宋選民，朱德福，王仲倫，霍昱名，劉一揚(yáng)，劉國方，曹健潔，李昊城

（1.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

0 引 言

中國是能源生產(chǎn)大國，也是能源消費大國，能源消費量占世界總消費量的10%以上。 煤炭在我國一次能源開采和消費結(jié)構(gòu)中分別占76.3%和68.9%（其中井工開采的煤炭約占煤炭總產(chǎn)量的95%），并且這一狀況在今后相當(dāng)長時間內(nèi)仍然不會改變，因此煤炭開采在我國能源戰(zhàn)略中將長期處于主導(dǎo)地位。

世界煤炭儲量的1／3 以上為厚煤層，我國已探明的煤炭儲量中，厚煤層占45%以上，產(chǎn)量也相應(yīng)為原煤總產(chǎn)量的50%左右，因此厚煤層開采技術(shù)幾乎決定著整個煤炭行業(yè)，甚至決定著國民經(jīng)濟(jì)的總體發(fā)展水平［1］。 按照厚煤層定義，單層煤厚超過3.5 m 為厚煤層，單一煤厚超過8 m 則為特厚煤層。目前，厚煤層的開采方法主要有分層開采、大采高綜采及綜放開采3 種：①分層開采由于開采效率低，且分層巷道在多次采動影響下維護(hù)困難，現(xiàn)已很少使用；②大采高綜采一般適用于工作面傾角小，頂?shù)装鍡l件較好的中硬以上煤層，且隨著采高的增加，煤壁片幫及支架穩(wěn)定性差的問題愈發(fā)明顯，事故率較高；③綜放開采是指在厚煤層底部布置1 個采高2.0 ～3.8 m 的工作面使用采煤機(jī)割底煤，上部頂煤在礦壓（主因）或人工擾動（輔因）聯(lián)合破碎作用下再從支架放煤口放出的一種采煤技術(shù)。 與前2 種開采方法相比，綜放開采具有高產(chǎn)高效、巷道掘進(jìn)率低、噸煤成本低、對復(fù)雜煤層地質(zhì)賦存條件適應(yīng)性較強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢［2］。

放頂煤開采技術(shù)最早發(fā)源于歐洲一些國家，當(dāng)時因相關(guān)的理論技術(shù)及設(shè)備不成熟，初期工作面頂煤（板）的支護(hù)控制采用單體支柱，放煤效果及安全性均不甚理想，但作為一種新的采礦技術(shù)引起了世界各國的極大關(guān)注。 直到1957 年，蘇聯(lián)首次借助KTY 型掩護(hù)式液壓支架對傾角5°～18°、厚度9 ～12 m 的煤層試驗放頂煤開采，取得一定的成功；1964年，法國根據(jù)放頂煤開采技術(shù)的特點進(jìn)一步完善放頂煤支架，在布朗齊煤礦試驗成功綜放開采技術(shù)，后在蘇聯(lián)、南斯拉夫、羅馬尼亞、匈牙利等國獲得一定的推廣應(yīng)用［3］；其后的10 年內(nèi)，隨著放頂煤支架及技術(shù)理論的不斷革新，在國外煤礦開采實踐中取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。 但在1980 年代后，受諸多因素的影響，放頂煤技術(shù)在國外未能不斷地發(fā)展完善，并逐漸地停止了使用。

1 我國綜放技術(shù)40 年發(fā)展

在我國綜放開采技術(shù)經(jīng)歷近40 年的工業(yè)試驗研究和應(yīng)用實踐，成為厚及特厚煤層的標(biāo)志性開采方法之一。 該技術(shù)的發(fā)展歷程可認(rèn)為是由僅適用于簡單松軟煤層的初期階段過渡到可應(yīng)用于復(fù)雜難采（放）煤層的發(fā)展成熟階段以及近年來的綜放智能化階段［4］。

1.1 初期試驗階段

綜放開采技術(shù)，首先由煤炭科學(xué)研究總院樊運(yùn)策研究員于1982 年引入我國，并組織團(tuán)隊研究，主要是依靠引進(jìn)的放頂煤支架及技術(shù)進(jìn)行摸索試驗，但因煤層賦存條件的差異性，引進(jìn)的放頂煤支架并未達(dá)到理想的效果。 1984 年4 月，沈陽礦務(wù)局蒲河煤礦采用由北京開采研究所與沈陽煤研所合作研發(fā)的FY4000-14／28 型綜放支架進(jìn)行了緩傾斜厚煤層綜放開采工業(yè)試驗，因支架設(shè)計不合理和采空區(qū)發(fā)火影響，試驗未取得完全成功但獲得大量的實踐經(jīng)驗，為后期放頂煤支架的設(shè)計研制及放煤理論的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，開啟了我國應(yīng)用放頂煤開采厚煤層的先河。 1986 年，甘肅窯街礦務(wù)局二礦在前人研究的基礎(chǔ)上對急傾斜25 m 特厚煤層進(jìn)行了水平分段綜放開采試驗，段高10 m，工作面產(chǎn)量平均1.9 萬t／月，采出率86.9%，取得較大成功。 隨后，全國各礦務(wù)局先后進(jìn)行緩傾斜厚煤層的綜放開采試驗，1990 年，陽泉一礦和潞安王莊礦的綜放工作面月產(chǎn)均超過8 萬t，其中陽泉一礦采用掩護(hù)式開天窗支架的9603 綜放工作面工業(yè)試驗，月產(chǎn)達(dá)14 萬t，比該礦分層綜采面的產(chǎn)量和效率都提高一倍以上，工作面煤炭采出率為80%以上，佐證了在緩斜厚煤層中綜放開采的巨大技術(shù)優(yōu)勢，使其在國內(nèi)呈現(xiàn)大規(guī)模地迅猛發(fā)展。

經(jīng)過前期的成功探索，在20 世紀(jì)90 年代初期，綜放開采技術(shù)在我國的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，特別是在煤層厚、儲量大、地質(zhì)構(gòu)造簡單等條件適宜的礦井，其綜放工作面的產(chǎn)量獲得大幅度提升。 1995年，全國共有67 個綜放工作面，且年產(chǎn)均達(dá)到百萬噸以上，部分礦井綜放工作面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計情況［5］見表1。

表1 主要安全高效綜放礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 1 Main technical and economic indexes of safety and high efficiency mine by fully-mechanized top-coal caving mining

1.2 發(fā)展成熟階段

我國大部分厚煤層賦存條件較為復(fù)雜，較難開采且效益不高，為盡可能地開發(fā)這些資源，20 世紀(jì)90 年代后，尤其是“九五” 與“十五” 計劃期間（1996—2005 年），綜放開采技術(shù)的推廣成為原煤炭工業(yè)部五項重點科技攻關(guān)項目之首，力求在所有適宜放頂煤的厚煤層推廣應(yīng)用，并取得創(chuàng)新突破性成果。 在此階段，綜放開采技術(shù)由初期的緩斜厚煤層、軟及中硬條件逐漸發(fā)展到特厚煤層及復(fù)雜難采的厚煤層，其中難采厚煤層的特點主要體現(xiàn)為傾角大、“兩硬”（頂板與煤層堅硬）和“三軟”（頂板、煤層和底板松軟）等。

1.2.1 特厚煤層綜放開采

在特厚煤層的綜放開采中，張有喜［6］介紹了塔山礦松軟破碎大斷面巷道的支護(hù)技術(shù)，斷面破碎的控制技術(shù)、壓架防治技術(shù)并對支架適應(yīng)性進(jìn)行了分析，為特厚煤層大采高綜放開采一次采全厚提供了實踐經(jīng)驗。 于雷等［7］以塔山煤礦8105 工作面為研究背景，運(yùn)用相似模擬研究了特厚煤層綜放開采形成的5 種頂板結(jié)構(gòu)，并分析了每種結(jié)構(gòu)對礦壓顯現(xiàn)的影響。 于斌等［8］運(yùn)用理論分析、相似模擬試驗及現(xiàn)場實測等方法，建立了特厚煤層綜放開采大空間采場巖層結(jié)構(gòu)模型，基于該研究成果所得的頂板預(yù)控技術(shù)可有效抑制大同礦區(qū)綜放開采強(qiáng)礦壓的發(fā)生。 馬資敏等［9］以酸刺溝煤礦為例，針對準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)異常，頂板難以控制的問題進(jìn)行了研究，提出了一系列控制采場礦壓的技術(shù)方法，并取得了良好控制效果。

1.2.2 “兩硬”厚煤綜放開采

在“兩硬”近水平厚煤層放頂煤開采中，因頂板、煤層較硬，導(dǎo)致大面積懸頂和采出率低等情況，為此大同煤礦集團(tuán)、太原理工大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）和煤炭科學(xué)研究總院太原分院聯(lián)合攻關(guān)提出頂層措施巷內(nèi)預(yù)爆破頂煤和堅硬頂板的理論方法及實用技術(shù)，解決了礦壓破煤作用欠佳與頂板控制困難等問題，并結(jié)合在放煤支架設(shè)計與設(shè)備配套等方面的革新，在忻州窯礦8911 工作面試驗中取得成功，工作面年產(chǎn)均可達(dá)600 萬t［10］。 柴久茂等［11］以煤峪口礦為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的介紹了“兩硬”煤層條件下預(yù)采頂分層放頂煤開采工藝過程及所采用的鋪網(wǎng)、爆破等技術(shù)措施，經(jīng)多年開采，產(chǎn)量穩(wěn)定，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 張忠溫等［12］針對平朔礦區(qū)淺埋“兩硬”條件下4 號煤層頂煤冒放性進(jìn)行了分析，得到工作面合理割煤高度及傾斜長度，并對工作面設(shè)備進(jìn)行了合理選型。 王振軍等［13］探索了平朔井工一礦淺埋兩硬條件下300 m 長綜放工作面的開采技術(shù)，并得到了合理的綜放工作面參數(shù)以及設(shè)備配置。 通過現(xiàn)場開采實踐對所選支架進(jìn)行了適應(yīng)性分析，廖敬龍等［14］針對“兩硬”條件下頂煤破碎不充分的問題，提出了頂板注水及爆破的弱化方案，并確定了具體參數(shù)，有效改善了頂煤的冒放性。

1.2.3 軟厚煤層綜放開采

在極軟厚煤層也同時開始研究應(yīng)用綜放開采技術(shù)，于海勇等［15］通過對劉家梁煤礦的現(xiàn)場觀測，研究了“三軟”煤層綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)特征，并給出支架的改進(jìn)方案。 黃慶享等［16］對王村礦“三軟”煤層的支架—圍巖相互作用關(guān)系進(jìn)行了分析，確定了王村礦輕放面的合理工作阻力范圍。 王建國等［17］針對“三軟”煤層開采過程中的煤壁片幫及支架扎底等問題，研究了合理的支架結(jié)構(gòu)參數(shù)，所設(shè)計的支架在寧煤石炭井煤礦實現(xiàn)了安全高效開采。 程曉陽等［18］針對“三軟”煤層綜放開采過程中出現(xiàn)的頂煤放出率底、煤塵大的問題，提出了合理的工藝優(yōu)化措施，通過對現(xiàn)場放煤效果的觀測，該改進(jìn)的工藝取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.4 大傾角煤層綜放開采

在我國厚煤層中，傾角35°以上傾斜、急斜厚煤層儲量所占比例較大，約占20%，特別在我國西部的甘肅等省份，則高達(dá)28.8%和39.6%［19］。 如何安全高效地開采該類難采煤層資源，成為國家能源戰(zhàn)略布局的需要。 2002 年，王家山煤礦在煤層傾角平均43.5°的44407 工作面試驗急斜特厚煤層綜放開采新技術(shù)，埋深260 ～320 m，工作面走向長度880 m，傾向長度115 m，煤厚為15.5 m，采高為2.6 m，放煤高度為12.9 m，工作面平均月產(chǎn)為64 304.3 t，采出率82.27%，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 林忠明等［20］分析了大傾角綜放開采條件下液壓支架的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出保持支架穩(wěn)定的途徑，并在王家山煤礦工業(yè)試驗中取得了良好的開采效果。 顧士亮［21］介紹了張雙樓煤礦大傾角較薄厚煤層綜放開采的具體工藝及關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)大傾角煤層的開采提供了經(jīng)驗指導(dǎo)。 針對鶴壁三礦大傾角綜放工作面存在上下端頭空頂面積大的問題，呂繼成等［22］提出了合理的工藝改進(jìn)方法，經(jīng)過4 個月的生產(chǎn)實踐，能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。 劉偉［23］觀測了梅河煤礦二井開采過程中的礦壓規(guī)律及現(xiàn)場使用設(shè)備的工作狀況，開采實踐表明該礦使用的設(shè)備及頂板管理方法可滿足礦井的安全回采。 2014 年，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）與峰峰集團(tuán)等合作在山西大遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)的最大傾角達(dá)60°的急斜厚煤層1201 工作面中，埋深195.6～242.6 m，工作面長80 m，可采走向長度680 m，煤層厚度6.0 ～8.0 m，平均6.8 m，應(yīng)用走向長壁綜放開采技術(shù)，取得了成功。

綜放開采作為我國煤炭工藝進(jìn)步的標(biāo)志，首先實現(xiàn)了較簡單地質(zhì)條件下厚煤層的開采；其后，伴隨著放頂煤開采理論的完善、礦井裝備水平的提高以及管理模式的進(jìn)步，綜放開采工藝逐步在特殊地質(zhì)條件下厚煤層的開采中得到應(yīng)用，并為后續(xù)實現(xiàn)厚煤層智能化綜放開采奠定了扎實的基礎(chǔ)。

1.3 智能化開采發(fā)展階段

在我國煤炭工業(yè)“十五”至“十三五”規(guī)劃中，重復(fù)強(qiáng)調(diào)煤炭資源開采的集約化、環(huán)境友好化，開采技術(shù)的機(jī)械化、自動化發(fā)展目標(biāo)。 在“中國制造2025”工業(yè)智能升級背景下，在煤炭開采中實現(xiàn)感知層、決策層以及控制層的全面智能化，成為我國煤炭工業(yè)發(fā)展的新方向，以慣性導(dǎo)航、紅外線煤巖識別、虛擬現(xiàn)實和多傳感器技術(shù)為核心的自動化技術(shù)使智能化綜采成為可能，也為實現(xiàn)智能化綜放開采目標(biāo)提供了一定的技術(shù)借鑒［24-25］。

