.   神东公司智能化矿井创新建设

当前，煤炭行业面临严峻的形势及进一步增大的环保压力^[36]，加快煤炭供给侧结构性改革，推动煤炭企业向高度信息化、自动化与智能化的升级转型迫在眉睫^[37]。

神东公司以全方位现代化、智能化建设为理念，先后在采煤工作面智能化、选煤厂智能化、矿鸿操作系统研发及应用、亿吨矿区数字化集中管控系统、井下智能机器人研发与应用等多个方面进行了创新性建设（图38）。“智能矿山建设关键技术与示范工程”成果2014年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

图  38  神东公司智能化矿井建设架构

Figure  38.  Architecture blueprint for intelligent mine construction of Shendong Company

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5.1   采煤工作面智能化建设技术及应用

神东公司在采煤工作面智能化建设方面以建设无人化智能综采工作面为目标，大力推进“机械化换人、自动化减人、智能化无人”的绿色智慧矿山体系建设（图39）。神东公司目前建成的智能化采煤工作面已有24个，分别在智能割煤、跟机拉架、自动找直、工作面视频拼接与远程干预等方面取得突破性进展。

图  39  智能化采煤工作面技术体系

Figure  39.  Technical system of intelligent coal mining face

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5.1.1   智能割煤技术

为破解长期困扰智能化开采煤岩无法识别的难题，神东公司在精确三维地质建模基础上，利用激光扫描机器人对综采工作面进行三维扫描，实现两巷导向点坐标信息自动识别，用点对点传导的方式把绝对坐标引入工作面，构建出工作面实测三维精确模型（图40）。在此基础上形成了记忆割煤与自适应预测割煤两大技术。

图  40  工作面三维可视化模型

Figure  40.  3D visualization model of coal face

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1）记忆割煤。神东公司榆家梁矿、大柳塔矿、哈拉沟矿与锦界矿等多个采煤工作面使用记忆割煤技术自动调整采煤机滚筒高度，实现自动化割煤。首先，采煤机在人工操作和机器学习的基础上，依据记忆资料进行重复割煤；其次通过采煤机摇臂和行走部上的传感器，记录采煤机对应的行走方向、倾向、走向角度和滚筒位置数据，并自动修订记忆资料（图41），不断提高采煤机滚筒高度与地质条件吻合度。实践证明，记忆割煤对大部分区域的采高数据具有较好的重复性。

图  41  采煤机记忆割煤示意

Figure  41.  Schematic of shearer memory coal cutting

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2）自适应预测割煤。神东公司锦界矿、大柳塔矿、上湾矿、布尔台矿、乌兰木伦矿、寸草塔二矿与补连塔矿全面使用自适应预测割煤技术。该技术以地质勘探数据建立的煤层3D数字化地质模型为基础，采用人工智能算法预测出采煤机下一刀轨迹，实现自动化割煤。该技术提高了自动化水平，人工干预率降低到7%以下。

5.1.2   跟机拉架技术

采煤机割煤后，液压支架按照事先设定的规则，滞后一段距离自主完成前移支架和推移刮板输送机。在工作面两端头位置，液压支架可配合采煤机实现斜切进刀；跟机拉架过程中，液压支架上的红外线接收器接收到采煤机红外线信号，检测出采煤机的位置和方向，向集中控制系统提供液压支架与采煤机位置数据，实现采煤机与液压支架的耦合联动（图42）。

图  42  跟机自动拉架示意

Figure  42.  Schematic of automatic pulling hydraulic support with shearer

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5.1.3   自动找直技术

为使支架和刮板输送机姿态及受力状态最佳，保持工作面直线度且与走向保持垂直，神东公司通过安装惯性导航系统、摇臂摆角传感器与采煤机位置测量系统实现采煤机精准定位，并结合采高实时测量、采煤机速度与方向测量、采煤机机身姿态检测与工作面直线度测量等技术，确保工作面平直，并实现采煤机自动调高。为提高精度，减少累积误差，设计了闭合路径算法，以假定截深恒定为条件，对测量系统进行矫正，使300 m工作面的直线度水平测量误差在±50 mm以内，工作面高程测量误差在±20 mm以内^[38]。

5.1.4   工作面视频拼接与远程干预技术

为确保当工作面生产条件改变、设备故障或煤层赋存变化时，作业人员能够及时发现并快速处理，防止影响工作面正常割煤或出现安全事故。神东公司研发了工作面视频拼接技术与远程干预技术，通过现场场景的智能识别、捕捉与感知、动态追踪与接力、实时处理和画面拼接再现等技术（图43），实现远程实时、连续地监测采煤机前后滚筒姿态和全工作面的生产状况，为无人工作面的实现夯实基础。

图  43  视频拼接技术

Figure  43.  Video splicing technology

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5.2   选煤厂智能化建设创新技术及应用

神东公司通过智能化建设在选煤行业的应用，系统定义了智能化选煤厂概念与内涵，以“保障安全、降低成本、降低劳动强度、稳定产品质量与提高经济效益”为目标，逐步形成了选煤厂智能化建设在不同阶段的发展思路。

智能化选煤厂依托选煤大数据与专家知识库，形成全面感知、实时互联、数据共享、综合分析、自主学习、动态预测与协同控制的智能系统^[39]，实现选煤厂的智能控制、智能管理与智能决策，逐步做到少人或无人干预，最终达到选煤厂安全、高效、节能与环保的要求，重点体现在重介质分选智能控制、煤泥水处理智能控制与选煤生产过程可靠性保障3类技术中。

5.2.1   重介质分选智能控制技术

为解决重介质分选过程参数问题，基于数据驱动开发了煤炭重介分选参数在线实时智能整定与精准控制技术。构建了包含原煤和商品煤质量数据、历史分选参数数据及选煤专家知识数据在内的重介分选智能控制数据库；建立了产品质量与分选密度之间的反馈控制模型，实时给定分选密度，并通过大数据分析和数据挖掘，构建了分选密度的预测和优化机制，实现了重介质分选过程参数在线智能整定与优化（图44）。

图  44  重介质分选过程

Figure  44.  Heavy medium separation process

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5.2.2   煤泥水处理智能控制技术

为提高煤泥水处理效率，开发了基于煤泥水浓缩过程入料特性与固液界面协同的智能化加药控制系统。实时监控煤泥水处理系统技术参数，通过对煤泥水入料进行分析，生成药剂添加量的前馈模型；通过超声波发射源获取浓缩机内煤泥水清水层界面，实时准确检测煤泥水浓缩过程的真实状态，反馈优化药剂制度，形成入料特性与浓缩装置界面参数协同的控制策略，实现煤泥水浓缩系统稳定运行。

5.2.3   选煤生产过程可靠性保障技术

为保障选煤生产过程可靠性，开发了智能配电技术，缩减了操作指令流程，提升了工作效率，降低了工作量，消除了隐患环节，保障了生产过程安全；开发了智能火车装车系统，通过专用传感器采集料仓、配煤、火车等全部数据，利用深度学习，给出配仓方案、配煤方案，控制火车及装车系统动作，实现精准配煤与无人装车。

5.2.4   智能化选煤厂建设成效

神东公司智能化选煤厂从2013年提出建设以来，经历了“从无到有”的开拓创新之路，取得了智能化建设的阶段性成果。以“AI人工智能”为核心，把18类子项目通过智能化改造整合为9个项目，形成了智能化建设成套技术方案，实现了区域巡视向无人值守、调度室集中控制向移动集中控制、人工数据采集向系统自动采集、运行状态判断由经验分析向大数据智能分析的转变。通过智能化实施应用，上湾选煤厂年电力消耗减少8%以上，生产效率提升5%，日均生产时间缩短1 h，煤质稳定率提高了12%，全员工效逐步提升。“大型选煤厂智能化技术的研究与应用”成果2019年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

5.3   矿鸿操作系统研发及应用

神东公司生产控制系统来自1 370多家供应商，涉及10余类操作系统和500多种通信协议，160多种芯片分布在主控器、遥控器、输入输出模块、变频器与计算机上，数据难以整合。为打造统一标准、统一架构的煤炭工业互联网生态链，2021年5月，神东公司联合华为设立创新课题18个、子项目21项，经500多人联合攻关，在2021年9月14日共同发布了专门为智慧矿山使用的矿鸿操作系统。

