缓倾斜薄煤层智能化综采工作面设备选型与开采参数优化

引言

缓倾斜薄煤层因采高空间极端受限、设备运行环境苛刻，传统开采方式效率低、劳动强度大、安全风险高。智能化综采技术的兴起，为破解这一难题带来了契机。然而，薄煤层特殊的地质条件对智能化装备的适应性及开采工艺提出了更高要求。设备选型不当或参数配置不合理，极易导致系统运行不畅、资源浪费甚至安全事故。因此，如何科学选择适配的智能化综采设备，并精准优化与之匹配的开采参数，成为实现缓倾斜薄煤层安全、高效、智能化开采的核心课题。

一、智能化综采设备选型关键考量

薄煤层空间制约明显，设备选型首重适应性与高效协同。核心设备的选型直接决定智能化开采的可行性与效能。

采煤机选型要点：机身高度与过煤空间是首要限制。需选用超薄型、矮机身设计，确保在有限采高下顺利截割与装煤。同时，大功率、高扭矩的紧凑型截割部不可或缺，以克服薄煤层中常见夹矸带来的阻力；具备强力装煤能力的滚筒设计，是保证煤流顺畅的关键。

液压支架选型要点：支架需具备极低的最小结构高度和较大的伸缩比，以适应薄煤层厚度变化并保证足够通风断面。高工作阻力和初撑力是应对顶板压力的基础，紧凑型连杆设计则确保支护强度与空间利用的最佳平衡。电液控制系统是实现精准、快速跟机移架智能化的核心。

刮板输送机选型要点：薄煤层要求输送机具备矮槽帮、大过煤断面的特性，以在低空间内实现高效运煤。坚固的机身结构和高可靠性链条能承受频繁启停及过载冲击；与采煤机牵引速度和装煤能力的匹配，是保障连续、稳定运输的前提。

二、开采参数优化策略

开采参数的设定需紧密围绕薄煤层地质特点与设备性能，追求安全、高效与资源回收的最大公约数。

（一）采高与截深的确定，空间约束下的效率抉择

采高指一次开采的煤层厚度，截深则指采煤机滚筒每旋转或行进单位距离切入煤壁的深度。在空间高度严重受限的缓倾斜薄煤层中，确定这两项参数需格外审慎。采高的首要原则是满足设备最低运行空间和井下通风需求。采煤机、液压支架和刮板输送机均有其结构所需的最小高度，采高设定必须确保设备能在该空间内正常安装、运行和维护。同时，必须保证足够的风流断面，以稀释瓦斯、粉尘并供给新鲜空气。

截深大小直接影响单次割煤的产量（单刀产量）和完成一个完整割煤-移架-推溜作业循环所需的时间。增大截深可显著提高单刀产量。截深的选择是一个精细的权衡过程，需紧密结合煤层硬度、顶板稳定性（岩性、节理发育情况）、设备能力（采煤机牵引力、切割功率）以及支架的支护强度和移架速度，在保证顶板安全和设备稳定运行的前提下，寻求生产效率最大化的截深值。

（二）割煤与牵引速度的协调，匹配煤层与系统的节奏

采煤机的牵引速度设定，必须严格适应煤层的物理特性（主要是硬度、脆性）和内部结构（如夹矸层的厚度、硬度及分布）。在煤层硬度大或夹矸坚硬区域，过高的牵引速度会导致切割阻力剧增，可能引发采煤机振动加剧、截齿异常损耗甚至电机过载停机。反之，在煤质松软区域，过低的牵引速度则造成设备能力浪费，效率低下。同时，牵引速度必须与刮板输送机的运煤能力相匹配。采煤机割煤和装煤的速度若远超输送机的运输能力，会造成煤流在机头机尾堆积甚至压死输送机，迫使采煤机频繁停机等待，形成生产瓶颈，并增加设备启停损耗与能耗。