1.3.1 大同礦區(qū)智能化綜放工作面實踐

2013 年，為提高特厚煤層（16 ～20 m）綜放工作面頂煤采出率與智能化放煤技術(shù)水平，大同煤礦集團(tuán)、天地科技股份有限公司、河南理工大學(xué)共同承擔(dān)國家發(fā)改委“千萬噸級綜放工作面智能控制關(guān)鍵技術(shù)及示范工程”項目。 2016 年7 月，在同忻礦3-5號合并煤層8202 綜放工作面試運(yùn)行，煤層平均厚度15.6 m，平均傾角1.5°，機(jī)采高度3.5～4.0 m，采放比1 ∶2.91，平均推進(jìn)長度2 183.2 m，工作面長度200 m。 采用Eickhoff 公司SL - 500AC 型采煤機(jī)，JTAFC1050／42×1000×268AFC 型前刮板輸送機(jī)，JTAFC1050／42×1250×268AFC 型后刮板輸送機(jī)，ZF15000／27.5／42 型正四連桿低位放頂煤液壓支架。8202 綜放工作面實現(xiàn)單面年產(chǎn)1 060.55 萬t 煤，最高月產(chǎn)126.12 萬t，一線人員減少，資源采出率提高了2.35%以上，噸煤能耗降低5%等良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，完成了感知層的視頻化、多傳感器融合自動識別的無線化，實現(xiàn)了結(jié)合人工經(jīng)驗、現(xiàn)場訓(xùn)練及實時監(jiān)測干預(yù)的井上、下決策層，開拓了由千兆工業(yè)以太網(wǎng)傳輸信息的“采-放-運(yùn)”協(xié)同的電液控制層。

2018 年2 月，在8202 綜放工作面智能化實踐的基礎(chǔ)上，對8309 綜放工作面智能化二次升級，主要技術(shù)目標(biāo)為強(qiáng)化無盲區(qū)的智能傳感監(jiān)測、支架初撐力的智能補(bǔ)強(qiáng)、端頭三角煤開采智能調(diào)參及小煤柱門式支架巷道頂板智能管理等30 多項智能化管理措施。 8309 工作面平均煤厚14.88 m，傾角0°～3°，走向推進(jìn)長度2 843 m，傾向長度2 00 m，平均機(jī)采高度3.9 m，采放比1 ∶2.82，工作面設(shè)備選型與8202 綜放工作面基本相同。 同年9 月1 日，國家頒布《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 51272—2018），對智能化礦井的內(nèi)涵與標(biāo)準(zhǔn)做了明確的數(shù)量化規(guī)定。 2018 年8 月29 日，國家“十三五”重點研發(fā)計劃中重點專項所屬“千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范”（2018YFC0604500）項目啟動，該項目共計劃在同煤集團(tuán)大唐塔山煤礦8222 綜放工作面和兗礦集團(tuán)金雞灘煤礦117 綜放工作面試驗，2個年產(chǎn)1 500 萬t 示范工作面。 塔山礦8222 綜放工作面煤厚平均18.4 m，平均埋深479 m，推進(jìn)長度2 840 m，傾向長度230.5 m。 塔山礦借鑒同忻礦智能化綜放工作面設(shè)備選型結(jié)果，選取ZF17000／27.5／42型液壓支架，與同忻礦同型的Eickhoff 公司采煤機(jī)，卡特彼勒公司的PF6／1142 型前刮板輸送機(jī)，PF6／1142型后刮板輸送機(jī)，在井下試運(yùn)行時期已達(dá)到日產(chǎn)4.6 萬t 的設(shè)計技術(shù)要求。 8222 工作面智能化工作面面，應(yīng)用諸多最新型的工作面智能化控制與監(jiān)測設(shè)備，融合升級智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能綜放工作面的常態(tài)自適應(yīng)工作與非常態(tài)人為遠(yuǎn)程干預(yù)相互結(jié)合的新型智能化管理體系，進(jìn)一步優(yōu)化升級了智能化水平，提高了綜放工作面生產(chǎn)效率［26］。

1.3.2 王家?guī)X煤礦智能化綜放工作面實踐

2018 年8 月，中煤集團(tuán)啟動“王家?guī)X煤礦綜采放頂煤智能化開采技術(shù)研究”重點專項，2019 年6月中煤華晉集團(tuán)王家?guī)X煤礦12309 智能化綜放試驗面順利試運(yùn)行（圖1），工作面位于123 盤區(qū)，主采2號煤層，煤層厚度5.7～6.3 m，平均6.1 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角2°～5°，推進(jìn)長度1 320 m，傾向?qū)挾?60 m，機(jī)采高度3.1 m，采放比為1 ∶0.97。 工作面選取ZFY12000／23／34D 型兩柱放頂煤液壓支架、MG620／1540-WD 型采煤機(jī)、SGZ-1000／2×1000 型前后刮板輸送機(jī)，在井下試運(yùn)行期間實現(xiàn)最大單面日產(chǎn)量3.1 萬t。

圖1 王家?guī)X煤礦12309 智能化綜放工作面Fig.1 No.12309 intelligent fully-mechanized topcoal caving face in Wangjialing Mine

該項目以實現(xiàn)厚煤層智能化綜放開采為核心，針對智能化綜放開采存在煤巖智能識別、智能放煤控制、“采-支-放-運(yùn)”系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)、“采放工序-圍巖-瓦斯”系統(tǒng)環(huán)境參量耦合等主要難題，圍繞厚煤層智能綜放開采頂煤破壞與運(yùn)移機(jī)理、采放協(xié)調(diào)控制機(jī)理與方法和放煤過程控制原理，攻克厚煤層協(xié)同智能放煤工藝決策、煤巖識別技術(shù)、多模式融合的智能化放煤控制和“采-支-放-運(yùn)”系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)控制技術(shù)與裝備，實現(xiàn)以記憶割煤、液壓支架跟機(jī)自動控制、液壓支架放煤自動控制為主，監(jiān)控中心集多傳感信息、視頻監(jiān)視、三維虛擬仿真相融合的遠(yuǎn)程干預(yù)為輔，實現(xiàn)工作面有人巡視無人操作的智能化生產(chǎn)模式，智能化控制平臺如圖2 所示，為我國厚煤層的安全、高效智能化開采提供可靠的技術(shù)支撐。

圖2 王家?guī)X煤礦12309 智能化綜放工作面控制平臺Fig.2 Control platform of No.12309 intelligent fullymechanized top-coal caving face in Wangjialing Mine

1.3.3 其他礦井智能化綜放工作面實踐

金雞灘煤礦117 工作面位于該礦東翼盤區(qū)，煤層厚度7.99 ～12.49 m，平均傾角1°，平均埋深240 m，工作面推進(jìn)長度5 298 m，傾向長度300 m，采放比1 ∶1。 工作面選取ZY21000／3.55／70D 型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，SGZ1250／2×2000 型前刮板輸 送 機(jī)、 SGZ1400／3 × 1600 型 后 刮 板 輸 送 機(jī)、PCM1200 型破碎機(jī)及MG1000／2550-GWD 型電牽引采煤機(jī)，在井下試運(yùn)行時期實現(xiàn)單面日產(chǎn)量最高紀(jì)錄達(dá)5.25 萬t。 兗礦集團(tuán)圍繞該礦117 綜放工作面淺埋硬煤工程難題，提出增大機(jī)采高度、適當(dāng)減小采放比技術(shù)方案，構(gòu)建“超大采高智能化綜放工作面”技術(shù)體系，系統(tǒng)地解決了頂煤冒放、煤壁穩(wěn)定以及頂板管理等技術(shù)瓶頸，研發(fā)并首次應(yīng)用了一大批世界領(lǐng)先的新型采煤設(shè)備。

2019 年6 月，兗礦集團(tuán)鮑店煤礦7302 常態(tài)化智能綜放工作面井下試運(yùn)行并取得成功，7302 工作面面推進(jìn)長度2 132m，傾向長度287 m。 該系統(tǒng)集成現(xiàn)有成熟智能化子系統(tǒng)，形成以“設(shè)備智能控制為主，遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的智能化生產(chǎn)新模式。與傳統(tǒng)工藝相比，人員減幅達(dá)60%以上。

2020 年2 月，由國家發(fā)展改革委、國家能源局、應(yīng)急管理部、煤監(jiān)局、工業(yè)信息化部、財政部、科技部、教育部等8 部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出了煤礦智能化發(fā)展的4項基本原則，規(guī)劃了煤礦智能化發(fā)展的3 個基本階段，明確了煤礦智能化發(fā)展主要任務(wù)，制定了各項保障措施。 提出到2021 年，完善不同資源賦存形式、采煤方法下的智能化示范礦井；到2025 年，大型礦井與災(zāi)害嚴(yán)重礦井基本實現(xiàn)智能化；到2035 年，全國各類礦井基本實現(xiàn)智能化。 山西、陜西、內(nèi)蒙古及河南等省（區(qū)）結(jié)合域內(nèi)煤礦生產(chǎn)實際，分別出臺了智能化采煤的發(fā)展目標(biāo)與鼓勵措施。 在智能化綜放推廣應(yīng)用方面，潞安集團(tuán)常村礦2115 工作面、陜煤集團(tuán)建新礦4212 工作面、陜煤集團(tuán)建莊礦307 工作面、伊犁能源伊犁四礦23213 工作面、淮北礦業(yè)集團(tuán)朱仙莊礦、淄博礦業(yè)集團(tuán)唐口礦6308 工作面、彬長公司大佛寺礦40111 工作面、銅川玉華礦玉華井2401 工作面、淮北礦業(yè)集團(tuán)袁店一礦824 工作面均處于智能化綜放工作面的預(yù)研或試運(yùn)行階段。

現(xiàn)階段智能化綜放工作面的諸多實踐主要技術(shù)特征為綜放工作面“減人”、遠(yuǎn)程控制端“留人”以及巡回備檢“行人”，尚未達(dá)到全礦井井下“無人”智能化綜放工作面的最終階段。 但眾多礦井的智能化綜放有益實踐，激勵了學(xué)者的意志，豐富了監(jiān)測控制技術(shù)儲備、積累了礦壓控制研究成果、奠定了智能化綜放技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)、培育了新一代“信息化礦工”、初步完成了“提高煤炭生產(chǎn)效率，降低礦工勞動強(qiáng)度”的目標(biāo)。

2 綜放采場“支架-圍巖”關(guān)系以及頂板結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

1984 年，第1 套國產(chǎn)FY4000-14／28 綜放支架在沈陽蒲河煤礦綜放開采試驗后［27］，結(jié)合常用的長壁采煤法，在我國各主要煤炭生產(chǎn)基地迅速地形成試驗和研究的熱潮。 長壁綜放開采方法具有安全高效、低巷道掘進(jìn)率、低成本等技術(shù)優(yōu)勢，已成為我國厚及特厚煤層開采的主要采煤方法之一［3］。

2.1 綜放采場支架圍巖關(guān)系

2.1.1 普通機(jī)采高度（2.0～3.5 m）

我國初期引入放頂煤技術(shù)時，因放頂煤采煤法具有等效采高加大、采空區(qū)頂板垮落空間充分等特點，基于傳統(tǒng)采場壓理論分析，普遍認(rèn)為綜放采場礦壓顯現(xiàn)應(yīng)當(dāng)較為劇烈，液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)度較高。然而在綜放技術(shù)的實踐應(yīng)用中，不論是緩斜煤層還是傾斜煤層，一般條件下綜放采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度均較為緩和，各個工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度均不大于分層開采工作面，這就反映出綜放采場支架圍巖關(guān)系與綜采采場有著顯著區(qū)別［28］。 針對這一新課題，吳健等經(jīng)過長時間的現(xiàn)場實測與數(shù)據(jù)分析，結(jié)合礦山壓力理論，提出綜放采場的新支架圍巖關(guān)系以及與“下位需控巖層”運(yùn)動相適應(yīng)的支架支護(hù)阻力的相互作用效應(yīng)，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整頂煤放出量與支架工作阻力，使支架處于“給定變形”工作狀態(tài)，保證支架對于采場的“支”、“護(hù)”作用，即對頂板有效支撐，防止“需控巖層”失穩(wěn)，迫使支架進(jìn)入“給定載荷”工作狀態(tài)，保護(hù)采場作業(yè)安全，明確綜放支架的作用就是要保證從煤壁開始到支架切頂線的頂煤有一定承載能力，同時支架支撐力應(yīng)根據(jù)支承壓力分布曲線確定。 靳鐘銘等［29］就“兩硬”條件下的綜放支架合理工作阻力確定問題，結(jié)合現(xiàn)場實測與理論分析，總結(jié)出“兩硬”條件下的綜放采場礦壓顯現(xiàn)特征，給出了綜放支架支護(hù)阻力分布規(guī)律，認(rèn)為在考慮頂煤“墊層效應(yīng)”修正后的“懸梁式”力學(xué)模型仍適用于“兩硬”條件下綜放采場。

錢鳴高等［30］通過大量現(xiàn)場實測，基于采場不同直接頂狀態(tài)（含頂煤）不同狀態(tài)時液壓支架支護(hù)阻力的變化，將圍巖與支架視為一個整體，分析了采場支架與圍巖耦合作用機(jī)理，認(rèn)為支架對基本頂失穩(wěn)造成的給定變形較采空區(qū)處理方式與采高影響程度小，而直接頂（含頂煤）的整體物理性質(zhì)對液壓支架承受的載荷強(qiáng)度影響較大。 基于這一判斷，結(jié)合“S-R”穩(wěn)定理論，曹勝根等［31］運(yùn)用相似材料模擬以及數(shù)值模擬方法，研究了綜放采場“支護(hù)阻力—頂板下沉量”曲線形態(tài)，認(rèn)為基本頂回轉(zhuǎn)下沉對直接頂?shù)挠绊懼饕杏谏衔恢苯禹?，對下位直接頂及頂煤作用較小，采場支架工作阻力并不能改變上覆巖層的總體活動規(guī)律。 劉長友等［32］進(jìn)一步研究直接頂對綜放采場礦壓顯現(xiàn)的影響時，依據(jù)相似模擬試驗結(jié)果，將直接頂按承載能力劃分為非承載區(qū)、承載區(qū)和弱承載區(qū)，不同剛度的直接頂對基本頂最終位態(tài)影響較小，但對絕對下沉量有明顯的控制作用，認(rèn)為綜放采場“支護(hù)阻力—頂板下沉量”曲線形態(tài)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)直接頂介質(zhì)的影響不同來考慮，由此提出了支架工作阻力的計算方法。 在綜放采煤法的普及應(yīng)用過程中，眾多學(xué)者針對堅硬煤層、“三軟”煤層、急傾斜煤層、大埋深煤層、淺埋煤層以及殘煤開采等不同煤層賦存條件下的支架圍巖關(guān)系進(jìn)行了深入探索研究。