矿鸿操作系统开启了“智能化生产、数字化运营、平台化发展、生态化协作、产业链协同”的发展新格局。第一个国产矿用操作系统也由神东正在走向世界。

5.3.1   矿鸿操作系统的技术创新

矿鸿操作系统为煤矿装备和传感器提供统一的接入标准和规范，通过统一接口、统一数据标准简化矿山人机互联、机机互联，解决了煤矿设备自主可控、安全可信的技术难题。

1）矿鸿组件实现了模块化设计，只需一个矿鸿组件即可覆盖从KB→MB→GB级设备。

2）矿鸿系统实现了从人机互联、机机互联到万物互联。系统利用软总线技术，可实现终端设备一对多快速发现与互联，针对不同场景提供低时延、高吞吐与多径容灾的能力。

3）矿鸿系统统一数据接口和标准，打破了信息孤岛，为井下各生产系统互联提供统一语言，构建煤炭工业互联网底座，支撑了煤矿智能化建设目标。

4）矿鸿系统采用分布式数据管理技术，实现资源动态交互。

5）矿鸿系统是100%自主可控的国产操作系统，可替换现有嵌入式系统，适用于煤矿各类装备厂家与传感器厂家。

5.3.2   矿鸿操作系统使用现状

目前“矿鸿操作系统”已经在神东公司8矿1厂52类3317台套设备中部署，全面应用于综采、掘进、主运输、辅助运输、供电、供排水、通风与灾害预警、监测监控与人员及设备定位等系统中。综采工作面一体化矿鸿APP已在神东公司井下普及，工作面巡检人员通过手机终端的APP可以与矿鸿电液控制系统及其他综采设备建立连接，可以实时监测与控制采煤机、泵站、“三机”等设备运行，实现了综采工作面全设备互联、全网段监管与一体化操控（图45）。一个智能化矿井群的“超级工程”正在实现。

图  45  矿鸿系统适配设备

Figure  45.  Matching equipment of Mine Harmory OS

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5.4   亿吨矿区数字化集中管控系统建设与实践

神东公司在煤矿生产运营规模化、集约化和现代化建设方面积极探索、大胆创新，为解决区域内多矿间生产计划协同、资源共享等问题，建立一个面向五矿六井的亿吨矿区中央生产指挥中心（图46）。该亿吨指挥中心能够实现区域内全部煤矿的集中控制、数据的集中存储与关联分析、集成展示和生产系统优化排程，确立了新的煤矿生产运营管理模式和专业调度体系。“亿吨矿区数字化集中管控技术研究与示范”成果2020年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

图  46  亿吨矿区中央生产指挥中心

Figure  46.  Central production command center of 100 million ton mining area

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5.4.1   亿吨矿区数字化集中管控系统主要技术创新

1）建设亿吨级区域中央生产控制指挥中心。利用区域优势，把大柳塔矿、补连塔矿、上湾矿、哈拉沟矿和石圪台矿集中起来，建立一个面向五矿六井的亿吨矿区中央生产指挥中心。利用区域矿井“采掘机运通”系统集中监控，打通“人机料法环”五要素，实现生产准备、机电安装、搬家倒面及设备维护检修等队伍快速合理调配，平均日产28万t，最远控制距离达到30 km。实现了全矿区生产指挥流程再造与排程优化，为管理决策提供支撑。

2）攻克矿区一张图集成管理平台和关键技术。开展联合研发，攻克了一张图动态更新的系列化核心技术，实现了神东矿区多专业矿图集成（图47）。通过网络、计算机客户端、手机及平板电脑等移动设备随时在系统中进行浏览、查询、分析与编辑操作，实现矿图数据的共享和动态实时更新。将三维全景图像技术与煤矿GIS深度融合，实现井下三维实景与GIS集成展示。

图  47  矿区一张图管理系统

Figure  47.  “One Map”management system in mining area

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3）建设高度安全的亿吨矿区生产控制万兆环网。在原井下传输设备网的基础上建设“一网一站”，结合各独立网络融合形成一张新的矿井生产主备网络。采用井下万兆环网与千兆支网链接架构，保证数据传输效率。采用MPLS隧道技术，通过多协议标签交换，实现异构网络融合。

4）制定了煤矿设备数据通信标准。为整体解决矿山机电设备通信协议杂乱无标准、数据格式和功能定义不统一与远程控制安全性无保障等问题，研究了“矿山EtherNet/IP通信协议标准化技术”，制定了《矿山机电设备通信接口与协议》企业标准，包括总则、对象库、采煤机行规、液压支架行规与组合开关行规等11个部分。

5）形成了多种管控模式于一体的理论体系与技术构架。对于长期困扰煤炭行业分散控制、数据标准不统一与信息孤岛等难题^[40]，进行了专题探索与研究，为适应矿区多种生产控制指挥模式的需要，本着灵活并用的原则，形成了集中央管控、分专业或分区域与分矿井等多种管控模式于一体的理论体系与技术构架。

5.4.2   亿吨矿区数字化集中管控系统建设成效

系统自2015年整体运行以来，控制范围达621.8 km²，实现了云监测、远程控制、关联数据分析、关联控制、辅助决策、诊断和智能报警等功能。

主要成效有以下6个方面：①减员提效，用自动化手段减少井下作业人员600余人，节省了人工成本，提高了生产工效；②降本增效，通过自动化手段控制设备空转时间，降低了设备损耗和能耗；③提高安全管理水平，减少井下作业人员，降低了煤矿发生事故的概率；④区域煤矿集中控制系统、煤矿一体化矿图和“一网一站”等新技术，有效提高了矿井自动化、信息化与智能化水平；⑤自主开发了一体化生产管控平台，已成功推广应用于寸草塔矿、寸草塔二矿、布尔台矿、榆家梁矿、乌兰木伦矿、保德矿、柳塔矿和补连塔选煤厂，完成560个设备矢量模型，3659个页面和116项功能模块研发，实现了矿井各系统的监测和控制，有效推进了神东公司智能化矿山建设；⑥形成了神东生产数据仓库，目前已覆盖13矿14井1选煤厂25735台套设备，803536个测点的数据采集工作，存储测点数据同比上涨177%，在用测点同比上涨287%；累计存储数据3.43万亿条，日数据增加58.736 2亿条，数据同比增长300%。

5.5   井下智能机器人研发与应用

神东公司依托煤矿智能化创新联盟、科研院所与主要煤矿装备供应商，全面开展煤矿机器人研发及应用工作。目前已经推广应用了综采工作面智能巡检、主运输智能巡检、水仓清淤与辅助搬运等13种机器人。

5.5.1   综采工作面智能巡检机器人

综采工作面智能巡检机器人（图48），以电池供电驱动沿刮板输送机电缆槽外侧轨道移动，搭载各类传感器、惯性导航与三维激光扫描等装置，可完成对综采工作面直线度、水平度检测，实现对工作面精确定位、点云扫描与采煤机运行状态的快速巡检，通过无线通信网络将数据实时传输至集控中心，首创了工作面采场空间环境的“智能化感知”。

图  48  综采工作面智能巡检机器人

Figure  48.  Intelligent patrol robot for fully-mechanized mining face

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综采工作面智能巡检机器人的使用，彻底改变了综采工作面人工巡检作业模式，每班减少1～2人，提高了巡检速度，可快速到达预定地点。智能巡检机器人替代人工巡检可有效解放危险区域作业人员，对综采工作面安全生产起到了积极推动作用，开创了综采工作面“机器人代人巡检”的应用先河。

5.5.2   主运输智能巡检机器人

主运输智能巡检机器人（图49）驱动系统配置防爆电机，带动机器人在输送机正上方布置的钢丝绳上往复运动；传动系统将电动机的动力传递到驱动绳轮上；配重系统对驱动系统和传动系统的偏重进行平衡，保持巡检机器人在钢丝绳上的平衡运动。该巡检机器人具有环境数据监测、数据显示及可视对话等13项功能，可代替巡检人员对高危部位进行检测，降低了工人的劳动风险与劳动强度。利用后台大数据分析算法，可以智能判定输送带打滑、跑偏与托辊卡死等故障，从而确保主运输系统安全，提升整体运行效率。

图  49  主运输巡检机器人

Figure  49.  Main transportation inspection robot

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5.5.3   锚杆支护机器人

为提高掘进工作面支护效率，实现巷道顶锚全自动支护，研发了国内首台煤矿高效自动锚杆支护机器人（图50）。该机器人可实现锚杆自动间排距定位、自动钻孔、自动安装锚固剂和锚杆、自动锚固与自动铺网等功能，并可实现远程遥控操作。

图  50  煤矿高效自动锚杆支护机器人

Figure  50.  Efficient automatic bolt support robot for coal mine

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煤矿高效自动锚杆支护机器人结构紧凑，机身宽度仅为1.3 m，设有可升降工作平台和可旋转的回转工作台，依据不同的巷道断面，可以调整操作人员的作业位置，提高操作人员的舒适性。锚杆支护机器人施工1排6根顶锚杆，作业人数由原来4人减为1人，时间由20 min减少到8 min，掘进效率提高3倍以上，每个掘进队可减少锚杆支护工9人，达到了减人增效的目的。

5.5.4   智能自动喷浆机器人

为提高喷浆支护效率，开发了一款新型智能喷浆机器人HPSZ2006（图51）。机器人总长7.4 m，最大喷射高度6 m，前方最远喷射距离8 m，最大喷射宽度11 m，向下深度3.5 m，最大遥控距离100 m。