（三）支护强度与跟机移架控制，顶板安全的精准保障

支架所需的工作阻力和初撑力并非固定值，必须依据开采煤层的顶板岩性特征、厚度、层理发育程度以及矿压显现规律（如周期来压步距和强度）进行科学计算和设定。顶板岩层坚硬、完整时，所需支护强度相对较低；若顶板破碎、松软或存在明显的周期来压，则必须提供足够高的支护强度（工作阻力）来有效支撑顶板，防止其过度下沉甚至冒落。初撑力则确保支架升柱后能迅速、充分地接顶，消除顶板早期离层。支护强度不足是顶板事故的主要诱因之一。

移架步距（每次移架的距离）通常与采煤机截深保持一致。跟机距离（采煤机割煤后，支架开始移架的位置与采煤机之间的距离）的优化至关重要。过长的跟机距离会延长新暴露顶板的无支护时间，增大顶板下沉和冒落风险；过短则可能干扰采煤机作业或影响操作安全。优化的目标是最大限度地缩短空顶时间和面积。

三、设备与参数的系统集成与协同

（一）信息感知与融合，工作面数据实时采集体系

工作面布置的矿用本安型摄像仪每15 米设置一台，配合红外热成像仪检测设备温度异常。支架压力传感器采样频率不低于 10Hz ，采煤机惯性导航系统定位误差控制在 ±50mm 以内。环境监测分站实时采集甲烷浓度（量程 0-4%）、氧气含量（精度 ±0.5% ）、风速（ 分辨率）等参数，数据通过工业环网以 100Mbps 速率传输。煤岩识别系统通过截割电机电流波动特征（采样率 1kHz）判断夹矸位置，识别准确率达到 85% 以上。所有数据在边缘计算网关进行时间戳对齐，消除因传输延迟造成的时序误差，形成统一数据帧上传至控制中心。

（二）智能决策与控制，开采过程动态优化方法

控制系统以 5 秒为周期更新决策参数，采煤机牵引速度根据煤层硬度系数 f 值动态调整： f<1.5 时采用 3-4m/min ， 1.5⩽f⩽2.5 时采用 2-3m/ min， f>2.5 时降为 1-2m/min 。支架跟机移架采用预测控制算法，根据采煤机运行速度、顶板压力变化率，提前 0.5-1.5 秒触发移架动作。地质模型每班更新一次，当遇到断层落差超过煤层厚度 30% 时，自动切换为人工干预模式。

（三）协同运行保障，设备联动控制关键技术

采用 PROFINET 实时以太网协议，确保采煤机、支架、输送机间的通讯周期 ⩽100ms 。支架移架与采煤机牵引建立严格闭锁逻辑：当前支架未完成升柱动作时，禁止采煤机继续前进超过 1.5m 。输送机启动前需获取全线支架锚定状态，任意 2 架以上未接顶将禁止满负荷运行。煤流均衡控制采用前馈-反馈复合策略，基于滚筒装煤量预测值预先调节链速，再通过实际煤量反馈微调。系统设置三级应急响应机制：单设备故障时局部降效运行，多设备故障时自动切换半自动模式，安全参数超限时立即全线停机。

结语

缓倾斜薄煤层的智能化开采，是设备适应性与工艺科学性紧密结合的成果。通过精准选择低矮化、高可靠、强功能的综采设备，并系统优化采高、截深、速度、支护等核心参数，能够在有限空间内充分释放智能化潜能。设备与参数的最优协同，是实现薄煤层安全、高效、高回收率开采的基石。

参考文献

[1]伍永平,郎丁,贠东风,等.我国大倾角煤层开采技术变革与展望[J].煤炭科学技术,2024,52(1):25-51.

[2]刘万龙.煤矿采矿工程关键技术与安全管理工作要点[J].工程技术研究,2025,7(8):115-117.

[3]康锡明.煤矿缓倾斜薄煤层开采沿空留巷技术[J].矿业装备,2023(7):58-59.