2.1.2 大機(jī)采高度（3.5～5.0 m）

隨著大采高綜放技術(shù)的實踐應(yīng)用，學(xué)者將重點轉(zhuǎn)移到大采高以及超大采高綜放采場支架圍巖耦合系統(tǒng)的研究領(lǐng)域。 孔令海等［33］針對塔山礦大采高綜放的沖擊礦壓防治問題，綜合運(yùn)用微震監(jiān)測、實測、物理模擬及理論分析方法，明確了采場基本載荷與沖擊載荷來源，認(rèn)為基本頂?shù)氖Х€(wěn)斷裂運(yùn)動是采場沖擊動載的根源，提出大采高綜放采場支架首先應(yīng)當(dāng)足以能夠阻抗頂煤及下位直接頂作用力的支架選型方向，給出縮小控頂距、增加支架下縮量等減小或避免動載沖擊威脅的方法。 閆少宏［34］對比研究我國不同采高綜放采場礦壓顯現(xiàn)特征，歸納出大采高綜放工作面礦壓顯現(xiàn)具有明顯的周期性，認(rèn)為頂煤體可轉(zhuǎn)變?yōu)椤八苿傂皂斆后w”并對采場礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生重要影響，提出能描述具有“大、小周期來壓”特性的“組合懸臂梁—鉸接巖梁”的力學(xué)結(jié)構(gòu)，得出了支架圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要影響因素為直接頂、基本頂以及垮落矸石的物理力學(xué)特性，給出該結(jié)構(gòu)下液壓支架工作阻力的最小解析解。

基于大采高綜放采場中的液壓支架與圍巖的“強(qiáng)度-剛度-穩(wěn)定性”三耦合原理，王國法等［35］構(gòu)建了支架圍巖的耦合動力模型，提出大采高綜放采場液壓支架工作阻力的“雙因素”控制法，明晰了大采高綜放采場煤壁片幫的“拉裂-滑移”模型，給出解決煤壁片幫的合理路徑是提高液壓支架初撐力與改進(jìn)支架結(jié)構(gòu)，其團(tuán)隊為解決機(jī)采高度大于6.0 m的超大采高綜放采場面臨的頂煤冒放性差、支架工況惡劣等問題，在前述研究基礎(chǔ)上發(fā)展為“超大采高綜放開采支架?圍巖結(jié)構(gòu)耦合”理論，將超大采高綜放采場中具有一定承載結(jié)構(gòu)對采場礦壓顯現(xiàn)有影響的覆巖視為“大結(jié)構(gòu)”，將支架支護(hù)部分視為“小結(jié)構(gòu)”，“小結(jié)構(gòu)”包含于“大結(jié)構(gòu)”中，“小結(jié)構(gòu)”適應(yīng)于“大結(jié)構(gòu)”，闡釋了支架-圍巖支護(hù)系統(tǒng)“小結(jié)構(gòu)”初次耦合主動支撐和“大結(jié)構(gòu)”二次耦合被動承載概念和理論，分析了圍巖“大、小結(jié)構(gòu)”耦合對采場圍巖支護(hù)效果和適應(yīng)性的影響，指出綜放支架結(jié)構(gòu)與阻力設(shè)計除需滿足“小結(jié)構(gòu)”支護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)“大結(jié)構(gòu)”周期破斷失穩(wěn)形成的強(qiáng)動載礦壓外，還需考慮液壓支架結(jié)構(gòu)特別是放煤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)對頂煤冒放運(yùn)移規(guī)律和支架載荷演化過程的影響［36］。

2.2 綜放采場頂板結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

綜放開采技術(shù)的早期應(yīng)用階段，實測研究發(fā)現(xiàn)綜放工作面周期來壓不明顯，與綜采工作面存在明顯的周期來壓顯現(xiàn)差異較大；同時實測來壓強(qiáng)度較預(yù)測來壓強(qiáng)度低。 學(xué)者初期研究將這2 種現(xiàn)象歸因于等效采高的增加造成采空區(qū)實際高度增高，頂板垮落空間加大，難以形成自穩(wěn)平衡結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致綜放工作面來壓強(qiáng)度不均勻，進(jìn)而無明顯的周期來壓現(xiàn)象。但經(jīng)長期的實測研究，發(fā)現(xiàn)綜放工作面仍存在有周期來壓顯現(xiàn)，主要是由于已破碎頂煤與下位頂板產(chǎn)生的“墊層緩沖”作用，使綜放采場頂板來壓得以弱化而不像過去顯著而已。

宋選民等［37］采用理論分析與現(xiàn)場實測驗證的方法，從放煤支架受載特點出發(fā)，綜合考慮頂梁上方的塊體介質(zhì)與尾梁上的散體介質(zhì)作用，結(jié)合緩斜厚煤層賦存條件，提出綜放支架合理工作阻力的計算公式，并在國內(nèi)較早地運(yùn)用數(shù)值模擬方法對放頂煤采場基本頂運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合相似模擬試驗結(jié)果，首次創(chuàng)新性地提出了綜放采場基本頂“搭橋結(jié)構(gòu)”力學(xué)模型，剖析了該模型初次、周期失穩(wěn)動態(tài)變化規(guī)律，提出不同形態(tài)下的支架載荷計算方法。同時，其他學(xué)者認(rèn)為采場基本頂仍呈“砌體梁”結(jié)構(gòu)，在“砌體梁”結(jié)構(gòu)之下為直接頂與采空區(qū)垮落矸石形成的“類拱式”或“梁式”結(jié)構(gòu)，綜放工作面周期來壓的實質(zhì)為“類拱式”或“梁式”結(jié)構(gòu)的交替形成與失穩(wěn)過程的反映，因“砌體梁”結(jié)構(gòu)的層位較高，對周期來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度影響較小，但“砌體梁”結(jié)構(gòu)的周期性失穩(wěn)，直接決定下方的“類拱”或“梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而形成了類似于常規(guī)綜采工作面的隨基本頂交替斷裂的周期性來壓現(xiàn)象［38］。

在采場基本頂“砌體梁”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)斷裂方面，錢鳴高等［39］對“砌體梁”結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)的力學(xué)分析，提取“砌體梁”結(jié)構(gòu)中對采場礦壓顯現(xiàn)起決定性影響的關(guān)鍵塊體，科學(xué)合理地簡化為“三鉸拱式”結(jié)構(gòu)，分別以關(guān)鍵塊滑落失穩(wěn)（S）與回轉(zhuǎn)失穩(wěn)（R）為不同研究對象，提出了“S-R”失穩(wěn)理論，并分析該種結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)過程，給出2 種情況下的失穩(wěn)判據(jù)。 賈喜榮等［40］將彈性薄板理論引入綜放采場基本頂結(jié)構(gòu)研究中，發(fā)展為“彈性板與鉸接板結(jié)構(gòu)”力學(xué)模型。 魏錦平等［41］等針對不同頂煤冒放形式以及采場頂板結(jié)構(gòu)，分類總結(jié)出“拱-拱”、“拱-砌體梁”、“拱-傳遞巖梁”、“臺階懸臂-砌體梁”、“臺階懸臂-懸臂梁”5 種煤巖復(fù)合力學(xué)結(jié)構(gòu)（圖3），并給出不同組合力學(xué)結(jié)構(gòu)下的支架載荷理論預(yù)測公式，并結(jié)合10 個不同礦井綜放工作面實測驗證了力學(xué)模型的正確性［41］。

圖3 綜放采場頂板（煤）結(jié)構(gòu)力學(xué)模型［41］Fig.3 Mechanical model of roof （coal） structure of fully-mechanized top-coal caving face ［41］

隨著采煤技術(shù)與裝備的發(fā)展，為實現(xiàn)單井甚至單面年產(chǎn)1 000 萬t 的目標(biāo)，我國學(xué)者于2003 年率先提出大采高綜放的技術(shù)設(shè)想［42］，2006 年在同煤集團(tuán)塔山礦進(jìn)行了工業(yè)試驗并取得成功。 大采高綜放采煤法主要技術(shù)構(gòu)想為適當(dāng)增大機(jī)采高度，提高綜放支架的支撐高度，實現(xiàn)特厚煤層的安全高效開采，其技術(shù)特點為機(jī)采高度3.5 m 以上，開采總厚度10.0 m 以上的特厚煤層。 由于機(jī)采高度加大，落煤高度與空間顯著增加，有利于頂煤的松散和冒放過程；同時，作業(yè)空間大，工作面的通風(fēng)環(huán)境有效改善，一線工人的勞動強(qiáng)度顯著降低，發(fā)生瓦斯災(zāi)害的可能性大幅減小，便于大功率重型設(shè)備進(jìn)出工作面，煤炭生產(chǎn)效率高。 因其顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢，該技術(shù)在我國主要煤炭生產(chǎn)礦區(qū)均有應(yīng)用［43］。

康天合等［44］率先研究大采高綜放的技術(shù)可行性，依托伊泰集團(tuán)酸刺溝礦6 號煤層的地質(zhì)條件，運(yùn)用模擬試驗方法，研究對大采高綜放采場的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及工藝特點，論證大采高綜放的可行性，發(fā)現(xiàn)采場頂板來壓前期的大規(guī)模懸伸現(xiàn)象，提出大采高綜放采場液壓支架應(yīng)當(dāng)具有抵抗懸伸頂板斷裂時的向后旋轉(zhuǎn)作用力的能力。 由綜放采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度實測與數(shù)值模擬結(jié)果相互印證可知，采場頂板來壓強(qiáng)度與工作面總采高成正相關(guān)關(guān)系。

大采高綜放采場頂板結(jié)構(gòu)研究初期，學(xué)者基于ARAMIS M／E 高精度微震監(jiān)測、模擬實驗、理論分析以及實測的方法，對塔山礦大采高綜放采場頂板結(jié)構(gòu)及失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了深入研究；閆少宏［45］將大采高綜放采場頂板劃分為“無變形壓力巖層”、“有變形壓力巖層”，并認(rèn)為“有變形壓力巖層”的失穩(wěn)直接導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)，大采高綜放采場由于采厚增加，“有變形壓力巖層”范圍隨之?dāng)U大，加劇了采場礦壓顯現(xiàn)，根據(jù)“有變形壓力巖層”塊體鉸接平衡理論分析，劃分“有變形壓力巖層”內(nèi)的巖層結(jié)構(gòu)，提出了“懸臂梁—鉸接巖梁”力學(xué)模型，推導(dǎo)出支架合理工作阻力計算公式。 基于微震監(jiān)測，孔令海等［46］發(fā)現(xiàn)大采高綜放采場微震事件發(fā)生層位與時間間隔有著高度的重疊，具有顯著的周期來壓特征，說明采場上覆巖層中一定存在某種動態(tài)演化的承載結(jié)構(gòu)；結(jié)合微震事件發(fā)生層位與最大振幅能量和的對比及模擬試驗結(jié)果，根據(jù)層位將采場頂板劃分為直接頂、低位基本頂、高位基本頂，不同層位的頂板失穩(wěn)對采場液壓支架的阻力要求不同，其中直接頂失穩(wěn)為正常情況，低位基本頂失穩(wěn)為可控情況，高位基本頂失穩(wěn)為失控情況。

針對大同礦區(qū)諸多石炭系煤層礦井大采高綜放工作面遇到的礦壓顯現(xiàn)劇烈、圍巖穩(wěn)定性較差的問題，于斌等［47］采用現(xiàn)場實測統(tǒng)計分析、數(shù)值仿真、模擬試驗以及理論分析相結(jié)合的方法，從不同角度研究大同礦區(qū)多層堅硬覆巖下大采高綜放采場頂板結(jié)構(gòu)以及合理支架工作阻力確定等問題，建立了大空間采場巖層結(jié)構(gòu)演化模型，認(rèn)為煤層上方的遠(yuǎn)、近關(guān)鍵層均對采場礦壓現(xiàn)象產(chǎn)生影響，提出了近場關(guān)鍵層以“豎O-X”破斷為特征的“懸臂梁-砌體梁”耦合遠(yuǎn)場關(guān)鍵層以“橫O-X”破斷為特征的“砌體梁”力學(xué)模型，并深入剖析了遠(yuǎn)近場對采場礦壓顯現(xiàn)的影響機(jī)。 劉長友等［48］提出采場多關(guān)鍵層的破斷形式與失穩(wěn)次序是影響礦壓顯現(xiàn)的重要因素，認(rèn)為合理的支架工作阻力輔以頂板水壓致裂技術(shù)是避免多層關(guān)鍵層同步斷裂失穩(wěn)造成采場頂板重大生產(chǎn)安全事故的有效途徑，給出多層關(guān)鍵層條件下液壓支架合理工作阻力計算公式；李化敏等［49］以不連溝礦特厚煤層大采高綜放為背景，結(jié)合實測分析與礦壓理論，提出“上位砌體梁-下位倒臺階組合懸臂”力學(xué)模型以預(yù)測采場周期來壓并取得成功；楊登峰等［50］依據(jù)“懸臂梁-砌體梁”力學(xué)模型，引入斷裂力學(xué)理論，建立了含中心斜裂紋的懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷的力學(xué)模型，給出支架載荷公式，并在塔山礦得到驗證。

我國綜放采場“支架-圍巖”關(guān)系以及頂板結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的研究，脫胎于綜采采場相關(guān)問題的研究，逐漸綜合“頂煤墊層”、“等效采高增加”等技術(shù)特征，結(jié)合材料力學(xué)、斷裂力學(xué)等相關(guān)力學(xué)知識與各種類型現(xiàn)場實測，發(fā)展成為獨具特色的一門學(xué)科。 同時統(tǒng)籌不同覆巖分層特性與煤炭資源賦存特征進(jìn)行針對性的研究，豐富了綜放采場“支架-圍巖”關(guān)系以及頂板結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性研究體系。 隨著“大采高綜放”概念的提出與采煤技術(shù)裝備的發(fā)展，該研究體系進(jìn)一步演化形成“超大采高綜放開采支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合”理論。