图  51  HPSZ2006智能自动喷浆机器人

Figure  51.  HPSZ2006 intelligent automatic shotcrete robot

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智能自动喷浆机器人于2018年7月投入使用，是世界首台全智能湿式矿用混凝土喷射机。对井下巷道进行3D扫描、自动生成巷道模型，能够自动定位、路径规划、智能喷射、自动修正，实现高质、高效与精准的全智能化湿式喷浆作业，提升湿喷支护作业的安全性和高效性。原干式喷浆工艺每班最大喷射量9 m³，而智能自动喷浆机器人最大喷射量可达40 m³，相比原工艺可节约材料成本20%以上。

5.5.5   神东公司其余智能机器人

1）变电所智能轨道巡检机器人。该型机器人（图52）具备自检、定时巡检、遥控巡检及设备异常状态追踪等功能，可实现对巡检场所的环境检测、高清视频自动采集、供配电设备壳体温度探测、操作员人脸识别停送电、语音对讲及对机器人远程接管等多项功能。变电所智能轨道巡检机器人自2019年9月在大柳塔矿五盘区变电所部署应用，累计完成自动巡检、遥控巡检与电力故障追踪等任务3 600余次。

图  52  智能轨道式巡检机器人

Figure  52.  Intelligent rail type inspection robot

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2）水泵房智能轮式巡检机器人。该型机器人（图53）可对泵房的甲烷、一氧化碳、氧气和硫化氢等环境气体实时监测。可对泵房仪器仪表、球阀、电动阀开停状态及管道跑冒滴漏进行巡检检测识别。通过红外热成像对泵房泵体、电缆、电动机与各类阀温度进行自动识别；通过拾音器对现场离心泵运行异常声音进行监测；可实现双向对讲功能。

图  53  水泵房智能轮式巡检机器人

Figure  53.  Intelligent wheeled inspection robot for water pump house

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3）智能拣矸机器人。该型机器人利用射线智能识别煤和矸石（图54），通过对物体成像的灰度、形状比例等信息分析判断，能够拣出形状规则和大小适中的矸石，再通过三维机械抓手拣矸，解决了选煤厂原煤仓至主洗车间煤流中人员拣矸效率低、拣出率低的问题。智能拣矸机器人在大柳塔选煤厂使用，矸石拣出率超过90%，比人工提高30%，矸石误拣率低于5%，一套智能拣矸机器人可减少5名拣矸人员，实现了“机械化减人、自动化换人”的应用目标。

图  54  人工智能煤矸分选机器人

Figure  54.  Artificial intelligence coal gangue sorting robot

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4）管路抓举机器人。该型机器人（图55）由动力、传动、电气与行驶液压等系统组成，通过模仿人手和臂的抓、举、伸、让、转与对等动作，可靠稳定地抓取大型物件，具有功能全面、安全性能好与工作效率高的特点，实现了井下管路安装的自动化作业。管路抓举机器人自2017年7月在神东公司，先后在大柳塔矿、锦界矿、补连塔矿和布尔台矿等矿井进行作业，累计安装各类型管路8万多米，取得较好应用效果。以DN400管路为例，由原来每班8人平均安装20根提升至每班6人平均安装30根，人均效率提高了1.5倍。

图  55  GZC1.5-500K 防爆型管路抓举机器人

Figure  55.  GZC1.5-500K explosion-proof pipeline grab robot

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5）预埋孔钻进机器人。该型机器人（图56）在煤矿巷道和隧道管路安装作业中，可减少员工人数、提高施工效率。预埋孔钻进机器人自2017年7月以来，先后在锦界矿、补连塔矿和布尔台矿进行作业，累计完成各类型钻孔4万多个，以直径180 mm水钻眼为例，由原来每班平均10个孔提升至平均25个孔，效率提高2.5倍。

图  56  CMG 1-20TK 预埋孔钻进机器人

Figure  56.  CMG 1-20TK embedded hole drilling robot

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6）全液压掏槽机器人。该型机器人（图57）整机全液压驱动，通过自行移动、顶底两帮不同方位的掏槽作业方式，取代了以往掏槽多数采用“刨锤+风镐”方式，解决了传统掏槽方式施工效率低、用人多、安全隐患大的问题。实践表明，全液压掏槽机器人高2.4～4.5 m，在此范围内的巷道中可实现密闭槽开切，一次性成型，能完成人工施工难度最大的顶槽开切和大深度帮槽开切，开槽效率提高8倍以上。

图  57  KC-29/45全液压掏槽机器人

Figure  57.  KC-29/45 full hydraulic cutting robot

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7）水仓清淤机器人。该型机器人（图58）可以实现远程控制的高效水仓清挖，保障了煤矿井下水仓清仓作业人员的人身安全，杜绝了安全隐患。以前水仓清理需要用1台装载机、4台工程车、并配备6名员工配合清理，1天内最多能清理80 m³淤泥，使用水仓清淤机器人以后，1个班至少清淤100 m³，提高了劳动效率，降低了劳动强度，煤泥直接通过输送带进入煤流系统，省去了煤泥运输环节，减少了人力、物力的投入。

图  58  水仓清淤机器人

Figure  58.  Silt cleaning robot for water sump

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8）危险气体巡检机器人。该型机器人（图59）由本体结构、检测、导航与视觉识别等系统构成，能够实现危险气体检测、视频监控、机器人自检、无线遥控、权限分级与雷达导航等功能。大柳塔矿于2021年9月完成“探险者”型危险气体巡检机器人的研发并投入应用，可实时获取井下瓦斯、一氧化碳和二氧化碳环境信息与本体状态信息，避免了人员在巷道巡检恶劣环境中长时间工作，有效降低潜在风险，充分体现“生命无价”的理念。

图  59  危险气体巡检机器人

Figure  59.  Dangerous gas inspection robot

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9）辅助搬运机器人。该型机器人（图60）由机器人本体、吊装机构、行走机构、液压泵站与遥控等系统组成，机动灵活，适合在狭窄处作业，整车柴油机驱动液压泵，通过性强，稳定性高，主要用于采掘工作面倒运3 t以下材料或配件。辅助搬运机器人于2022年2月在补连塔矿调试成功并投入使用，使用辅助搬运机器人替代人工进行搬运工作可以节约2～3个人力，工作效率提高30%以上。

图  60  辅助搬运机器人

Figure  60.  Auxiliary handling robot

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6.   神东公司安全管理技术与实践

安全是煤矿生产的永恒主题，神东公司自创建以来始终把安全放在首位^[41]，积极构建安全风险预控管理体系，实现了以风险预控为核心，以PDCA闭环管理为运行模式的一种科学、系统与可持续改进的安全管理体系。下面从矿井长周期安全管理、矿压安全防控与灾害治理体系等方面展开论述。

6.1   矿井长周期安全管理技术与实践

矿井安全生产是保证企业经济效益和员工生命财产安全的重要前提，神东公司充分吸收和借鉴国内外安全管理经验^[42]，2007年开始推行安全风险预控管理体系。在15年的实践中，注重守正出新，构建了严于行业标准、要素完备、职责明确、全员参与、过程控制、运行高效与持续改进的管理体系，形成了聚焦一条主线，突出3个重点，强化五项举措的“135”工作法（图61），参与起草了国家行业标准《煤矿安全风险预控管理体系规范》（AQ/T 1093—2011），完成了《煤矿本质安全管理体系》国家重大科研项目。

图  61  “135”工作法

Figure  61.  “One Three Five” working method

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“135”工作方法是神东矿井长周期安全管理实践的核心。“1”是指聚焦安全风险预控管理体系这条主线；“3”是指突出风险分级管控、隐患排查治理和人员行为管控三个重点；“5”是指强化安全监察机制改革、安全绩效考核、安全生产责任追究、安全生产标准化和安全信息化建设5项举措。

6.1.1   聚焦安全风险预控管理体系主线

矿井长周期安全管理实践以安全风险预控管理体系为主线抓顶层设计，把安全管理的全部要素纳入到体系化进行统一管理，坚持目标导向，明确安全管理“管什么、谁来管、怎么管”的问题。具体依照“搭框架、立规矩、明职责、定标准、建平台”的思路展开。

目前安全风险预控管理体系确认岗位责任1108项，实现了重要岗位全覆盖；制定了适用于27个实施单位的15类22036条安全检查标准。

6.1.2   突出矿井安全管理的3个重点环节

为抓好现场管理，有效切断事故发生的因果链，预防事故的发生^[43]，神东公司在安全管理中突出安全风险分级管控、事故隐患排查治理与人员行为管控3个重点环节。

1）构建点、线、面风险管控网络，实现管控网络体系全覆盖。对矿井展开系统、设备、区域与岗位的风险辨识评估和分级管控，构建横向到边、纵向到底、交织成网、不留死角的动态风险管控网络，解决传统安全生产过程中“认不清、想不全、管不到”的突出问题，加强源头管控，实现安全关口前移。

2）深入开展事故隐患排查治理，突出隐患排查治理成效。公司与业务保安部门签订《重大隐患整改责任书》，紧盯重大隐患治理；构建公司业务部门、单位、区队、班组和岗位的5级隐患排查机制，保障隐患排查全覆盖；鼓励基层单位自主排查、主动治理隐患，突出排查治理成效。