隨著智能化綜放概念提出與技術(shù)應(yīng)用，高強(qiáng)度開采綜放采場頂板的智能化控制已成為重要的科學(xué)與技術(shù)問題。 結(jié)合傳統(tǒng)靜態(tài)力學(xué)模型與現(xiàn)場動態(tài)實時監(jiān)測的綜合采場頂板結(jié)構(gòu)與“支架-圍巖”結(jié)構(gòu)的頂板控制理論仍需進(jìn)一步完善。 構(gòu)建以靜態(tài)力學(xué)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以失穩(wěn)準(zhǔn)則為判斷標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實時監(jiān)測為依據(jù)的多因素影響下的綜合控制、決策模型，將成為該研究體系的重要發(fā)展方向。

3 頂煤破碎運(yùn)移放出規(guī)律分析

3.1 頂煤放出機(jī)理

實現(xiàn)放頂煤開采的1 個重要條件是能使頂煤充分破碎，并能順利地由放煤口放出。 因此頂煤的破碎機(jī)理是放煤工藝方法的基本原理之一，其內(nèi)涵為以頂煤在超前支承壓力、液壓支架“加卸載”下的力學(xué)響應(yīng)為切入點，重點探討頂煤從原始連續(xù)狀態(tài)到放出前散體狀態(tài)的破碎過程。 眾多學(xué)者在分析常規(guī)綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、應(yīng)力分布特征等基礎(chǔ)理論研究基礎(chǔ)上，對綜放開采的差異性展開了大量的研究工作。 在此將頂煤放出機(jī)理研究按照頂煤應(yīng)力場分布規(guī)律與頂煤破碎過程2 個部分進(jìn)行敘述。

3.1.1 頂煤體內(nèi)應(yīng)力場分布規(guī)律

頂煤體內(nèi)應(yīng)力場分布規(guī)律的研究主要集中在對頂煤內(nèi)支承壓力的研究上，眾多學(xué)者通過相似材料模擬、數(shù)值模擬和理論分析的方法，對頂煤體內(nèi)應(yīng)力場演化規(guī)律進(jìn)行了研究。 王慶康等［51］建立了有限元數(shù)值模型，并結(jié)合相似材料試驗結(jié)果，從走向方向和厚度方向，分別對頂煤內(nèi)的應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，得出了2 個方向上超前應(yīng)力的分布曲線，闡明了頂煤中應(yīng)力分布特征。 靳鐘銘等［52］基于考慮中間主應(yīng)力的莫爾庫倫準(zhǔn)則，采用有限元數(shù)值方法，建立了不同煤厚、不同采深、不同支架阻力下的放頂煤數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了放頂煤采場前支承壓力的分布規(guī)律，得出綜放開采支承壓力存在峰值位置內(nèi)移、集中系數(shù)降低及動壓影響范圍加大的特點，且支架工作阻力只對支架上方附近頂煤應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，并推導(dǎo)了支承壓力分布方程。 張開智等［53］通過相似材料模擬及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對支承壓力分布特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為放頂煤工藝與分層開采相比，有支承壓力峰值減小及影響范圍增大的特點。陳忠輝等［54］基于損傷力學(xué)對頂煤支承壓力的分布進(jìn)行了分析，系統(tǒng)論證了工作面支承壓力分布規(guī)律，對采動影響下前方煤壁支承壓力峰值大小及位置給出了詳盡的解釋。

古全忠等［55］利用有限元和離散元數(shù)值模擬及力學(xué)解析，分析了放頂煤壓力拱的演化過程。 隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)LAC／FLAC3D數(shù)值模擬軟件因其強(qiáng)大的應(yīng)力仿真功能，被廣泛應(yīng)用于礦山開采的研究中，來興平等［56］在此基礎(chǔ)上對支承壓力的分布進(jìn)行了進(jìn)一步研究。 邵小平等［57］通過現(xiàn)場觀測及FLAC3D方法研究急傾斜綜放問題，認(rèn)為支架上方頂煤中能夠形成“拱”結(jié)構(gòu)，提出了頂煤體中“跨層拱”結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型；謝廣祥等［58］研究了綜放工作面頂煤與巖層的宏觀應(yīng)力殼結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特征。

對于復(fù)雜條件下綜放頂煤應(yīng)力場分布的研究，于海勇等［59］概括總結(jié)了“三軟”煤層綜放工作面礦壓特點，得出“三軟”煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，頂煤壓力合力作用點前移的規(guī)律。 畢賢順等［60］運(yùn)用相似模擬和有限元方法，對“三硬”煤層條件下頂煤應(yīng)力和變形規(guī)律進(jìn)行了分析。

3.1.2 頂煤破碎機(jī)理

頂煤破碎過程受到了支承壓力、液壓支架工作阻力、液壓支架反復(fù)加卸載過程的綜合影響。 王慶康、張頂立［51］基于摩爾-庫侖準(zhǔn)則提出了頂煤破碎系數(shù)，建立了描述頂煤破碎系數(shù)的數(shù)學(xué)方程，采用彈塑性有限元法，對頂煤破碎的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)地理論分析，認(rèn)為在影響頂煤破碎的主要因素中，煤層強(qiáng)度影響最大，開采深度次之，支架阻力較小而煤層厚度影響最小，提出了煤層埋藏條件的綜合指標(biāo)γH／Rc（γ 煤層容重、H 采深、Rc煤體抗壓強(qiáng)度），頂煤破碎是超前支承壓力和支架共同作用的結(jié)果，而以支承壓力的作用更為重要。 將頂煤沿走向方向劃分4 個分區(qū)：完整區(qū)、破壞發(fā)展區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和破碎區(qū)，并對各個分區(qū)的頂煤范圍和特性做了定性描述。 沈陽煤研所將頂煤的破碎過程劃分為3 個階段：煤體開裂、裂隙分叉及匯合、煤體崩裂，并根據(jù)Griffith 理論分析了頂煤破壞應(yīng)該滿足的數(shù)學(xué)方程。閆少宏等［61］根據(jù)頂煤位移及裂隙現(xiàn)場實測的結(jié)果，得到從煤壁始動點到放煤口，頂煤位移與裂隙均呈指數(shù)增加的規(guī)律。 首次在我國提出頂煤運(yùn)移過程符合損傷原理，并構(gòu)建出頂煤損傷的本構(gòu)模型，為深入認(rèn)識頂煤變形規(guī)律、研究可放性及覆巖運(yùn)移規(guī)律提出了開創(chuàng)性的方法。

靳鐘銘等［62］采用有限元數(shù)值模擬方法，研究頂煤塑性區(qū)分布情況，得出頂煤內(nèi)塑性區(qū)范圍隨著采深、采厚的加大而擴(kuò)大，系統(tǒng)分析了影響頂煤破壞的因素，認(rèn)為頂煤的破壞從破壞原因上可分3 個階段：第1 階段是由超前支承壓力引起；第2 階段由割煤移架及上覆巖層作用引起；第3 階段由支架反復(fù)支撐引起，其中前2 個階段為主要破壞過程，第3 階段為輔助過程。 特別是研究了頂煤裂隙分布與塊度的相關(guān)性［63］，并基于大尺度煤樣的壓裂試驗［64］，討論了頂煤裂隙演化過程，運(yùn)用分形理論，給出了壓裂與塊度的線性規(guī)律，得出了頂煤壓裂的本構(gòu)方程，闡明了頂煤破碎塊度與支承壓力、煤體強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度的相互關(guān)系［65］，將頂煤的破碎過程劃分為裂隙壓實、局部加密、裂隙擴(kuò)展、壓裂強(qiáng)化、碎裂、壓裂軟化6 個階段，且整個過程中的損傷變量隨工作面的推進(jìn)呈指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律［66］。

王金安［67］從介質(zhì)狀態(tài)的角度出發(fā)，認(rèn)為在放頂煤過程中，頂煤經(jīng)歷了“連續(xù)介質(zhì)—裂隙介質(zhì)—散體介質(zhì)”介質(zhì)狀態(tài)演化過程，并沿推進(jìn)方向?qū)㈨斆簞澐譃? 個特征區(qū)：彈性區(qū)、彈塑性、剪切滑移區(qū)、冒頂區(qū)、拉破裂區(qū)和復(fù)合破壞區(qū)，頂煤最終能否順利地從放煤口放出，取決于頂煤由連續(xù)介質(zhì)向散體介質(zhì)的轉(zhuǎn)化是否完成。 馮國才等［68］認(rèn)為頂煤的破壞過程與巖石試件在實驗室內(nèi)的破壞過程相類似，其破壞可分為3 個階段：應(yīng)力峰值前階段、宏觀裂縫形成階段和全面破裂階段，并分析了頂煤各階段的破壞方式及強(qiáng)度特征。 劉新河等［69］結(jié)合現(xiàn)場實踐，指出頂煤的破碎是覆巖與頂煤相互作用的結(jié)果，支架僅起輔助破煤作用，并提出了頂煤破碎分區(qū)：完整區(qū)、破壞發(fā)展區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和破碎區(qū)。

通過現(xiàn)場試驗，分析了帶壓移架和卸壓移架對頂煤破碎效果的影響，強(qiáng)調(diào)了支架反復(fù)加卸載過程［70］、“卸載移架”和“帶壓移架”［71］對頂煤破碎的作用。 荊永濱等［72］認(rèn)為頂煤塊度是放頂煤開采的關(guān)鍵，以往的塊度預(yù)測方法主要是考慮節(jié)理裂隙影響的原始塊度預(yù)測；而頂煤塊度還與地應(yīng)力及煤體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 以放頂煤開采的頂煤為研究對象，通過構(gòu)建三維節(jié)理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究了頂煤原始、破斷及放出塊度的預(yù)測方法。

上述研究從綜放工作面采動應(yīng)力場演化規(guī)律及支承壓力、支架交替承卸載和頂板回轉(zhuǎn)下沉等因素作用下的頂煤變形、破碎過程2 個部分剖析了頂煤破碎、運(yùn)移機(jī)理，總結(jié)了綜放開采與普通綜采的區(qū)別，揭示了全開采周期內(nèi)頂煤從連續(xù)到破碎演變機(jī)制，為散體相似模擬試驗等研究方法的可行性及散體介質(zhì)流理論引入與發(fā)展提供了可靠依據(jù)，起到承前啟后的作用。

3.2 綜放采場頂煤冒放性分類評價

1991 年，沈陽煤炭研究所用灰色聚類分析法評價頂煤可放性分級，1992 年煤炭科學(xué)研究總院北京開采所對影響放煤的12 項客觀因素開發(fā)出放頂煤專家系統(tǒng)（ZFES）。 鄭雨天等［73］考慮到各因素評估賦權(quán)的主觀局限性，評價結(jié)果屬于“可放、難放和不可放”等定性結(jié)論，優(yōu)化了1991 年首次提出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［74］，輸入層增加至9 個因素，評價分級結(jié)果更加全面。

宋選民等［75-77］針對頂煤冒放性問題展開了系統(tǒng)、深入的研究工作，從地質(zhì)因素出發(fā)，運(yùn)用傳統(tǒng)巖石力學(xué)理論及現(xiàn)代分形理論，結(jié)合現(xiàn)場實測、相似材料模擬及數(shù)值模擬方法，詳細(xì)探討了開采深度、煤層厚度及強(qiáng)度、夾矸層厚度及強(qiáng)度、直接頂巖性及厚度、基本頂巖性及厚度、煤體裂隙發(fā)育程度等因素對頂煤冒放性的影響規(guī)律，給出了各個影響因素的臨界范圍及其確定方法。 在此基礎(chǔ)上分析得出了頂煤可放性預(yù)測的綜合表達(dá)式，建立了頂煤可放性分類方法，將煤層按可放性分為5 類，并提出了各類煤層的放煤工藝特點［78］：Ⅰ類為冒放性極好，只要選擇有利于控制架前冒頂?shù)闹Ъ?，一般可獲得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；Ⅱ類為冒放性良好，只要選擇有利于頂煤冒落的架型和合適的放煤口尺寸及位置，就可獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；Ⅲ類為冒放性中等，在選擇合理架型的基礎(chǔ)上，采用合理的放煤工藝和參數(shù)，可獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；Ⅳ類為冒放性較差，除選擇合理的放煤工藝和參數(shù)外，還必須采取專門的頂煤處理措施，才能獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；Ⅴ類為冒放性極差，即使采取了專門的頂煤處理措施，也無法提高頂煤的采出率，基本上不適宜采用放頂煤采煤法。 其后，基于相似材料模擬試驗結(jié)果，提出了頂煤冒放的橋拱式、半拱式和柱式3 種結(jié)構(gòu)特征，將采深、單軸抗壓強(qiáng)度、夾石層厚度、煤層厚度、裂隙指標(biāo)和直接頂充滿系數(shù)等6 個評定因素具體化，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對頂煤冒放性分類方案進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合全國29 個綜放礦井頂煤冒放性分類結(jié)果對分類方案正確性和實用性進(jìn)行了驗證［79-80］。

張開智等［81］分析了影響頂煤冒放性的主要因素，建立了基于加權(quán)模糊推理放頂煤適用條件評判方法，基于“頂煤相對強(qiáng)度”提出一種頂煤分類模糊數(shù)學(xué)方法［82］，分析影響頂煤可放性的5 個因素，應(yīng)用加權(quán)原理［83］把各因素對煤層可放性的隸屬度歸結(jié)為可放性指數(shù)，評價煤層的可放性。

在頂煤可放性研究方面上，張勇等［84］提出了評價頂煤可放性的“裂移度”指標(biāo)；王衛(wèi)軍等［85］應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論建立了急傾斜煤層頂煤可放性的三級綜合評判模型；朱川曲等［86］在實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，構(gòu)造了頂煤可放性影響因素的評價函數(shù)，建立了灰色-模糊評價模型；范世民等［87］基于動態(tài)模糊聚類原理，對頂煤可放性進(jìn)行評價；董隴軍等［88］基于Fisher判別原理，對急傾斜煤層頂煤可放性分類進(jìn)行了預(yù)測及應(yīng)用；劉年平等［89］基于徑向基核函數(shù)的可放性識別支持向量機(jī)模型，建立了頂煤可放性與影響因素之間的非線性關(guān)系；康健等［90］通過求解影響頂煤冒放性諸多影響因素的未確知期望，可實現(xiàn)頂煤冒放性的合理評價與分類，為厚煤層進(jìn)行放頂煤開采提供科學(xué)的依據(jù)。

通過科學(xué)合理的頂煤冒放性分類評價方法的提出，使得綜放開采理論研究與現(xiàn)場實踐緊密相連，為生產(chǎn)過程中采煤方法的選擇以及采煤工序的配合關(guān)系決策提供了依據(jù)，一定程度解決了頂煤較難冒落而導(dǎo)致的采出困難、采出率低及人力、時間成本高等問題，使綜放開采工藝能夠更加合理的應(yīng)用于煤炭安全生產(chǎn)中，充分發(fā)揮了其高產(chǎn)、高效、低能耗的優(yōu)勢。

3.3 頂煤放出規(guī)律的理論

為確定綜放開采的合理工藝參數(shù)，就需要自然流動放出后的頂煤在原煤層中所占的體積，即探究頂煤放出體的形態(tài)。 由于綜放開采頂煤放出過程與金屬礦放礦過程有諸多相似之處，因此可借鑒經(jīng)典的放礦橢球體理論來研究頂煤放出體。 放礦橢球體理論認(rèn)為：礦石在采場破碎后是以近似橢球體的形狀向下流動，即原來所占空間為一旋轉(zhuǎn)橢球體。 然而，金屬礦放礦過程中介質(zhì)及邊界約束條件與放頂煤放煤過程存在較大差異，傳統(tǒng)的橢球體理論不能很好地描述放煤過程，因此需在此基礎(chǔ)上深入研究綜放采場頂煤放出規(guī)律，以更好地指導(dǎo)綜放實踐。

圖4 頂煤放出體理論模型Fig.4 Theoretical model of top-coal drawing body

上述學(xué)者對綜放開采放出規(guī)律的研究主要是以金屬礦山的放礦橢球體理論為基礎(chǔ)，綜合考慮了支架上方頂煤的破斷角、軸偏轉(zhuǎn)角及放煤口位置等因素，并運(yùn)用理論計算的方法得到上述因素間的相互關(guān)系，而綜放開采與金屬礦放山礦有明顯差異，綜放工作面在放煤過程中放煤口隨工作面推進(jìn)不斷連續(xù)前移，且放煤口具有傾斜布置的特點。 因此王家臣等［93］考慮綜放采場放煤口不斷前移及支架對放出體影響，忽略頂煤垮落角的影響，將支架及煤壁上方頂煤及直接頂看作已完全破碎的散體，提出了散體介質(zhì)流理論模型，并使用FLAC 數(shù)值軟件，按連續(xù)介質(zhì)模型模擬了頂煤在重力作用下的位移場及速度場。 將顆粒看做散體介質(zhì)，采用顆粒離散元軟件模擬了放煤過程中頂煤和矸石的流動狀態(tài)，揭示了綜放開采過程中頂煤及矸石的真實運(yùn)移狀態(tài)。 為直觀地展現(xiàn)放出體形態(tài)，謝廣祥等［94］利用可視化仿真技術(shù)，驗證了放出體近似呈一旋轉(zhuǎn)橢球體，且軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在上述研究的基礎(chǔ)上，王家臣等［95］進(jìn)一步建立將原單一的煤巖分界面、頂煤放出體、采出率及含矸率4 個要素統(tǒng)一于系統(tǒng)的BBR 研究體系［96］，且因支架尾梁邊界的影響，放出體形態(tài)可定義為切割變異橢球體。 之后，為進(jìn)一步從理論上描述放出體形態(tài)，引入散體介質(zhì)力學(xué)的Bergmark-Roos 模型［96］（B-R 模型）。 由于放出體不對稱，改進(jìn)前后模型如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)前后的B-R 模型［96］Fig.5 B-R model before and after improvement［96］

上述研究成果的理論基礎(chǔ)分別為放礦橢球體理論及散體介質(zhì)流理論在綜放開采領(lǐng)域的延伸與應(yīng)用，而文獻(xiàn)［97-98］將隨機(jī)介質(zhì)理論引入綜放開采中，研究頂煤放出體及煤矸分界面形態(tài)，并推導(dǎo)描述兩者形態(tài)的表達(dá)式，其在坐標(biāo)軸中的形態(tài)如圖6、圖7 所示。 之后構(gòu)建出頂煤采出率預(yù)測模型，研究含矸率及采出率之間的關(guān)系。 在頂煤塊度大小對放出率的影響上，張勇等［99］運(yùn)用PFC 進(jìn)行了模擬分析，得到頂煤塊度存在一臨界值，當(dāng)大于此值時，頂煤放出率會大幅度降低。 同時給出煤巖成拱的解決措施為：減小頂煤塊度及增大放煤口尺寸。

圖6 工作面走向煤矸分界線［97］Fig.6 Boundary of top-coal and loose rock in direction of working face［97］

圖7 頂煤放出體形態(tài)［97］Fig.7 Shape of drawing body of top-coal［97］

經(jīng)理論分析與試驗證實，支架會對頂煤運(yùn)移產(chǎn)生明顯影響，宋選民等［100］研究了支架架型對頂煤冒放效果的影響，得出選擇長頂梁低位插板式尾梁可擺動式放煤支架有利于頂煤的破碎；方新秋等［101］通過運(yùn)用離散元對綜放工作面在不同頂煤硬度及架型條件下的端面穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，得到支撐式支架適用于硬煤綜放工作面，而掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式則適應(yīng)于軟、中硬及硬煤3 種條件下的綜放工作面；劉長友等［102］通過相似模擬試驗得到掩護(hù)梁傾角增大，放煤后的頂煤層位線與中上部煤矸分界線斜率變陡，煤矸流動速度變快但易于混矸的規(guī)律。 在支架的合力作用位置的研究中；宋選民等［100］通過數(shù)值計算的方法，以頂煤破碎程度綜合指標(biāo)為評價依據(jù)，得出對古書院礦3 號硬煤綜放開采，支架合力作用位置距離煤壁4 m 處較為合理；韓光遠(yuǎn)等［103］從支架受力的理論角度對支架合力作用點位置進(jìn)行了探討，得到了多個支架參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，為定量確定合理支架合力作用位置提供了理論依據(jù)；劉前進(jìn)等［104］分別研究了不同硬度頂煤的支架頂梁外載及合力作用點位置，得出頂煤越硬，支架載荷越大，且合力作用點越后的規(guī)律，在軟及中硬煤層條件下，合力作用點主要距頂梁末端1.3～2.6 m。

綜上所述，我國關(guān)于頂煤放出規(guī)律這一方面進(jìn)行了深入的研究：在總結(jié)放頂煤工作面實測數(shù)據(jù)以及相似模擬試驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的放礦橢球體理論進(jìn)行了改進(jìn)延伸，使之更加合理的適用于放煤規(guī)律的研究，同時也解釋了諸多生產(chǎn)現(xiàn)象。 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，離散元顆粒流程序（PFC）逐步成熟應(yīng)用于模擬放煤過程，由最初的二維前進(jìn)到了三維空間放煤規(guī)律的研究，此后，越來越多的學(xué)者圍繞綜放工作面自身的特點，運(yùn)用豐富的手段方法繼續(xù)進(jìn)行了理論探索。在后續(xù)放煤規(guī)律的深入研究中，采用超級計算機(jī)建立更加真實描繪現(xiàn)場生產(chǎn)實際的數(shù)值模型來探索頂煤的放出規(guī)律將作為主要的研究手段之一。

4 放頂煤開采工藝

4.1 常規(guī)的綜放工藝研究

頂煤放出規(guī)律的相關(guān)研究主要是為合理放煤工藝的確定做鋪墊。 關(guān)于合理放煤步距的研究，于海涌等［105-106］在放出體模型的基礎(chǔ)上，建立了合理放煤高度分析模型及最佳放煤步距數(shù)學(xué)模型，如圖8、圖9 所示，為放煤工藝參數(shù)的合理確定提供了理論支撐。 田多等［107］基于放礦橢球體理論，研究了可放橢球體、實放橢球體的表達(dá)式，建立了放煤厚度、放煤步距及頂煤放出量的關(guān)系模型，進(jìn)而推導(dǎo)出可大致估算頂煤損失量與放煤步距間關(guān)系的計算方法，如圖10 所示。 將該結(jié)論運(yùn)用于現(xiàn)場生產(chǎn)，得到了適應(yīng)不同放煤厚度的合理放煤步距，即當(dāng)頂煤厚度小于4.0 m 時，最佳放煤步距應(yīng)為0.8 m；當(dāng)頂煤厚度在4.0～7.0 m 時，放煤步距應(yīng)為1.6 m；當(dāng)頂煤厚度大于7.0 m 時，最佳放煤步距應(yīng)為2.4 m。

圖8 放煤高度的確定［105］Fig.8 Determination of top-coal caving height［105］

圖9 放煤步距理論分析模型［106］Fig.9 Theoretical analysis model of caving interval［106］

圖10 放煤步距與煤損計算［107］Fig.10 Coal caving step and coal loss calculation［107］

關(guān)于放煤口參數(shù)及多口協(xié)同放煤的研究方面，谷新建［108］在前人提出的邊界約束條件下頂煤放出規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了工作面推進(jìn)方向上合理放煤口位置數(shù)學(xué)模型，得出放煤口高度越低，放出煤量越大的規(guī)律。 而在工作面長度方向放煤口的研究中，劉闖等［109］提出綜放工作面多口協(xié)同放煤方法，建立了多口協(xié)同放煤方式理論分析模型，提出工作面同時開啟放煤口的數(shù)目受到工作面頂板穩(wěn)定性、后部刮板輸送機(jī)運(yùn)力、瓦斯及粉塵濃度等諸多因素的制約；杜龍飛等［110］借鑒Bergmark-Roos 模型分析放出體形態(tài)，提出放出體的影響范圍隨放煤口的增大而增大，煤矸分界面曲線的下沉速度、放煤時間與放煤口尺寸呈正相關(guān)的放煤規(guī)律。

為從試驗角度確定合理放煤工藝，因此，黃炳香等［111］考慮煤矸破碎塊度在厚度方向上的實際變化規(guī)律，進(jìn)行散體相似模擬試驗，提出了可在現(xiàn)場放煤過程中通過直接觀察放煤口煤流中矸石比例的方法確定何時關(guān)窗，通過試驗得到，當(dāng)放煤口煤矸流中矸石的比例為1／3 時即可終止放煤，同時，煤流中矸石比例不得超過1／2，否則將快速提高含矸率。 王家臣等［112］基于BBR 研究體系，研究了多口放煤條件下頂煤的放出規(guī)律，提出分段逆序放煤的開采工藝，如圖11 所示，該放煤方式可有效提高工作面中部及下端頭的頂煤采出率。

圖11 分段逆序放煤方式［112］Fig.11 Sectional inverse coal drawing method［112］

研究放煤步距的主要方法是相似模擬試驗，蔣金泉等［113］利用顆粒離散元軟件深入研究放煤步距與頂煤厚度的關(guān)系，得到頂煤厚度2 ～3 m 時，最為合理放煤步距為1.0 m，較為合理的步距是0.8 m，該結(jié)論可作為工作面三機(jī)配套設(shè)計的參考，從而實現(xiàn)一采一放、采放平行作業(yè)。 在常規(guī)地質(zhì)條件下，圍繞放煤高度、放煤步距及放煤方式等關(guān)鍵放煤工藝參數(shù)開展了研究，并在此研究基礎(chǔ)上更加細(xì)化的探索了放煤口參數(shù)及其協(xié)同配合關(guān)系，同時針對合理的關(guān)窗原則進(jìn)行了探討，為后續(xù)智能化綜放工作面的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

4.2 特殊開采條件下綜放開采工藝

4.2.1 特殊地質(zhì)條件下綜放開采工藝

在“三軟”煤層條件下，諸化坤等［114］提出了提高權(quán)臺煤礦“三軟”煤層煤炭采出率的措施，并指出“三機(jī)”配套技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計對于綜放工作面實現(xiàn)高產(chǎn)高效十分重要。 王紹勇等［115］以渦北煤礦8102工作面為工程背景，研究了近距離“三軟”煤層的回采工藝及回采技術(shù)，確定放煤工藝參數(shù)為兩刀一放，低位多輪間隔等量放煤。

在堅硬頂板條件下，魏錦平等［116］綜合考慮采放比、控頂距、放煤步距、支架工作阻力、支架作用點合力等因素，通過數(shù)值模擬進(jìn)行正交試驗，以破碎系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行綜放工藝參數(shù)優(yōu)化，確定了忻州窯煤礦采高應(yīng)為3 m，放煤步距0.5 ～0.6 m，支架阻力為6 000 kN，可提高頂煤破碎效果，并有效控制頂板。彭建勛等［117］以大同礦區(qū)為例，分別研究了“兩硬”條件下的頂煤弱化技術(shù)、堅硬頂板控制技術(shù)及瓦斯治理方法。 李祥等［118］系統(tǒng)地研究了特厚堅硬煤層在頂板堅硬、瓦斯含量高及埋深淺的條件下巷道的布置、設(shè)備選型設(shè)計以及預(yù)裂爆破技術(shù)，對類似條件下的綜放開采具有一定參考價值。

大傾角綜放工作面頂煤運(yùn)移規(guī)律與緩斜工作面存在差異，程文東等［119］以王家山煤礦大傾角綜放工作面為工程實例，應(yīng)用UDEC 軟件模擬綜放工藝過程，表明急斜工作面上部可采用下行雙輪間隔順序放煤，而中、下部則可采用上行雙輪間隔順序放煤；張錦旺等［120］基于BBR 研究體系，運(yùn)用PFC 分別研究了工作面傾角變化對頂煤放出體及煤矸分界面的影響，得到隨傾角增大，工作面采出率呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

隨著大采高綜放開采技術(shù)的不斷進(jìn)步和在我國得到快速發(fā)展及應(yīng)用，郭金剛等［121］介紹了潞安礦業(yè)集團(tuán)大采高綜放技術(shù)的特點及創(chuàng)新思路，從工業(yè)開采的角度分析了大采高綜放技術(shù)帶來的較大經(jīng)濟(jì)效益；于斌［122］研究了塔山礦特厚煤層綜放開采工藝適應(yīng)性，確定了塔山礦合理的回采工藝參數(shù)，并實施工業(yè)性試驗。

對綜放開采出現(xiàn)的頂煤隨機(jī)成拱問題，白慶升等［123］現(xiàn)場實時記錄尾梁千斤頂?shù)膲毫?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)尾梁受到散體煤流的沖擊作用，壓力在10 ～20 MPa震蕩，可前后擺動尾梁破壞頂煤拱的穩(wěn)定性；于斌等［124］分析特厚煤層綜放頂煤成拱的機(jī)理，提出“面接觸塊體拱”模型，依據(jù)力學(xué)分析得到拱的跨距與頂煤塊體尺寸及拱腳所在坡面有關(guān)，并給出頂煤注水軟化、開發(fā)新型支架及強(qiáng)擾動裝置和優(yōu)化放煤工藝等除拱對策。