3）深入分析煤矿安全生产中的不安全因素，严把“预防关、引领关、真实关、关注关、治理关与分析关”6个关口。

6.1.3   强化五项重点举措提高安全管理效果

1）深入推进安全监察机制改革，提高安全检查效率。实现了“下到上、事到人、术到法”的3个监察方向转变，把“单位主体责任、业务保安责任、业务保安协同责任、安全协管责任和安全监察责任”等5项责任落到实处。

2）充分发挥绩效考核的指挥棒作用，实现了由结果到过程、由隐性福利到考核工具的根本转变。通过典型问题连带助理级以上领导、重复问题连带单位第一责任人、承包商和专业化服务单位问题连带被服务单位考核的方式，强化了主体责任考核。

3）大力开展安全生产责任追究，压紧压实了安全生产责任。明确了65个二级单位（部门）的1702项责任追究情形，确保了责任追究有理可依、有据可查，做到“问事必问人、问人必问责”，压紧压实了安全生产责任。

4）深入推进安全生产标准化建设，提升安全管理的整体水平。开展创建企业达标、专业达标、岗位达标与亮点工程等多项管理提升活动，激发了基层活力，推进了安全工作在广度与深度方向的发展。

5）发挥安全信息化支撑作用，提高安全风险管控的信息化水平。从2007年开始，研发了具有自主知识产权的安全管理信息系统，实现了全要素的安全信息化管理，提高了安全风险管控的效率与水平。

神东公司矿井安全风险预控管理体系推广与应用15年来，百万吨死亡率始终控制在0.005以下，并实现 2016年全年零死亡、2018年和2019年连续2年安全零死亡，连续安全生产975 d。在神东公司13个矿井中，8个煤矿安全生产周期超过10年，其中补连塔矿最长安全生产周期超过20年。

6.2   矿压控制与顶板灾害预警技术与实践

矿压问题一直是制约煤矿安全生产的重要因素之一。采场上覆岩层的“切落体”结构使顶板在运动阶段矿压显现强烈，受大采高高强度开采影响，部分区域矿压显现明显^[44-46]，神东公司在矿压控制技术研究与动态高效矿压预警智能云平台建设方面做出了特色。

6.2.1   矿压控制技术研究与应用

针对神东矿区矿压问题，开展了定向长钻孔分段水力压裂、泵送支柱支护综采工作面空巷顶板与深部区强采动巷道及采场围岩控制等多项科技攻关（图62）。

图  62  矿压控制措施

Figure  62.  Mine pressure control measures

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1）定向长钻孔分段水力压裂技术。神东公司针对其矿压显现特点，对工作面顶板厚硬大面积悬顶、上覆采空区遗留煤柱、工作面冲刷异常地质体与煤层厚硬夹矸层等高应力集中区域，利用定向长钻孔分段水力压裂技术展开主动防治^[47]（图63），有效减弱上覆岩层的动载效应，促使厚硬顶板岩层在采动作用下小步距周期性垮落。

图  63  定向长钻孔分段水力压裂示意

Figure  63.  Directional long borehole segmented hydraulic fracturing diagram

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定向长钻孔分段水力压裂技术具有时间上超前回采施工、空间上定向精准控制的特点。该技术利用单孔多段压裂施工，可有效弱化厚硬顶板，降低回采过程中悬顶面积和来压强度，促使顶板高应力集中区能量提前释放，实现了强矿压灾害超前治理。目前该技术已经在神东矿区大范围推广应用。

2）泵送支柱治理综采工作面过空巷群技术。针对神东矿区综采工作面过大断面空巷群矿压显现剧烈的问题，在深入研究了综采工作面空巷群区域矿压显现特点及规律基础上，揭示了空巷群顶板和煤体失稳破坏机理^[48]，提出了柔模支柱支护快速安全过空巷区的开采方法；研发了一种新型高强、阻燃、抗静电的金属骨架纤维膜复合结构双层柔性模袋和泵送浆液支柱材料（图64）；采用了“空巷柔模柱支护+锚索补强”的大断面空巷群耦合支护技术。

图  64  泵送柔模柱过空巷现场应用效果

Figure  64.  Field application effect of flexible mold column on circular table through empty roadway

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工作面过空巷采用采煤机直接切割泵送支柱的方案，现场使用“硫铝酸盐水泥熟料+石膏与石灰粉”为主要材料的改性混凝土构筑支柱，该材料能满足混合前不凝固，混合后5～15 min完全固化，1 h的强度达到8～15 MPa。实践证明，泵送支柱硬度与实体煤相近，易于切割，当采煤机截割支柱达直径的2/3时，支柱才发生失稳垮塌，满足了综采工作面过空巷的安全技术需求。

3）高应力大断面巷道支护技术优化。为解决神东矿区深部开采过程中巷道围岩变形严重的问题，转变支护理念，系统地对各类巷道支护参数进行了修订，引进ø28.6（19芯）锚索替换ø22（7芯）锚索，在受采动影响前一次性对受两次采动影响的两巷顶板及两帮进行主动支护。现场实践表明，补强支护后巷道支护强度大幅提高，巷道的帮顶情况较好，冒顶片帮现象大幅减少，不需要采取二次补强支护。

4）其他矿压控制技术。除上述技术外，还有多项矿压控制技术在神东矿区取得成功应用，如对深部区强采动巷道围岩支护，采用强采动巷道围岩“卸压−锚固”一体化治理技术；在巷道内超前施工大直径卸压钻孔，有效降低应力集中程度；应用“浅孔水力压裂+液压破顶+退锚杆（索）”技术，治理了工作面两端头长时间悬顶、大面积悬顶问题^[49]；使用CT-2型超声波围岩裂隙探测仪在巷道煤柱帮施工松动圈测试钻孔，确定了两巷整体围岩松动圈范围；提高工作面液压支架工作阻力，有效缓解了工作面的冒顶、片帮；采用超前支架替换单体支护，实现了辅运巷超前管理的本质安全。

“神东矿区深部开采灾害预测与防控基础研究及关键技术”成果2020年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

6.2.2   神东矿区主要压架事故类型的分析及防控

神东矿区受浅埋深、超大工作面及高强度推进的影响，部分采煤工作面出现压架集中现象。压架集中表现为支架活柱急剧大幅下缩、顶板切冒与地表台阶裂缝，压架事故经常在近距离煤层重复开采出上覆遗留煤柱、近距离煤层重复开采过地表沟谷地形及7.0 m以上特大采高综采关键层“悬臂梁”结构失稳等3类典型条件下发生。神东公司联合中国矿业大学等科研院所，深入展开压架事故类型、机理及防控措施研究，取得了较好的应用效果。“神东浅埋煤层高强度开采压架防控关键技术”成果获2022年中国煤炭工业协会科学技术一等奖。该技术主要创新如下：

1）首次提出了神东浅埋煤层关键层的结构分类（单一关键层与多层关键层），掌握了高强度采煤引起的关键层结构失稳特征，为解决3类典型条件下的压架机理与防控奠定了理论基础。

2）揭示了近距离煤层采出上覆岩层煤柱关键层结构失稳致灾机理，首创了调控煤柱上方关键块体“倒三角”结构运动防控压架的技术体系（图65），采用煤柱边界预掘空巷、预爆破及煤柱上方关键块体预爆破强放等防控技术，解决了神东矿区长期频繁面临的出煤柱压架难题。

图  65  “倒三角”结构相对回转运动致灾过程

Figure  65.  Disaster process caused by relative rotation of “inverted triangle” structure

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3）揭示了沟谷地貌侵蚀覆岩主关键层诱发采场压架和地表台阶切落的作用机理，提出了以控制主关键层结构稳定为目标的压架防控技术体系，实现了神东沟谷地形下的安全开采。

4）揭示了特大采高综采覆岩关键层“悬臂梁”结构运动诱发贯穿式冒顶与压架的作用机理，提出了维持“悬臂梁”结构稳定的压架防控关键技术，杜绝了7.0、8.8 m等支架综采工作面顶板切冒与压架的发生。

神东公司多年来在大柳塔矿、补连塔矿及上湾矿等10个矿井近50个综采工作面推广应用该压架防控技术，扭转了3类典型条件下频繁压架的不利局面。

6.2.3   动态高效矿压预警智能云平台建设

神东公司矿压数据源集成信息多、技术指标复杂、预警阈值迥异，缺乏能够实时响应决策的矿压分析预警系统。神东公司基于异构数据库融合、微服务应用架构、云边协同运算等技术，构建了企业级“生产数据仓库”，研发了集多源数据实时辨识、信息逻辑推理、动态安全风险智能评估和分级高效预警的智能防控平台，实现了安全隐患早判别、早排查、早防控，有效提升了企业管理的应急反应能力。“神东矿区矿压大数据智能分析及预警技术研究与应用”成果2021年获中国煤炭工业协会科学技术二等奖。

矿压智能预警云平台达到了国内领先水平，特色如下：

1）搭建了神东公司企业级生产数据仓库，保证瞬时海量数据的存储与提取。通过对13矿14井的数据分析，提出了数据层次化、层次模型化与模型固定化的思路，实现了高性能数据存储、多维度立体化数据维护，解决了目前大数据采集和分析遇到的数据压力大、数据采集崩溃、数据分析慢的问题。目前生产数据仓库已经对神东公司在产矿井全覆盖，软件国产化率达到100%，涉及采掘机运通60万个数据测点（图66）。截至2022年7月，持续采集2.6万台设备数据1 068 d，累计存储数据3.68万亿条，未来数据量至少是现在的10～100倍。

图  66  生产数据仓库监控界面

Figure  66.  Production data warehouse monitoring interface

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2）使用微服务应用架构、异构数据库融合技术，提高了神东公司矿压预警云平台数据处理与响应速度。目前，神东数据库在云平台上构建微服务应用架构，基于私有云、虚拟化技术和容器技术对现有基础设施资源进行统一管理、合理分配，形成更加合理易用的IT基础设施服务层，其数据分析性能比国际主流技术提升10倍以上。

3）使用云边协同计算技术，使云平台数据分析具有高效率、低延时与快速响应等特性。基于私有云、边缘计算和微服务等技术，采用中心云、边缘云和生产网终端形成“云边端三体协同”的端到端技术架构，实现云计算+边缘计算+边缘数据库在矿井智能化建设中的应用。

4）构建了矿压灾害安全监控远程预警快速响应智能防控技术体系。以多源数据库高效动态预警智能云平台为基础，制定了一整套矿压数据标准编码体系，集成了5级矿压评判指标，实现了集矿压实时云图展示、来压分级管理、步距分析和快速响应预警等30余项功能（图67），及时下达支架管控反馈指标，切实提升了支架初撑力监控和来压预警的准确性，有效指导了矿井综采工作面治理。

图  67  矿压大数据智能分析界面

Figure  67.  Intelligent analysis interface of rock pressure big data

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上述研究成果已在神东矿区运行2年以上，有效保障了矿区安全高效生产，为实现矿井长周期安全管理提供了重要技术保障。

6.3   灾害治理技术体系

水、火与瓦斯也是制约煤矿安全高效开采的关键因素。神东公司所属矿井基本都开采易自燃煤层，面临火灾威胁；部分矿井存在水灾与瓦斯隐患，如锦界矿是典型的富水矿，保德矿为高瓦斯矿井。

6.3.1   锦界矿水灾防治成套技术体系

锦界矿是神东矿区典型的富水矿，其在十几年的建设与生产过程中不断探索和总结，从“探、防、堵、疏、排、截、监”各项措施进行分析研究，逐步形成了一套完整、有效的水灾防治关键技术体系，具体包括采前安全评价、矿井水害分区与水的资源化利用和应急保障等9项关键技术。

1）采前安全评价技术是指在综合分析矿井及工作面水文地质条件、充水条件的基础上，对工作面回采时发生水砂溃涌的可能性进行分析，对已采取疏放水的工程进行效果评估，并对矿井涌水量进行预测，依据预测结果对工作面排水能力进行评价。

2）矿井水害分区技术，采用评价煤层顶板涌突水条件的“三图法”进行煤层顶板水害综合评价与分区。该方法可以对煤层顶板的充水水源、充水通道及充水强度进行预测评价。该方法可以把全矿井划分为相对安全区、较安全区、危险区及较危险区。

3）水文动态监测技术，通过地面水文遥测、地面水位长期观测、井下水文监测与采空区积水水位变化观测，实现了对积水区水位、水温、水压、水量及其变化规律的实时监控。水文在线监测系统具有数据存储、分析和发布的功能，并利用大数据分析手段实现水害超前预报。

4）其他技术。除以上技术外，还有水文地质综合探查、超前疏放截流、综合防排、涌水量提前预测和水资源化利用等技术。

锦界矿十多年来，无重大水害事故发生，证明了神东公司安全管理体系的有效性。

6.3.2   火灾防控技术体系

神东矿区煤层自然发火周期不等，最短发火期仅为33 d。矿井采掘机械化程度高，电气设备多、功率大且电压等级高，热源和可燃物管控难度较大。受周边小煤矿开采影响，部分矿井的周边小煤矿已出现发火迹象，严重威胁矿井安全^[50]。

针对矿区生产现状及特点，在常规火灾防治措施基础上，不断总结内因与外因火灾防治、监测预警和应急处置等经验与做法，积极探索火灾防治新技术、新工艺^[51]。

1）内因火灾防控。煤层自燃是客观现象，为严控自燃隐患，需缩短煤体暴露时间、减少采空区氧气含量、阻隔遗煤与氧气接触等致灾内因。

内因火灾防控措施（图68）：坚持“快掘、快安、快采、快撤与快闭”的防火理念，力保采煤工作面每天推进10 m以上，综采设备搬家时间控制在8 d以内，工作面从贯通停采到封闭不超过15 d；优化工作面布置与掘进工艺，采用无煤柱开采、边角煤综采、连采机双巷掘进与掘锚机单巷掘进等工艺，把联巷间距调整到200～300 m，减少联巷数量，减少采空区漏风；创建“大断面、大风量、低负压与多通道”的通风模式，从系统上实现降“压”减“漏”，优化通风网络；积极落实注浆、注氮防灭火措施，采取地面注浆站（图69）配合大流量泥浆泵快速注浆和井下移动注浆相结合的方式，形成了一套具有神东特色的采空区井上下联合注浆技术体系；加强分区防控，对疏放水采空区、氧气浓度大于7%的已封闭采空区、停限产工作面和气体异常的采空区实施连续注氮，对沿空留巷、漏风相对较大、综放等重点防灭火工作实施常态化注氮，惰化了采空区；开展了易自燃煤层群开采矿井火灾防控关键技术、煤层自然发火标志性气体与煤矿CO₂三态防灭火关键技术及装备等10余项研究课题，为神东防灭火工作提供了技术支撑。

图  68  内因致灾防治技术

Figure  68.  Internal cause disaster prevention technology

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图  69  井上下联合注浆工艺示意

Figure  69.  Schematic of shaft up and down combined grouting process

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2）外因火灾防控。影响煤层自燃的外因主要是管理因素，神东公司对外因火灾防控主要措施有：强化到货验收，严把验收质量关，确保设备、电缆和输送带合格；加强现场管理，加强带式输送机、供用电及电气焊管理，设置智能识别装置、新型托辊、关键地点自动灭火装置、电缆感温火灾预警装置，减少井下电气焊作业等方式，实现现场精细化管理；通过完善设置重要场所、重点部位感温光纤和温度、CO与烟雾等监控传感器，加强安全监测监控系统运行监管及规范应急管理，设置专业队伍，配备专业人员，实现外因火灾防治的监测预警。

6.3.3   保德矿瓦斯超前综合治理与利用

保德矿作为神东公司高瓦斯矿井，瓦斯储量70亿m³。保德矿在瓦斯治理过程中，不同区域采用不同的瓦斯治理模式，创新煤矿井下大区域煤层超长钻进装备、数据传输与测量、轨迹控制及钻进技术、瓦斯定向钻孔超前抽采工艺；研究煤矿井下大区域煤层超长钻孔钻进效率、瓦斯涌出规律、抽采规律、抽采效率等技术，为同类矿井提供了借鉴^[52]。“中低阶煤层瓦斯含量精准测定及可控抽采技术研究”成果2019年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖；“矿井大盘区瓦斯抽采定向钻进技术与装备”成果2020年获中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

在瓦斯利用方面，为了确保矿井安全高效绿色化开采和瓦斯清洁低碳化利用，保德矿在刘家堰和枣林2个区域建成2座瓦斯发电站，装机设计总能力1 200 kW×28台，日发电量13.5万kW·h。在经济方面，自2014年建成瓦斯发电站至2022年8月，保德矿累计抽采标况瓦斯量1.91亿m³，利用1.33亿m³瓦斯发电2.73亿kW·h，累计创造经济效益约1.35亿元；在节能减排方面，保德矿通过瓦斯清洁利用，已累计节约标煤11.7万t，减排二氧化碳达199万t。

保德矿瓦斯超前综合治理体系不但保证了高瓦斯矿井的安全高效开采，而且实现了瓦斯清洁利用，助推了神东公司安全生产的长治久安。

7.   神东公司绿色低碳创新与实践

碳达峰、碳中和“3060”目标开启了低碳新时代。神东公司始终坚持绿色低碳发展模式与技术创新，全面开展“生态矿区、绿色矿山、清洁煤炭”实践，贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略，创建“神东先行示范区”。

7.1   煤炭绿色发展与技术创新

在“双碳”背景下，煤炭企业的绿色低碳转型是高质量发展的必由之路。神东公司立足“双碳”目标，着手于矿区生态修复技术、矿井水保护与利用、煤矸石处置和资源化利用，推进废弃矿山生态修复，提升矿区生态系统固碳能力，实现矿山的资源利用高效化。

7.1.1   矿区生态修复技术

神东公司针对矿区生态修复问题，创新了煤炭开采地表生态环境影响的作用机理及其自修复技术、西部干旱-半干旱煤矿区土地复垦微生物修复技术、中水灌溉的树种长期适应性筛选与驯化技术等。“神东亿吨级矿区生态环境综合防治技术”成果2005年获内蒙古自治区科学技术一等奖。