近距煤層群在我國十分普遍，對于層間距較小、夾矸層強(qiáng)度低和厚度小及煤層較厚的礦井可采用綜放開采技術(shù)，魯巖等［125］以泉店煤礦為背景，利用PFC數(shù)值模擬軟件優(yōu)化研究放煤步距及放煤順序，確定了“一采一放、上行放煤”的工藝參數(shù)；趙鐵林等［126］針對淺埋堅硬頂板冒落結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)在工作面走向及傾向方向均易成拱現(xiàn)象，優(yōu)化確定了一采一放、多輪順序放煤的工藝，可降低頂煤成拱的概率。

4.2.2 具有沖擊傾向性煤層綜放開采工藝

沖擊地壓指的是在開采礦山的過程中，其圍巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)遭到破壞，原始應(yīng)力進(jìn)行重新分布，進(jìn)而造成劇烈的震動，同時伴隨大量的煤體掉落的一種動力災(zāi)害，也是一種在煤礦的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較大危害的礦壓顯現(xiàn)形式。

隨著煤礦開采技術(shù)的發(fā)展，放頂煤工藝已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到?jīng)_擊礦井中。 放頂煤開采可以改變相應(yīng)煤體的應(yīng)力狀態(tài)，通過借助開采過程中的剪應(yīng)力以及拉應(yīng)力的作用，使得煤體內(nèi)產(chǎn)生微觀裂隙并逐漸變?yōu)楹暧^裂隙，同時煤體會出現(xiàn)沿著采空區(qū)對應(yīng)方向的位移，從而改變了相應(yīng)煤體的應(yīng)力狀態(tài)；放頂煤開采工藝可以減小沖擊地壓發(fā)生的可能性以及強(qiáng)度。 在放頂煤開采的情況下，其力學(xué)體系會發(fā)生轉(zhuǎn)變，由“頂板-煤層-底板”的力學(xué)體系轉(zhuǎn)變?yōu)椤绊敯?頂煤-開采煤層-底板”的力學(xué)體系。 在放頂煤開采的過程中，會出現(xiàn)較大范圍的破裂區(qū)，造成在對應(yīng)的開采煤層上部產(chǎn)生了塑性變形區(qū)域，在該區(qū)域存在的煤體，一旦當(dāng)堅硬的基本頂出現(xiàn)斷裂的情況時，會伴隨著動壓沖擊以及應(yīng)力高峰的轉(zhuǎn)移，就會使得煤體遭到破壞。 沖擊地壓在破壞區(qū)作為緩沖的條件下，產(chǎn)生的強(qiáng)度以及可能性都會減??；在放頂煤開采工作時，會增加其工作面的直接頂厚度，同時與分層開采的上覆巖層相比，加大了其縱向運(yùn)動范圍，一旦出現(xiàn)上部巖層發(fā)生沖擊的情況時，已經(jīng)產(chǎn)生破壞的頂煤和發(fā)生運(yùn)動的上覆巖層，都會減少沖擊波的作用力，進(jìn)一步地降低了沖擊地壓的危害［127］。

張延松［128］結(jié)合我國薄及中厚煤層綜采煤層鉆孔注水防止沖擊地壓技術(shù)經(jīng)驗，修正鉆孔布置與注水參數(shù)并應(yīng)于某礦綜放開采實踐中，并通過實驗室?guī)r石力學(xué)測試結(jié)果與現(xiàn)場實測交互驗證，構(gòu)建了厚煤層綜放工作面煤層注水防沖技術(shù)體系；宋振騏等［129］指出綜放工作面一旦發(fā)生沖擊地壓事故，其強(qiáng)度較一般工作面大，應(yīng)當(dāng)對綜放工作面推進(jìn)過程中的應(yīng)力分布規(guī)律與覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分研究，將巷道布置于“內(nèi)應(yīng)力場”；為防止應(yīng)力集中，同時對堅硬頂板進(jìn)行及時卸壓處理。 李俊等［130］針對華亭煤礦綜放工作面空區(qū)側(cè)回風(fēng)巷沖擊礦壓事故多發(fā)的特點，分析覆巖結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為“F”型覆巖結(jié)構(gòu)是回風(fēng)巷沖擊事故的主要誘因，結(jié)合該礦2501 綜放工作面工程實際，提出了基于深孔爆破的解危卸壓技術(shù)措施。 鄭曉晨［131］結(jié)合古城礦綜放工作面沖擊礦壓事故多發(fā)的工程實際，分析頂板硬厚砂巖時沖擊礦壓形成的主要原因，提出了“超前深孔松動爆破，二次卸壓爆破，煤層注水”的綜合防沖技術(shù)。 鄧啟銳［132］針對陳家溝煤礦八采區(qū)首采8512 綜放工作面沖擊礦壓防止問題，統(tǒng)籌采用理論分析、數(shù)值模擬以及相似模擬的方法，提出“內(nèi)應(yīng)力釋放與材料屬性變化”的解危卸壓原則，構(gòu)建了對巷幫與底板的大直徑鉆孔卸壓技術(shù)、對“頂、底、煤”全采場深孔爆破卸壓與“動、靜壓”煤層注水的全面防沖方法。

目前，現(xiàn)有的沖擊礦井預(yù)測方法主要有：鉆屑法、應(yīng)力預(yù)測法、微震監(jiān)測法、地音監(jiān)測法、電磁輻射法［133］。 伴隨智能化綜放技術(shù)的推廣，耦合有“動態(tài)化實時監(jiān)測”與“實時預(yù)警與防沖對策”的“智能化決策平臺”將會成為未來綜放工作面防沖研究的發(fā)展趨勢。

4.2.3 瓦斯突出煤層綜放開采工藝

我國煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，且隨著淺部資源的大力開發(fā)，我國老礦井的開采深度逐年增加，新建礦井亦處在煤田深部，煤層中瓦斯含量與地應(yīng)力逐漸增大，因此總體上高瓦斯及突出礦井?dāng)?shù)量眾多。 綜放開采技術(shù)在瓦斯等級低的礦井已廣泛使用，但由于綜放開采煤層厚度大，巷道斷面小，允許最大風(fēng)量有限，易造成瓦斯積聚，且瓦斯突出是煤礦安全生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，需對高瓦斯條件下的綜放開采進(jìn)行探索。關(guān)于綜放開采技術(shù)在這一類煤礦使用的可行性，魏家地煤礦開展了部分先行的實驗研究，尚海濤［134］結(jié)合魏家地煤礦實際開采情況，證實了高瓦斯或有突出危險煤層礦井在進(jìn)行預(yù)抽排煤層瓦斯的前提下采用綜放開采工藝是可行的；謝廣祥等［135］運(yùn)用數(shù)值模擬探索了不同采厚綜放工作面支承壓力分布規(guī)律，基于此規(guī)律，從能量角度研究得出采高增加，瓦斯突出災(zāi)害有所緩解。 綜放開采對消除突出具有積極作用；周占魁等［136］以謝橋礦為工程背景，分析了瓦斯來源，介紹了頂板走向鉆孔、順層鉆孔、上隅角埋管和尾巷埋管、頂板高抽巷等抽放手段，并介紹了整個抽放系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中取得良好效果；吳仁倫等［137］運(yùn)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的方法研究了綜放工作面瓦斯抽采對上覆煤層開采的影響規(guī)律，得到合理的瓦斯抽采手段可有效降低上覆煤層開采期間瓦斯突出及超限的問題。

4.2.4 綜放工作面防滅火技術(shù)

礦井火災(zāi)是井下常見且重大的災(zāi)害之一，火災(zāi)發(fā)生時會嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)，燒毀設(shè)備、造成經(jīng)濟(jì)損失，煤炭自燃所釋放出的大量有毒有害氣體嚴(yán)重危害井下人員生命安全。 因此開展具有自燃傾向性煤層條件下綜放開采工藝的研究對于安全高效生產(chǎn)具有重要意義。 陳全等［138］用理論分析及綜放工作面現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了綜放采場自然發(fā)火規(guī)律，指出進(jìn)風(fēng)側(cè)應(yīng)是重點防治的區(qū)域，同時漏風(fēng)源及一定高度處存在自然發(fā)火危險，而綜放工作面采空區(qū)高處有遺煤，因此傳統(tǒng)綜采面的防火措施有一定局限性，可通過采空區(qū)注氮消除綜放工作面采空區(qū)高處自然發(fā)火的危險；譚允禎等［139］圍繞放頂煤工作面進(jìn)風(fēng)巷道頂板出現(xiàn)煤層自燃的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，建立了巷道頂板裂隙風(fēng)流流動數(shù)學(xué)模型，并通過邊界元法進(jìn)行解算，得到巷道掘進(jìn)初期及前50 m 回采區(qū)域內(nèi)頂板煤層易于自燃的規(guī)律；周英等［140］為解決耿村礦煤層極易發(fā)火自燃的問題，通過現(xiàn)場工藝環(huán)節(jié)統(tǒng)計觀測，提出了一套工作面工藝模式，取得很好的技術(shù)效果。 由于礦井開采地質(zhì)條件千差萬別，針對復(fù)雜煤層開采條件下防滅火措施及工藝方法的研究也尤為重要，任萬興等［141］提出了一種新型的三相泡沫技術(shù)，并詳細(xì)介紹了三相泡沫的成分及具體工藝流程，在大傾角俯采綜放工作面防滅火取得了良好的效果；馮良兵等［142］等研究了深部礦井采用的膠體防滅火技術(shù)，闡述了該技術(shù)的原理，并提出“降溫控氧”的防滅火思想以及“架間打鉆和兩端頭封堵”的主要措施，經(jīng)現(xiàn)場采用，取得良好的效果；王坤［143］通過束管監(jiān)測系統(tǒng)研究了短壁大采高綜放工作面未注氮與注氮后注氮流量與注氮管路間距對采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律的影響，確定了烏東煤礦注氮流量為250～600 m3／h，注氮管路間距為17.7 m 左右較為合適。 由于綜放工作面終采回撤期間，采空區(qū)遺留有大量煤炭，加之回撤設(shè)備及推進(jìn)速度慢，花費大量時間，使得采空區(qū)浮煤堆積氧化，進(jìn)而發(fā)火自燃［144］，因此針對終采回撤期間采煤工作面的防滅火技術(shù)研究頗具意義；王悅恒等［145］則主要圍繞綜放工作面拆除期間的自然發(fā)火原因從頂煤的破碎堆積、漏風(fēng)通道的封閉以及礦壓作用等角度進(jìn)行了詳盡的分析，并針對每個角度提出相應(yīng)的綜合防滅火措施；郝宇等［146］針對塔山礦8102 綜放工作面特點，提出明確終采線、加快停采前掘進(jìn)、減小風(fēng)量、地面裂隙堵漏并采用注氮、注漿、束管監(jiān)測等方法抑制自然發(fā)火。 經(jīng)現(xiàn)場證實，可有效保證工作面回撤安全。 隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，相信會有更多種類、更加完善的技術(shù)方法會逐步應(yīng)用于井下火災(zāi)的防治。

總體上，由于煤礦井下地質(zhì)條件千差萬別，而復(fù)雜條件下煤炭資源的開采，不僅極大地增加了井下從業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，還會對其人身安全造成一定威脅，因此國內(nèi)學(xué)者針對不同的地質(zhì)條件開展了專項研究，通過調(diào)整放煤參數(shù)以及增加特殊工序的方法，達(dá)到綜放工藝能夠適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下正?；夭傻哪康模瑫r也為后續(xù)智能化開采在各種地質(zhì)條件下的普及進(jìn)行有益嘗試。

4.3 綜放工序的時空配合關(guān)系

綜放開采工藝是由割煤、移架、推移前刮板輸送機(jī)、放煤、拉移后刮板輸送機(jī)5 道工序組成，這5 道工序在時間空間上的相互配合對實現(xiàn)采放平行作業(yè)及最大限度發(fā)揮綜放開采生產(chǎn)能力起著至關(guān)重要的作用。

鄭行周［147］運(yùn)用概率統(tǒng)計理論，基于采放平行作業(yè)原則和采煤機(jī)平均截割速度，分別確定出工作面各設(shè)備生產(chǎn)能力，得到前、后刮板輸送機(jī)的輸送能力配套關(guān)系，并指出采放比是影響前、后刮板輸送機(jī)配套關(guān)系最主要的因素。 表2 即為所得前、后刮板輸送機(jī)輸送能力比，由表2 可知采放比在1 ∶1.33左右時，可使用生產(chǎn)能力大致相等的刮板輸送機(jī)。

表2 前、后刮板輸送機(jī)輸送能力關(guān)系［147］Table 2 Transport capacity relationship between front and back rear scraper conveyor［147］

在采煤、放煤及前、后刮板輸送機(jī)配合關(guān)系的研究中，割煤與移架速度的合理匹配同樣對綜放開采的安全高效有著重要影響，這些因素不可忽略。 羅善明等［148］從可靠度的角度出發(fā)，得到綜放工作面移架-割煤系統(tǒng)的可靠性聯(lián)結(jié)方程，發(fā)現(xiàn)大部分綜放工作面存在采煤-移架系統(tǒng)可靠性低的現(xiàn)象，指出高產(chǎn)高效綜放工作面，應(yīng)將移架速度控制為割煤速度的1.3 ～1.5 倍，而超長綜放工作面移架速度應(yīng)為割煤速度的1.5 ～1.8 倍。 曹勝根［149］則利用系統(tǒng)可靠性理論，分析與研究礦井主運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠度，給出后續(xù)提高主運(yùn)輸系統(tǒng)可靠度的技術(shù)措施。