1）矿区地表生态环境影响的作用机理及其自修复技术。该技术通过研究近地表土壤结构、土壤理化性质和含水率、根际土壤活性及微生物群落组成结构等地表生态环境参数的变化，建立生态环境控制关键因子与指标和综合评价系统，提出了地表生态环境影响规律，发现生态环境具有显著自修复能力。

2）西部干旱−半干旱煤矿区土地复垦微生物修复技术。该技术针对西部缺水煤矿区植物根系损伤严重、植被重建需水量大、土地复垦难的特点，通过对菌根真菌、解磷菌、脱硫菌等微生物最佳作用条件及其协同配比的研究，在煤矿区废弃地复垦中形成了提高植被成活、修复根系、增加水分利用、促进养分吸收、改良土壤结构等微生物修复技术体系，创建了西部煤矿区抗旱微生物菌剂生产与质量控制方法。“西部干旱半干旱煤矿区土地复垦的微生物修复技术与应用”成果2015年获国家科学技术进步二等奖。

3）中水灌溉的树种长期适应性筛选与驯化技术。该技术是在对神东公司4个区域灌溉水质进行标准化分析及所栽植树种成活及生长情况调查基础上，确定灌溉中水水质及存在问题，初步筛选适合中水灌溉条件的适宜树种；系统研究不同灌溉时间下灌溉水中超标物质在土壤、植物根系、枝条、叶中的富集及迁移转化特征，寻找中水灌溉对不同树种的影响规律，从苗木栽培管理、土壤改良及灌溉制度等角度提出中水灌溉条件下的苗木驯化有效措施和技术，最终确定适合中水灌溉的适宜树种。

7.1.2   矿井水保护与处理技术

地下水资源破坏阻碍了环境与社会经济的协调发展。神东公司探索矿井水处理技术，在井下研发建立“充分利用采空区空间储水、矸石过滤净化、自然压差输水”的分布式地下水库^[53]，有效实现水资源保护与利用。“生态脆弱区煤炭现代开采地下水和地表生态保护关键技术”成果2014年获国家科学技术进步二等奖。

1）矿井水处理技术。神东公司针对矿井水处理，创新提出三级处理、三类循环、三种利用的废水处理与利用模式。三级处理是应用煤炭开采地下水保护关键技术，在采空区建成35座地下水库，地面建成28座废水处理厂和41套处理系统进行水质净化处理，处理技术主要有矿井污水采空区过滤净化技术、矿井水改性羟基磷灰石处理技术。矿井污水采空区过滤净化技术是通过矿井废水在采空区和集水区进行过滤、沉淀、吸附与离子交换作用，利用自生矿物生成作用的物理化学过程，大幅减少矿井废水中悬浮物、钙离子及其它有害离子；矿井水改性羟基磷灰石处理技术研究了一种可在中性pH下稳定吸附再生除氟技术^[54]，利用矿井水铁锰、悬浮物、油类等指标偏高特点，对羟基磷灰石（Fe-Ga）吸附除氟工艺进行改性，在除氟前段增加锰砂过滤吸附，保证了矿井水符合属地监管部门的排放标准；三类循环是指分布式地下水库、选煤车间与锅炉房构成废水闭路循环系统，三种利用是指生产复用、生活杂用与生态灌溉实现水的多种利用。

2）煤矿地下水库工程。煤矿分布式地下水库工程以实现水资源地下调蓄、联合调度地表水与地下水为目的，是地下水人工补给−地下储水−人工开采的统一体。神东矿区遵循系统工程思想，通过理论分析、物理数值模拟、物探和钻探与现场工程试验等方法，创建了煤矿地下水库技术体系，建设和运行了煤矿地下水库示范工程，实现了煤炭现代化开采与矿井水资源保护的协调统一。“一种矿井地下水的分布式利用方法”专利2015年获中国专利金奖。

攻克了煤矿地下水库建设技术的基础性难题，包括研究了第四系孔隙水和基岩裂隙水与矿井水关系，建立了井下涌水量预测模型；发明了水库库容确定方法，提出了储水系数的计算方法；研发了地下水库选址方法和评价准则；为水库设计建设提供了理论依据。

研发了煤矿地下水库建设的系列关键技术，包括研究了煤柱和人工挡水坝结构及强度计算模型，提出了坝体结构参数设计方法^[55]；研发了人工坝体切槽组合连接方法，开发了板式和“H”形等人工坝体结构及筑坝方法（图70）；研发了大垂距、高水压与穿越不同煤岩层的水库调运通道建设技术；创新了超大采高、超长推进距离开采工艺，并将多个采空区组合加大储水能力。

图  70  煤矿分布式水库坝体组成

Figure  70.  Composition of the dam body of distributed reservoirs in coal mines

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开发了煤矿地下水库运行“三重保护”安全技术，包括制定了煤层群开采地下水库水体转移，实现水资源储存和煤炭安全开采相协调；发明了地下水库安全监控方法，建立了安全运行预警与控制系统；研发了应对矿震等特殊情况的防洪泄水应急安全设施，保障了水库安全运行。

7.1.3   煤矸石处置与资源化利用技术

神东公司一直遵循以实现煤炭清洁利用为己任，建设清洁煤炭生产基地，正在逐步探索一条“产煤不见煤、采煤不见矸、矸石不外排”的煤矸石治理之路。

1）无岩巷布置技术的源头减矸技术。神东公司源头减矸采用分层开拓、无盘区划分、全煤巷布置与立交巷道平交化的无岩巷布置技术^[56]。分层开拓是指根据煤层赋存和开采技术特征，避开岩巷掘进工程量较大的集中开拓方式，采用各自形成独自生产系统的分层开拓；井田无盘区划分是指从大巷两翼直接布置开采条带，使巷道全部布置在煤层中；工作面遇到断层时，采用快速搬家技术，在断层两侧预先掘出设备撤出巷道与安装巷道，迅速跨过断层。

2）多途径的末端煤矸石处理技术。对于井下产生的掘进矸石，采取“煤矸”置换技术，直接充填井下废巷和排矸硐室，减少地表塌陷。神东公司目前开展了上湾矿、补连塔矿膏体注浆充填、榆家梁矿条带胶结膏体充填、活鸡兔井矸石膏体充填与布尔台矿、保德矿煤矸石覆岩离层注浆充填（图71）等项目，注浆充填量创国内单井最大规模；对于分选过程产生的分选矸石，采取发电、制砖与填沟造地等多途径综合利用^[57]。

图  71  采空区注浆充填示意

Figure  71.  Schematic of grouting filling in goaf area

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神东公司与属地政府及第三方企业合作积极开展制陶粒、制砂与制砖等项目，逐步实现煤矸石分质分级综合利用。

目前，神东矿区周边已建成7座煤矸石砖厂，累计年生产5.4亿块煤矸石砖，年利用神东公司煤矸石约150万t；建设煤矸石制砾石、陶粒及余热供热发电生产线，二期工程全部建成后可年制砾石和陶粒总计400万m³，年减排矸石450万t；大柳塔矿正在积极推进煤矸石制砂项目并已建成投产；利用布尔台矿现有的2 km²排矸场和周围1 km²沉陷区，总规划面积约3 km²，计划开展布尔台矿排矸场光伏发电建设示范项目，实现资源化最大利用。

7.2   生态矿区绿色矿山建设与实践

7.2.1   生态矿区发展实践

神东矿区地处黄土高原丘陵沟壑区与毛乌素沙漠过渡地带，原生环境十分脆弱。地下水资源缺乏，是全国水土流失重点监督区与治理区。

1）“三期三圈”生态环境防治模式。面对脆弱的自然生态环境，结合脆弱自然生态特征与大规模开采影响，创新“三期三圈”生态环境防治模式。

“三期”防治是在采前进行大面积风沙与水土流失治理，系统构建区域生态环境功能，增强抗开采扰动能力；在采中进行全过程污染控制与资源化利用，全面保护地表生态环境，减少对生态环境影响；在采后进行大规模土地复垦与经济林营造，永续利用水土生态资源，提升生态环境效益。

“三圈”按矿区生产与生态的空间特征划分为中心美化圈、周边常绿圈与外围防护圈，三圈由内向外，动态扩展，渐次增强。中心美化圈是指建设森林化厂区、园林化小区12 km²，实现了矿区生产生活环境绿地率达40%以上，植被覆盖率达到了80%以上；周边常绿圈是对矿井周边裸露高大山地，优化水土保持整地技术，建设了“两山一湾”周边常绿林与“两纵一网”公路绿化42 km²，形成了常绿景观；外围防护圈是针对矿区外围流动沙地，优化草本为主、草灌结合的林分结构，形成了276 km²生态防护林，建成了沙漠绿洲。

2）“五采五治”主动型水土保持生态环境建设实践。神东公司摒弃传统煤炭企业“边生产边治理”与“先生产后治理”被动做法，探索出一条以“先治后采、治大采小、采治互动、以采促治、三方共赢”为特征的“五采五治”主动型水土保持生态环境建设之路。

从时间维度上“先治后采”，在开采之前，控制性治理流动沙地103 km²；在开采之中，及时修复了开采对地表局部生态环境的损伤。

从水平维度上“治大采小”，对矿区进行大范围水土保持治理，面积达到514 km²，提升了区域整体水保功能，有效控制了开采扰动对矿区生态环境的影响。

从垂直维度上“采治互动”，针对煤炭开采中矿井水、矸石与煤尘三大主要因素，通过采空区过滤净化、煤矸置换和煤炭采装运全环节封闭等技术，结合地面生态修复，有效保护了地表生态环境。

从资金维度上“以治促采”，开发建设之初，每开采1 t煤提取0.45元专项用于水土保持工作，在全国煤炭系统中率先建立了水土保持资金长效保障机制；2009年以来先后使用水土保持补偿、地质环境与土地复垦保证金等治理费用，形成了以煤业发展促进生态治理，以生态治理保障煤业发展的良性循环局面。

从地企维度上“三方共赢”，神东公司积极推动“政府推动、农民受益、企业履责”的治理思路，在生态治理的基础上，大力建造经济林，形成了良好的政府、农民与企业三方的共赢局面。

3）神东公司生态矿区建设成效。开发建设30余年来，累计治理面积达514 km²；构建了山水林田湖草的生态空间结构，以沙棘为主的灌草群落使生态环境向正向演替；植物种类由原来的16种增加到近100种，微生物和动物种群也大幅增加；植被覆盖率由开发初的3%～11%提高到64%；矿区风沙天数由25 d以上减少为3～5 d；创新了“茶园式”沙棘种植模式，种植沙棘30 km² 543万穴，到盛果期预计可实现产值近亿元；神东生态环境建设为增加属地农民收入与变革沉陷区产权模式奠定了坚实的基础，有力推动了区域生态经济与社会协调发展。“荒漠化地区大型煤炭基地生态环境综合防治技术研究”成果2008年获国家科技进步二等奖。

7.2.2   绿色矿山实践

一直以来，神东公司坚决贯彻落实国家绿色矿山建设政策要求，从2010年开始，把绿色矿山建设融入到企业全方位日常经营管理中，开展绿色矿山建设工作，在矿井水、煤矸石、提标治理与光伏产业等方面积极实践，走绿色低碳高质量发展道路，全力建设绿色矿山。

矿井水利用与处理方面。目前，神东公司矿井水产生量25.9万m³/d，复用量为16.9万m³/d，排放量为9.08万m³/d。

煤矸石等无害化处理及资源化利用方面。加快推进保德矿、布尔台矿、榆家梁矿等矿井煤矸石覆岩离层注浆或井下充填项目以及《矿井群矸石安全高效集中充填技术与装备研发及工程示范》井下充填项目。计划在补连塔矿推进创建“基于无害化的煤矸石土地整治与复垦技术研究与工程示范”科研项目。

提标治理方面。神东公司所属矿井水满足环评批复的《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426—2006），正在按政府要求的《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类进行提标治理。

光伏产业方面。光伏产业是助力结构节能的重要手段，2021年，神东公司大力发展光伏项目，全面推进神东公司向可再生能源转型发展，重点在陕蒙区域矿井沉陷区、复垦区与工业区发展光伏项目。目前，神木区域矿井已全部实现非采暖季太阳能洗浴，减少煤炭使用量和污染物排放量。

经过多年的努力，截至2022年，神东公司13矿14井均已达到绿色矿山基本建设标准，其中8座国家级绿色矿山，6座内蒙古自治区绿色矿山。上湾矿2011年被认定为全国首批37家国家级绿色矿山试点单位之一；大柳塔矿、布尔台矿、保德矿等8个矿井2019年纳入了全国绿色矿山名录；乌兰木伦矿等6个矿井被纳入内蒙古自治区绿色矿山名录。

7.2.3   清洁煤炭实践

煤炭消费带来的环境破坏，主要是煤炭燃烧污染物排放问题，神东公司在天然煤质好的基础上，进一步洁净煤质，降低煤炭生产能耗。

创新生产各环节节能降耗技术，实现清洁生产。在规模化与集约化生产系统的基础上，大力推行矿井通风全部采用大断面、低负压、大风量，并配备高效通风机，降低通风能耗；采用地面箱式变电站利用钻孔井下供电，减少供电损耗；创新应用变频驱动、自动排水与恒压供水等节能技术，降低生产电耗；积极研发节油型矿用防爆车辆、电动矿用车辆以及油电双动力防爆车，创新钻孔投放物料方法等措施节约油耗。

充分利用电厂余热、供排水水源、回风风源与太阳能等能源，减少污染物排放。采用高效煤粉锅炉取代传统燃煤链条锅炉供热^[58]，安装高效煤粉锅炉21台，较传统锅炉节约煤炭约30%；利用风源热泵和水源热泵替换冬季热风锅炉，解决进风井井口防冻的供热问题，节省原煤消耗、降低运行费用，达到了节能减排的目的。“大柳塔矿白家渠风井回风源热泵项目”成果2017年获中国煤炭工业协会科学技术二等奖。

在新能源技术与装备研发方面，目前主要攻关目标是建成6个工业厂区分布式光伏发电示范工程及1个光伏建筑一体化示范工程；研发6台新能源薄煤层液压支架搬运车；建成1个井下新能源电动车示范化智能充/换电站，实现每天30～50台新能源电动车充/换电能力建设，单车20 min完成1次换电，提升电动车的有效利用率，保障煤矿绿色清洁运输。

7.3   神东先行示范区建设与实践

习近平总书记明确“黄河流域生态环境保护的高质量发展”成为重大国家战略。神东公司着力打造神东示范基地，有序推进“习近平生态文明思想实践创新基地、红色文化品牌和教育基地”示范创建工作。

7.3.1   创建水土保持神东示范基地

在上湾补连塔井田内建设以“三水三力三区”为特征的“水资源保护和利用”神东示范基地。

1）建设红石圈示范区。以生态清洁小流域建设为基础，开展全流域生态自然修复、综合治理、沟（河）道及湖库周边整治，重点创建水力、风力与重力三力侵蚀协同治理典型示范。

2）建设黑炭沟示范区。以水源涵养示范区建设为基础，开展源区、库区和岸线水源涵养林建设，重点创建水资源、水环境与水生态三水协同治理典型示范。

3）建设白家墕示范区。以沉陷区生态治理为基础，开展33 km²牧草产业基地与67 km²樟子松产业基地建设，重点创建生态治理与生态产业协同发展典型示范。

7.3.2   创建水资源保护和利用神东示范基地

以矿井水资源节约集约利用和循环利用为抓手，以提升“水标准”、培育“水优势”与增强“水经济”为目标，在水资源匮乏的毛乌素沙漠边缘创建黄河流域大型煤炭生产基地、水资源保护利用示范基地，力争在水资源节约集约利用、矿井水资源化利用、水环境自净能力提升、水生态功能修复和水生态产品质量提升等关键技术和关键环节实现突破并形成示范，在新发展阶段构建矿区水资源利用、水生态保护与水经济发展的新格局。

7.3.3   创建“山水林田湖草沙”神东示范基地

在大柳塔、哈拉沟、石圪台集中连片井田区域建设以“要素系统、技术系统、产业系统”为特征的“山水林田湖草沙”神东示范基地（图72）。

图  72  “山水林田湖草沙”神东示范基地

Figure  72.  “Mountains, rivers, forests, farmlands, lakes, grasses and sand” Shendong demonstration base

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1）创建要素系统。重点突出山水林田湖草沙七大要素，重点打造采矿山森林、矿井水涵养、经济林营造、农牧田复垦、湿地湖修复、荒漠草保护和流动沙防护等七大示范区。

2）创建技术系统。重点突出地质环境保护、土地复垦、水土保持、林业建设、园林绿化、节能低碳、环境保护、绿色产业与科研科普等技术系统，重点打造生态科技园、生态植物园、生态监测园、地环措施园、复垦措施园、水保措施园等六大科研科普示范园。

3）创建产业系统。重点突出能源、生态、文化产业的系统性，重点打造沙棘生态、旱作农田、矿井水资源化利用、矸石资源化利用、生态旅游与清洁能源等六大产业，建立“政府主导、神东治理、专业开发、村民受益”的四方共赢治理合作模式。

7.3.4   创建“绿水青山就是金山银山”神东实践创新基地

按照生态环境部“绿水青山就是金山银山”实践创新基地建设管理规程，在布尔台区域建设以“现代能源+生态治理+生态产业+X”为特征的“绿水青山就是金山银山”神东实践创新基地（图73）。

图  73  “绿水青山就是金山银山”神东实践创新基地

Figure  73.  “Lucid waters and lush mountains are invaluable assets” Shendong practice innovation base

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1）现代能源，重点突出生产清洁煤炭、煤炭清洁利用和新能源开发，重点打造区域煤水电热、采煤沉陷区风光氢储能、矿井水循环利用与矸石深度利用等产业链条。