據(jù)2020 年2 月，國家八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》可以見得，智能化綜放開采是未來綜放工藝?yán)^續(xù)發(fā)展進(jìn)步的關(guān)鍵方向。 隨著5G 技術(shù)的逐步成熟、人工智能及礦用特種機(jī)器人的快速發(fā)展、智能綜放裝備關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，目前存在的諸多問題也會迎刃而解，如智能化放煤控制，井下粉塵飄散、條件惡劣，目前放煤口的開啟和閉合主要通過人為觀察控制，存在放煤時間控制不合理，過早的停止放煤造成資源的浪費，過晚的終止放煤導(dǎo)致含矸率過高，因此實現(xiàn)智能化放煤控制尤為重要，未來有望通過激光掃描、三維雷達(dá)等技術(shù)較好地解決該問題。 針對煤矸界面的識別，未來可通過微波等手段實時掃描煤壁，快速識別煤巖界面，亦可通過激光掃描煤壁，建立煤壁三維地質(zhì)模型，自動依照模型調(diào)整采煤機(jī)位態(tài)，實現(xiàn)工作面的“無人跟機(jī)，有人巡檢”。 而對于智能化采煤工序間的協(xié)調(diào)配合，可通過配設(shè)諸多傳感器實現(xiàn)實時監(jiān)控，依靠大數(shù)據(jù)及5G 技術(shù)快速傳輸?shù)降孛婊蚓轮悄芸刂婆_，必要時可遠(yuǎn)程干預(yù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。 得益于上述技術(shù)的發(fā)展，智能化綜放開采技術(shù)的應(yīng)用具有著光明前景。

5 綜放工作面“三機(jī)”裝備研究進(jìn)展

5.1 綜放液壓支架裝備發(fā)展

5.1.1 綜放支架放煤口位置及結(jié)構(gòu)的發(fā)展

我國放頂煤支架的發(fā)展，先是引進(jìn)國外的ZYF400／17／30、YTY200-16／26、VHP-732 型單輸送機(jī)高位放煤支架，對國內(nèi)的厚煤層綜放開采試驗研究有重要作用。 經(jīng)歷了國外的高位放煤支架，自主研發(fā)的中位放煤支架，再到低位放煤支架研制應(yīng)用3 個階段，在提高頂煤放出率、支架穩(wěn)定性及采放工序的空間合理匹配方面取得了重大突破［150］。

1）高位放煤支架。 高位放煤支架指短頂梁、長掩護(hù)梁的掩護(hù)式支架，其設(shè)備配套較為簡單，僅使用1 部輸送機(jī)來運(yùn)送采煤機(jī)割煤及放落的頂煤，保證了端頭的及時維護(hù)。 高位放頂煤支架的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，造價較低，其放煤口尺寸較大，可達(dá)2 000 mm×800 mm，可適應(yīng)大塊煤的放出。 但高位放煤支架因放煤口高、放煤損失大、產(chǎn)塵大、采煤和放煤不能平行作業(yè)等問題，使其經(jīng)濟(jì)效益大幅降低。 隨著技術(shù)的發(fā)展，研制出了ZFD2600／22／32 型高位放煤支架已有效地解決了傳統(tǒng)高位放頂煤梁高放煤口不穩(wěn)定及容易扎底等問題，為高位放煤液壓支架的使用提供了一種新型設(shè)備［151］。 高位放煤支架的頂梁較短，一旦應(yīng)用到軟煤層中，可能會使其失去有效支撐。 因此，隨著綜采工藝的發(fā)展，高位放煤支架將只主要用于緩傾斜厚煤層中。

2）中位放煤支架。 20 世紀(jì)80 年代末至90 年代初，我國綜放開采的單輸送機(jī)高位放煤支架配備滿足不了煤礦的高產(chǎn)高效要求，因此雙輸送機(jī)的中位放頂煤支架得到廣泛使用。 中位放煤支架是雙輸送機(jī)運(yùn)煤、放煤口開設(shè)在掩護(hù)梁、中位放煤的支撐掩護(hù)式液壓支架。 針對不同煤層情況，使用不同型號的中位放煤液壓支架，在緩傾斜、中硬厚煤層情況下，通常使用ZFS4400／16.5／26 型單鉸接式支架與FY450-16／26 型四連桿式支架；在急傾斜厚煤層條件下，通常使用FYC400-16／28 型四連桿式支架和FYS300-19／28 型單鉸接式支架。 中位放煤支架，其具備良好的穩(wěn)定性、密封性、較強(qiáng)的抗偏載和抗扭能力，不易損壞，其放煤口與煤壁較遠(yuǎn)，保證了工作面前方頂煤的穩(wěn)定性。 中位放煤支架頂梁較長，移架過程中反復(fù)支撐頂煤，增加了頂煤的破碎程度，同時其支撐底座較長，支架對底板的比壓降低，保證了比壓的均勻分布，防止陷底效果顯著。 雙輸送機(jī)的使用，實現(xiàn)了采、放煤工序的平行作業(yè)。 在我國各礦區(qū)，中位放煤支架應(yīng)用較為廣泛，僅在陽泉煤業(yè)集團(tuán)就有約10 個工作面使用不同型號的中位放煤支架，總計1 400 余架。 中位放煤支架的缺陷是放煤口尺寸一般為1 500 mm×900 mm，導(dǎo)致支架之間的三角煤放不出、放煤口易產(chǎn)生大塊煤堵塞的情況［152］。同時其在支架底座上放置后輸送機(jī)，后部空間有限，加大了大塊煤通過的難度，增加了移架阻力。 因此，不同礦區(qū)對中位放煤支架都進(jìn)行了不同的改造，以此來適應(yīng)具體礦區(qū)的綜放開采實踐。 中位放煤支架的后輸送機(jī)固定在支架底座上，因此使得其后部空間有限，造成移架困難，大塊煤通過困難。 同時，其掩護(hù)梁不能擺動，造成其二次破煤能力差［153］。 在今后的發(fā)展中，中位放煤支架的研制將著手于上述2 個問題，進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)。

3）低位放煤支架。 目前，在我國應(yīng)用較好的為低位放煤支架。 低位放煤支架是一種配備雙輸送機(jī)運(yùn)煤、掩護(hù)梁后部鉸接1 個帶有插板的尾梁，實現(xiàn)低位放煤的支撐掩護(hù)式液壓支架。 其有1 個可上、下擺動的尾梁，用來松動頂煤或適應(yīng)放出煤塊的大小，保證1 個適應(yīng)放煤過程的落煤空間；同時其支架之間放煤口具有連續(xù)性，尾梁中間設(shè)置1 個液壓控制放煤插板，用于放煤和破碎大塊煤［154］。 低位放煤支架主要有正四連桿放煤支架及反四連桿放煤支架2 種類型，這是主流的低位放煤支架類型，在綜放支架選型中居主導(dǎo)地位。 正四連桿放煤支架的四連桿放置位置以及放煤機(jī)構(gòu)與反四連桿存在著差異，因此根據(jù)不同的煤層地質(zhì)條件需選擇適合的放煤支架類型［247］。 正四連桿低位放煤支架，采用雙輸送機(jī)，可實現(xiàn)采、放煤平行作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率；同時正四連桿放煤支架的穩(wěn)定性較強(qiáng)，作業(yè)過程產(chǎn)塵量較小，支護(hù)效果較好，但因低位放煤，隔離采空區(qū)的效果不佳，移架過程中易出現(xiàn)漏矸，煤的含矸率較高。正四連桿放煤支架包括前、后四連桿2 種類型。 主要型號有前四連桿式的FY2800-14／28 型及后四連桿式的ZFP5200／17／32 型，其在潞安、兗州等礦區(qū)投入使用，均創(chuàng)造了高產(chǎn)高效的紀(jì)錄。 低位放煤支架具有連續(xù)放煤口，放煤效果較好，無脊背煤損，采出率較高。 與高、中位放煤支架相比，低位放煤支架從煤壁到放煤口的距離最大，頂煤經(jīng)過頂梁的反復(fù)支撐即更多的周期性加卸載作用，破碎更加充分，利于提高放煤率［155］。 低位放煤支架后輸送機(jī)沿底板布置，易排出浮煤，移架阻力減小，同時尾梁插板可破碎大塊煤，保證了不易堵塞放煤口。 低位放煤支架應(yīng)用，大幅降低了放煤產(chǎn)塵濃度。 但其前四連桿低位放頂煤液壓支架的抗扭及抗偏載能力差，導(dǎo)致支架的穩(wěn)定性較差；同時尾梁擺動力和上擺角較小，使破煤和松動頂煤的能力較差。 而反四連桿低位放煤支架的抗載荷能力較強(qiáng)，支護(hù)效果良好；同時作業(yè)空間較大，保證了工人的工作環(huán)境，設(shè)備檢修較為便捷，提高了回采的效率及效果。 但是，反四連桿低位放煤支架漏矸現(xiàn)象嚴(yán)重，造成頂煤的含矸量較高，增加了后續(xù)的選煤難度。 綜上述分析，無論是正四連桿還是反四連桿低位放煤支架，不同礦區(qū)都要根據(jù)自身的地質(zhì)條件進(jìn)行合理選擇適宜的架型。 在未來的發(fā)展進(jìn)程中，正四連桿低位放煤支架以及反四連桿低位放煤支架都將與智能化系統(tǒng)相結(jié)合，使得其操作更為簡單、便捷。

5.1.2 綜放支架架型結(jié)構(gòu)的發(fā)展

放煤支架在支架類型上，分為兩柱掩護(hù)式放煤支架及四柱支撐掩護(hù)式放煤支架。 兩柱掩護(hù)式放煤支架主要類型有ZFY17000／27／50D 型和ZF8500／21／40D 型，四柱支撐掩護(hù)式放煤支架主要類型有ZF7000／21／42 型［156］。

在我國大部分礦區(qū)還在使用四柱支撐掩護(hù)式支架，而四柱支撐掩護(hù)式放煤支架存在許多突出問題［157］。 在破碎和松軟頂煤情況時，四柱支撐掩護(hù)式放煤支架其自身的頂梁合力作用點與頂板載荷中心的適應(yīng)度不高，一旦頂板壓力合力作用點或者其地質(zhì)情況發(fā)生變化時，頂板載荷位置與四柱支撐掩護(hù)式放煤支架的工作狀態(tài)不匹配，出現(xiàn)不相適應(yīng)的“支架-圍巖”關(guān)系；四柱支撐掩護(hù)式放煤支架，因受放煤過程的影響其前、后柱的阻力差異較大，導(dǎo)致其總體支護(hù)效率較差，額定工作阻力利用率不高，因此支架的實際支護(hù)強(qiáng)度不高，設(shè)計的液壓支架頂板控制能力要高于實際的控制頂板能力；因四柱支撐掩護(hù)式放煤支架采用整體頂梁結(jié)構(gòu)及前、后排支柱受力不均，造成后排立柱拉壞現(xiàn)象嚴(yán)重；四柱支撐掩護(hù)式放煤支架的電液控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，使其升、降、移架的難度增加，同時其對頂煤向前的水平作用力不高，控制架前頂煤的能力不足，造成的機(jī)道冒頂較為嚴(yán)重，因此難以實現(xiàn)高產(chǎn)高效的綜采作業(yè)。 為解決上述問題，2004 年天地科技股份有限公司設(shè)計出了兩柱掩護(hù)式放煤支架［158］。 兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架與四柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架最顯著的區(qū)別在于其由原先的兩排四根立柱改進(jìn)成單排兩根立柱，同時加入了用來平衡頂梁和掩護(hù)梁的千斤頂，因此2 種支架類型的“支架-圍巖”關(guān)系存在明顯差異，兩柱放頂煤液壓支架的“支架-圍巖”的適配度更高，放煤支架的載荷動態(tài)變化更為顯著，其安全性更強(qiáng)。 在國外，兩柱掩護(hù)式支架已被美國、德國廣泛使用，南非、澳大利亞等一些傳統(tǒng)上采用四柱支撐掩護(hù)式支架的國家，也使用了兩柱掩護(hù)式支架。 在國內(nèi)，神東、大同、鄂爾多斯等礦區(qū)大型現(xiàn)代化礦井已經(jīng)選用兩柱掩護(hù)式支架。 2011 年以來，兩柱掩護(hù)式支架已經(jīng)成為了今后的主流選型。 在四柱支撐掩護(hù)式支架占主導(dǎo)地位的大環(huán)境下，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架也在不斷地發(fā)展改善，兩柱強(qiáng)力放煤支架的研制有效解決了工作阻力低的缺點。 兩柱強(qiáng)力放煤支架其工作阻力要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)兩柱掩護(hù)式放煤支架，其阻力高達(dá)18 000 kN，同時兩柱強(qiáng)力放煤支架最大支撐高度可達(dá)5.3 m。2019 年以來，神樹畔煤礦、雙山煤礦及大唐龍王煤礦等礦井已經(jīng)逐步使用兩柱強(qiáng)力放煤支架，且取得了良好的經(jīng)濟(jì)收益［159］。 由于兩柱掩護(hù)式放煤支架，具有結(jié)構(gòu)簡單及適應(yīng)性好等優(yōu)點，易實現(xiàn)智能化、自動化控制，因此在智能化開采中大多情況下選用兩柱掩護(hù)式放煤支架。

5.1.3 智能化綜放支架控制系統(tǒng)的最新發(fā)展

煤礦安全一直是煤礦工作的重中之重，我國有一些大采高工作面都是因支架的穩(wěn)定性不足而造成不可估量的后果。 諸如支架初撐力不足、接頂狀況欠佳、頂板離層破碎等，將可能使支架頂梁仰頭，損壞平衡千斤頂，發(fā)生大規(guī)模的倒架事故。 因此，增強(qiáng)液壓支架的穩(wěn)定性，可保證綜采工作面的安全高效生產(chǎn)。 近年來，隨著智能化電液控制系統(tǒng)的引入，逐漸增加了液壓支架的穩(wěn)定性，保證了綜采支護(hù)的安全性。 液壓支架控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展，形成了一套完整的智能化體系。 液壓支架的智能耦合控制系統(tǒng)，包括支架姿態(tài)、初撐力補(bǔ)償、煤壁護(hù)幫、支架遠(yuǎn)程序列化自控、快速卸載、頂板壓力超前預(yù)報、快速推移調(diào)架、跟機(jī)移架和工作液反沖洗精細(xì)過濾等智能決策控制子系統(tǒng)。 ZY8000／2.5／5.0 型液壓支架投入使用［160］，通過引入智能化的液壓支架控制系統(tǒng)，提高了綜采的生產(chǎn)效率，同時也保證了工人的安全。目前，雖已形成了較為完善的智能化液壓支架系統(tǒng)，但需根據(jù)實際煤礦的特點，經(jīng)過詳細(xì)科學(xué)的技術(shù)論證，才可投入使用。 這就需要提高液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)的可靠性與適應(yīng)性。 因此，智能化系統(tǒng)還需要不斷完善和持續(xù)進(jìn)步。