2）生态治理，重点突出地质环境、土地复垦、水土保持、植被建设与矿井水利用综合治理技术，重点打造沉陷区生态修复、沟壑区水保综合治理、煤矸石复垦造地与矿井水生态灌溉利用示范建设。

3）生态产业，重点突出生态要素向生产要素、生态财富向物质财富转变，重点打造以沙棘为主体的经济林业、光伏下饲用灌草为主的牧业、以光伏智能温室为主的设施农业、以草养畜的现代化肉牛繁育养殖、以系列生态示范区为主的生态文化旅游等产业。

7.3.5   创建神东低碳矿井

根据《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和国家“双碳”目标要求，神东按示范先行、全面引领的工作思路，以布尔台矿为试点，全力创建以“生产减碳、生活低碳、生态负碳”为特征的神东发展示范矿区。

1）创建生产减碳示范，探索使用“绿色”电力和清洁热力，大力实施沉陷区、排矸场、建筑屋顶分布式光伏发电和储能项目，大力实施生物质、太阳能、地热能供热项目（图74），力争实现生产环节低碳排放。

图  74  光伏基地示意

Figure  74.  Schematic of photovoltaic base

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2）创建生活低碳示范，全面完善低碳生活设施，大力实施建筑保温改造、节能低碳建筑、屋顶光伏发电和太阳能热水、自行车和行人慢行系统建设等。积极倡导低碳生活方式，鼓励冬夏季空调温度限定、低碳出行、低碳办公等，最大限度降低生活中碳排放量。

3）创建生态负碳示范，全面开展生态绿化，大力营造井田范围碳汇林和异地碳汇林，大力提升植被与土壤碳汇能力，全面中和生活、瓦斯排放和矿后活动碳排放量。

8.   神东公司创新驱动发展方向

当前在能源革命和绿色低碳的发展要求下，一方面煤炭发展面临的数字化、智能化、绿色化等一系列难题尚未破解，另一方面，人工智能、量子信息、5G、超算、物联网、区块链等新一代信息技术的广泛发展为煤炭科技发展带来了无限可能^[59]。神东公司持续优化科技创新体制机制，多元化发展创新平台建设，加快构建协同创新平台，加强科技人才队伍培育，加大在矿鸿操作系统、智慧矿山、智能选煤厂、煤矸石处理与利用、生态矿井。

8.1   科技创新体系发展方向

1）完善科技创新管理机制。建立与底线思维和领跑思维相适应的科技创新机制，一是不断强化科研项目管理，激发神东公司创新创造活力，加快推进科技创新高质量发展，全力促进神东公司“二次创业”。二是持续加大科技资金投入力度，提高项目经费管理水平，不断拓宽科技资金来源渠道，建立健全科技费用绩效评价体系，提高科技投入的针对性、科学性和有效性。三是做实做优考核体系，确保考核精准导向，使考核目的由“结果导向”向“过程控制”转变^[60]，引导各单位关注整体成效及价值创造，推动集团公司向战略目标稳步迈进。

2）发挥协同创新平台作用。做强做优研发平台，发挥科研资源优势，充分利用煤矿智能化协同创新平台，聚焦装备创新、深部区开采、冲击地压治理等关键技术难题，构建产学研用创新体系，加快推进智能矿山建设。全方位强化与华为合作，创建联合创新中心，通过应用先进的5G通讯技术和矿鸿系统，不断推进神东公司煤炭产业转型升级，有力践行“能源供应压舱石、能源革命排头兵”的企业使命。

3）加强科技人才队伍建设。做大做强人才队伍，构建高质量发展人才体系，激发创新驱动内生动力。依托重大课题研究，利用国家级研发平台和协同创新中心，不断加强科技领军人才培养，重点推进专业技术人才培养，持续推动职业技能人才培养，加快形成人才资源竞争新优势。优化专业技术人才成长路径，持续开展一级专业师和神东公司专家等高层次专业技术职务的聘任工作，推动三条通道建设取得新进展。多渠道吸纳优秀人才，托举青年科技人才，加快培养“大国工匠”，构筑企业“人才高地”，为神东公司高质量发展汇聚磅礴人才力量。

4）提高科技成果转化能力。做精做细项目管理，推动成果转化升级，加快知识产权转化进度，加大科技创新成果转化强度，加强标准转化保障水平。完善科技成果转移转化支撑服务体系，解决成果交易流通与市场化定价问题。持续完善企业科技成果转化评估与考核机制，坚持科研与生产联动、研发与应用同步，在开采、灾害防治、生态环保、资源利用、分选加工、智能化、碳减排等领域遴选一批重点科技创新成果，在神东矿区乃至行业内开展成果转化与推广应用，探索神东公司科技成果产业化路径，使神东公司真正成为科技创新与成果转化的区域高地。

5）营造科技创新文化氛围。做浓做厚创新氛围，发扬创新创效精神，加强国家、集团和公司的科技创新相关政策的宣传和解读，不断开展科普活动和科普宣传，深入开展职工创新创效活动，大力弘扬科学精神和工匠精神，形成具有神东特色的“忠诚企业、敢为人先、求真务实、团结协作”的科技创新文化，培育创造尊重科学、尊重知识、尊重人才、尊重创造、鼓励创新、宽容失败、集智攻关、团结协作的创新文化氛围，为神东公司“二次创业”凝聚强大的精神力量。

8.2   科技创新技术攻关方向

神东公司将开展安全、高效、绿色、智能、清洁与低碳等方面技术攻关，努力打造神东原创技术和先进生产力的转化器及成果应用的推进器，助力神东创新驱动绿色高效发展。

1）安全保障方面。围绕煤矿安全中心工作，瞄准煤矿安全生产管理关键领域，研究攻克强矿压防控、瓦斯治理和综合利用等矿井自然灾害防治关键技术，强化应急救援保障能力建设，加强矿井工作面粉尘综合防治，构建先进的安全管理体系，不断提高煤矿安全技术水平和安全保障能力。

2）高效生产方面。深化神东矿区不同类型煤层高效开采技术研究，创新开采方法和工艺，优化开拓布局和采煤工艺系统，降低万吨掘进率。开展采煤成套装备及特种作业装备研制，重点突破适应各种地质及开采技术条件的数字信息机电一体化装备，为煤炭高效开采技术体系的形成贡献“神东力量”。

3）绿色开采方面。加快推进高采出率的无煤柱开采、矸石充填开采、地下水资源保护利用、矿区生态低损害开采、薄煤层高效开采和煤矿固废资源化利用等关键技术研究，进一步完善神东矿区绿色开采技术体系，为我国西部煤炭产业高质量发展探索新路径。

4）智能化建设方面。加快煤矿智能化建设步伐，通过神东矿区智能化建设关键技术研究，布局煤矿机器人研发与应用，研究矿鸿操作系统，立足工业互联网，研发攻克煤矿智能化深层次难题，打造亿吨级智能化矿井群“超级工程”。统筹选煤厂智能化建设及提质增效工作，建成大柳塔矿国家首批智能化示范煤矿，形成具有典型示范意义的智能矿山“神东方案”。

5）清洁低碳方面。依靠理论创新、技术创新和管理创新，突破煤矿生产全流程节能、生态碳汇林固碳、山水林田湖草沙一体化生态建设等关键技术，在矿区探索出一条传统能源与新能源耦合利用发展路径，推动形成神东公司绿色立体综合治理体系，建成黄河流域生态保护和高质量发展神东先行示范区。

9.   结　　语

神东公司以2亿t/a的优质煤炭供应保障国家能源安全，成为国家能源的“稳定器”和“压舱石”。围绕国家能源集团建设世界一流示范企业的总体部署，坚持把科技创新能力作为企业的核心竞争力，坚持把科技自立自强作为转型发展的主阵地，巩固煤炭行业内的技术领先地位，为神东公司开启“二次创业”新征程、构建创新驱动绿色发展新格局提供强有力的科技支撑。

展望未来，将着力突破神东公司“十四五”十大科技攻关难题，掌握更多自主核心技术，推动智能开采技术的新变革，加快我国煤矿井下采煤高端装备研发进程和绿色智能矿山建设，持续推进“黄河流域生态保护和高质量发展”神东先行示范区建设，助力国家如期实现碳达峰碳中和目标、推动形成人与自然和谐发展的现代化矿区建设新格局。紧紧围绕神东公司“十四五”科技发展规划，努力打造世界一流能源企业，积极为国家能源安全和行业高质量发展贡献神东力量。

致谢：本文在《煤炭科学技术》主编王国法院士的盛邀下历时3个月完成，感谢30余年来对神东公司发展付出努力的专家、学者。论文撰写过程引用大量统计数据及网络文献，对于未标明引用的文献资料作者表示感谢，工程数据参考了合作项目的研究报告，在此一并感谢。最后，感谢审稿评审专家及编辑部提出的宝贵意见，使得文章更加完善，内容愈加丰富。文中不足之处敬请读者谅解及批评指正。