5.2 綜放采煤機(jī)裝備發(fā)展

我國特厚煤層的高產(chǎn)高效綜放工作面，所用配套設(shè)備技術(shù)含量高，制作難，因此大部分特厚煤層綜放配套設(shè)備主要還是進(jìn)口，其設(shè)備價格昂貴，運(yùn)輸困難，對礦井經(jīng)濟(jì)效益影響很大。 因此，學(xué)習(xí)和創(chuàng)新綜放設(shè)備的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，盡快提高研發(fā)和制造水平，對我國煤炭行業(yè)的發(fā)展有至關(guān)重要的作用。

5.2.1 綜放采煤機(jī)裝備研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)末，美、澳、英、德等國家研制出大功率、機(jī)電一體化、自動化控制的高產(chǎn)高效新型綜放開采設(shè)備，新型綜放開采設(shè)備配套生產(chǎn)，功能好，可靠性高，并且可實現(xiàn)自動控制，使得綜放開采實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，綜放設(shè)備技術(shù)也革新不斷，充分利用計算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，在智能化控制、故障診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面有了很大突破，綜放開采設(shè)備提升到一定的標(biāo)準(zhǔn)，許多技術(shù)發(fā)展水平較高的大型現(xiàn)代企業(yè)也有了代表性的采煤機(jī)設(shè)備系列，主要有美國JOY 公司的7LS 系列、德國EICK?HOFF 公司的SL 系列等［161］。 我國的采煤機(jī)設(shè)備發(fā)展大致可分為2 個階段：引進(jìn)學(xué)習(xí)階段和創(chuàng)新發(fā)展階段。

1）引進(jìn)學(xué)習(xí)階段。 20 世紀(jì)80 年代，我國引進(jìn)英、德、波、日的液壓牽引采煤機(jī)，并同時引進(jìn)英國的液壓牽引采煤機(jī)技術(shù)和德國的直流電牽引采煤機(jī)技術(shù)，開始學(xué)習(xí)應(yīng)用綜采技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開始仿制和研究，到20 世紀(jì)90 年代，我國已初步掌握交流變頻電牽引采煤機(jī)技術(shù)。

2）綜放采煤機(jī)裝備創(chuàng)新發(fā)展階段。 到20 世紀(jì)末，基本了解和掌握了采煤機(jī)制造技術(shù)，并成功研制出綜放開采成套裝備，逐步建立了我國的綜放開采裝備標(biāo)準(zhǔn)，基本實現(xiàn)了綜放開采裝備國產(chǎn)化，但與國際水平相比還有很大的差距。 新世紀(jì)以來，在國家“十五”、“十一五”計劃的支持下，我國綜放開采設(shè)備的研發(fā)和制造水平不斷進(jìn)步，實現(xiàn)了許多關(guān)鍵技術(shù)的突破，初步掌握大功率、大采高采煤機(jī)設(shè)計制造技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)，取得一系列重大成果，研制出更先進(jìn)的成套設(shè)備，真正實現(xiàn)了從普通機(jī)械化生產(chǎn)到高產(chǎn)高效集約化的改變［162-163］。 我國采煤機(jī)設(shè)備的發(fā)展，主要改進(jìn)了牽引方式，即從液壓牽引采煤機(jī)到電牽引采煤機(jī)的改變。 1998 年起我國就向印度、孟加拉等國出口電牽引采煤機(jī)，2001 年我國生產(chǎn)的電牽引采煤機(jī)占13%，2005 年達(dá)到47%。 目前在我國電牽引采煤機(jī)是主流裝備，主要有天地科技股份有限公司的MG750／1815-GWD、西安煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的MG750／1910-WD、雞西煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MG800／2040-WD、太原礦山機(jī)械集團(tuán)公司生產(chǎn)的MGTY750／1800-3.3D 等。 目前電牽引采煤機(jī)總裝機(jī)功率都在1 000 kW 以上，甚至達(dá)到2 000 kW；牽引力達(dá)700 kN 以上，最大牽引速度20～25 m／min。

20 世紀(jì)90 年代，在借鑒學(xué)習(xí)國外設(shè)備的基礎(chǔ)上，初步掌握了先進(jìn)的交流變頻技術(shù)并不斷發(fā)展，到2005 年，基本達(dá)到國際水平。 隨著裝機(jī)功率和工作面長度的增加，全工作面的供電容量達(dá)5 000 kW。前期急于求成導(dǎo)致研制的采煤機(jī)可靠性低，使用壽命短，經(jīng)過總結(jié)經(jīng)驗和技術(shù)創(chuàng)新，目前我國的采煤機(jī)研制水平有了極大的提高，節(jié)約成本的同時保證采煤機(jī)設(shè)備質(zhì)量，大幅提高了采煤機(jī)的可靠性，延長了采煤機(jī)的使用壽命。 隨著高新技術(shù)的發(fā)展，煤礦開采開始使用計算機(jī)技術(shù)，利用地理信息技術(shù)和遙感技術(shù)采集和分析數(shù)據(jù)，同時將自動化技術(shù)運(yùn)用到采煤機(jī)設(shè)備研制和工作面控制上，節(jié)省工作面開采過程中的人力物力，真正實現(xiàn)高科技智能化的高產(chǎn)高效。

5.2.2 滾筒采煤機(jī)

滾筒采煤機(jī)是綜放工作面煤炭生產(chǎn)的主要機(jī)械設(shè)備，適于在煤層厚度變化小、無夾石、地質(zhì)構(gòu)造簡單、煤層傾角15°以下、頂板易于管理的條件下使用。

滾筒式采煤機(jī)主要由截割部、牽引部、電氣裝置和輔助裝置等4 大部分組成。 采煤機(jī)的截割部是由采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)和驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)的減速器所組成的部件，還包括工作機(jī)構(gòu)的調(diào)高機(jī)構(gòu)和擋煤板及其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 截割部的作用是破煤和裝煤，由擋煤板、螺旋滾筒、搖臂箱和截割部減速箱等部件組成。 牽引部包括牽引機(jī)構(gòu)及傳動裝置2部分，牽引機(jī)構(gòu)是直接移動機(jī)器的裝置，分有鏈牽引和無鏈牽引2 種。 傳動裝置用來驅(qū)動牽引機(jī)構(gòu)并實現(xiàn)牽引速度的調(diào)節(jié)，傳動裝置也分為機(jī)械牽引、液壓牽引和電牽引3 類。 采煤機(jī)附屬裝置有滅塵裝置、調(diào)高和調(diào)斜裝置、擋煤板、防滑裝置、底托架、電纜拖移裝置。

5.2.3 發(fā)展趨勢

1）發(fā)展大功率、大型化、高可靠性的采煤機(jī)設(shè)備。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，將其應(yīng)用于采煤機(jī)設(shè)計和研發(fā)各個階段，可完成采煤機(jī)設(shè)備工藝優(yōu)化，縮短采煤機(jī)研發(fā)周期，加以正確地使用和維護(hù)采煤機(jī)設(shè)備，能充分發(fā)揮采煤機(jī)的使用效果，提高采煤機(jī)設(shè)備的可靠性和延長使用壽命。

2）改進(jìn)機(jī)電一體化、自動化關(guān)鍵技術(shù)，提高開采水平。 機(jī)電一體化、自動化控制新型設(shè)備已經(jīng)嶄露頭角，這些設(shè)備總體結(jié)構(gòu)更加合理，在工作面工作更加可靠，并且具備自動化控制和監(jiān)測功能，通過程序控制更好操縱，采掘和運(yùn)輸?shù)刃阅苓M(jìn)一步提高，這必將是未來煤礦開采設(shè)備發(fā)展的大勢所趨。

3）建立無人自動化生產(chǎn)和信息傳輸系統(tǒng)。 在煤礦開采工作面設(shè)備自動化的基礎(chǔ)上，采用無線信號傳播方式和計算機(jī)集中控制，使得采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備自動完成開采工作，實現(xiàn)工作面自動化生產(chǎn)，并通過計算機(jī)實現(xiàn)信息交流和監(jiān)測工作。

5.3 刮板輸送機(jī)裝備發(fā)展

刮板輸送機(jī)是綜合機(jī)械化采煤工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，是把采煤機(jī)破碎下來的煤運(yùn)到順槽轉(zhuǎn)載機(jī)，也是采煤機(jī)行走的軌道以及液壓支架前移的支點。刮板輸送機(jī)主要組成部分有機(jī)頭部、中間部、機(jī)尾部和附屬裝置。 刮板輸送機(jī)的工作原理是，將敞開的溜槽，作為煤炭、矸石或物料等的承受件，將刮板固定在鏈條上（組成刮板鏈），作為牽引構(gòu)件。 當(dāng)機(jī)頭傳動部啟動后，帶動機(jī)頭軸上的鏈輪旋轉(zhuǎn)，使刮板鏈循環(huán)運(yùn)行帶動物料沿著溜槽移動，直至到機(jī)頭部卸載。 刮板鏈繞過鏈輪作無級閉合循環(huán)運(yùn)行，完成物料的輸送。 刮板輸送機(jī)的輸送能力，是指輸送機(jī)每小時運(yùn)送貨載的質(zhì)量，它取決于輸送機(jī)每米長度上貨載的質(zhì)量和鏈速。

5.3.1 研究現(xiàn)狀

1940 年德國人發(fā)明了刮板輸送機(jī)，出現(xiàn)了煤礦開采成套設(shè)備，由此開始，刮板輸送機(jī)經(jīng)歷了單中鏈?zhǔn)?邊雙鏈?zhǔn)?中雙鏈?zhǔn)降陌l(fā)展歷程，中雙鏈型是目前應(yīng)用最廣泛的型式。

20 世紀(jì)80 年代以來，受技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益的影響，美國、德國開始利用高新技術(shù)生產(chǎn)大型化、可靠性強(qiáng)、生產(chǎn)能力高的刮板輸送機(jī)，其生產(chǎn)技術(shù)水平位于世界前列。

1974 年，張家口煤機(jī)廠成功研制生產(chǎn)出我國第一套刮板輸送機(jī)，我國刮板輸送機(jī)的發(fā)展由此開始。我國在引進(jìn)國外刮板輸送機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上消化吸收，研制出了SGZ764 ／ 264 整體鑄焊式溜槽輸送機(jī)，21 世紀(jì)以來在刮板輸送機(jī)的研發(fā)和創(chuàng)新上突飛猛進(jìn)，2005 年成功研制了SGZ1000／2×700 型刮板輸送 機(jī)， 之 后 又 成 功 研 制 了 SGZ1000／3 × 700、SGZ1000／3×1000、SGZ1200／3×1200、SGZ1500／3×1500 等型號大功率刮板輸送機(jī)，在平朔、神華、晉城等大型礦井中得到廣泛的應(yīng)用。

5.3.2 浮煤清理裝置

焊接在后刮板輸送機(jī)中部槽上的浮煤回收裝置對頂煤回收率起著至關(guān)重要的作用，20 世紀(jì)90 年代山西潞安礦務(wù)局王莊礦就對綜放工作面采空區(qū)浮煤的分布情況進(jìn)行了實測與分析，提出并多次改造了浮煤回收裝置。

浮煤回收裝置需要注意：①連接。 回收裝置與中部槽之間的連接形式要可靠，同時要有一定的間隙，有可調(diào)整的范圍，并且要保證回收裝置的大小長度，充分回收頂煤，提高回收率。 ②穩(wěn)定性。 連結(jié)時產(chǎn)生的變形要注意，以減少和避免運(yùn)輸過程中回收裝置的不穩(wěn)定。 ③安裝和拆卸。 設(shè)計和制造時要充分考慮更換回收裝置時的便捷性，簡單快速地安裝和拆卸能夠節(jié)省人力物力，提高效率，增加使用壽命，減少經(jīng)濟(jì)損失。

5.3.3 發(fā)展趨勢

1）大型化發(fā)展。 隨著工作面長度的增加和生產(chǎn)能力的提高，對刮板輸送機(jī)的要求也不斷增加。提高刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力，加大刮板輸送機(jī)的長度，提高有效運(yùn)行時間，建立更加完善的大運(yùn)量、長距離、高效率的輸送結(jié)構(gòu)，才能適應(yīng)未來工作面的需求。

2）降低消耗，節(jié)約成本。 選用強(qiáng)度更高的材料制造刮板鏈等部件，提高刮板輸送機(jī)的耐磨性、耐腐蝕性等，以延長刮板輸送機(jī)的使用壽命，并在運(yùn)輸過程中盡量減少能源消耗，節(jié)約資源。

3）減少污染。 減少運(yùn)輸過程中輸送機(jī)產(chǎn)生的噪音、粉塵等污染。

4）自動化控制。 利用高新科學(xué)技術(shù)傳輸信息，對刮板輸送機(jī)運(yùn)輸過程進(jìn)行監(jiān)測和控制，開發(fā)能夠自動篩選、分類運(yùn)輸物料的運(yùn)輸系統(tǒng)，實現(xiàn)采礦設(shè)備配套和自動化運(yùn)輸工作。

6 結(jié)語與展望

經(jīng)過近40 年的發(fā)展，在國際厚及特厚煤層開采研究方面，我國綜放開采理論與技術(shù)研究成果豐碩，是我國煤炭開采領(lǐng)域內(nèi)標(biāo)志性的科研創(chuàng)新成果。 隨著“綠色開采”、“精準(zhǔn)開采”、“智能化（無人）開采”等新興開采理念的提出，亟需綜放開采理論與技術(shù)在新的開采思想指引下的再度提升。 同時，面對趨于復(fù)雜的煤炭資源賦存條件，諸如“殘煤復(fù)采”、“千米深井”、“突出礦井”以及“巨厚煤層”等新的挑戰(zhàn)，也需要綜放技術(shù)與理論進(jìn)一步的深化與發(fā)展，提出綜合性更強(qiáng)、適用條件更廣的結(jié)論與規(guī)律。 因此，以提高頂煤放出率為核心的頂煤運(yùn)移規(guī)律的剖析，以控制各種強(qiáng)地壓條件下的“支架—圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定為前提的采場頂板結(jié)構(gòu)動態(tài)演化規(guī)律的探索，以大功率、智能化采煤設(shè)備的全面利用為目標(biāo)的放頂煤回采工藝的研究，仍需更為深入與細(xì)化，實現(xiàn)我國厚及特厚煤層回采以“經(jīng)濟(jì)、安全以及高效”的目標(biāo)，也為全球煤炭資源開采提供更多、更具科學(xué)價值的中國經(jīng)驗的方案。