千米井下，看极薄煤层如何智能开采

12月的黑龙江双鸭山寒风凛冽，双阳煤矿千米井下作业不停：0.8米高的极薄煤层工作面里，一台短矮机身采煤机正精准地“啃噬”煤层。

它的“触角”实时捕捉地质数据，经5G信号以毫秒级速度传至地面调度中心，液压支架随之智能推移。地面调度室里，技术人员轻点鼠标，井下全景同步呈现。这是如今极薄煤层智能开采的日常，而3年前，这里还是“连转身都困难”的艰苦作业区。

我国薄煤层储量占总储量的20%，产量却只占煤炭总产量的10%左右。厚度小于1.3米的薄煤层，尤其是0.7—1.0米极薄煤层，因开采难度极大，长期“沉睡”，但其中蕴含的“工业精粉”——被誉为煤炭“稀土”的焦煤，是钢铁企业不可或缺的重要原料。

2021年，由黑龙江科技大学牵头的研发团队，在千米井下打响极薄煤层“夹缝掘金”智能开采攻坚战。

煤机“瘦身战”

“薄煤层采煤，最难解的就是‘小空间’和‘大功率’这俩‘死对头’。”在黑龙江科技大学实验室，吴卫东教授一语道破关键矛盾。

煤层越薄，煤体通常越硬韧。采两米多厚的煤层，只需200千瓦总功率；可极薄煤层开采，装机功率达500—900千瓦。

“作业空间就那么点儿，设备高了会被卡住，厚了挡煤流，薄了又扛不住大功率。”吴卫东向科技日报记者解释，“这就是横在我们面前的第一道坎。”

为了让设备既“力大无穷”，又“身形纤薄”，团队开启了一场与尺寸的“毫米级拉锯战”。

“别人设计设备按厘米算，我们是按毫米抠。”课题组成员张丹教授笑着回忆，“就为降低设备17毫米的高度，我们跟采煤机、电液控及其他有关厂家开了无数次会，逐个部件协商优化。”

“瘦身战”的关键在材料与结构革新。此前机身用500、550型号材质，强度不足只能靠增厚弥补。“我们换成650型号高强度材质，刚度和耐磨性大幅提升，承载力上去了，才敢在尺寸上‘做减法’。”吴卫东说。团队还在细节上精打细算：底板加厚4毫米、中板增加5毫米，看似“加法”，实则是“优化术”——借结构重构，既提升设备寿命，又压缩整体高度。

最让团队绞尽脑汁的，是传动结构与电压系统的突破。“传统传动结构一装，设备高度直接破800毫米，薄煤层根本没法用。”吴卫东指着模型两侧的动力装置说，“我们大胆把牵引动力移到巷道两侧，就像拉爬犁似的牵引设备移动，既省出中间空间，又避免了变频谐波干扰通信。”

为进一步压缩电机体积，团队决定将电压从1140伏升压至3300伏，这意味着所有电气元件都要重新布局。光接线柱爬电安全距离，团队就摆出几十个方案，仿真模拟了无数次。力学计算、强度校核，每个细节都不敢放过，整整三四个月，他们终于把设备高度从630毫米压到588毫米，还硬生生多挤出20多毫米的过机空间。

2022年10月，当第一台样机下井测试时，看着它灵活地在极薄煤层中穿梭，老矿工们围着机器转了三圈，伸手摸了又摸，由衷赞叹：“这‘矮个精英’，比我们弯腰采煤利索5倍！”

数据显示，极薄煤层开采效率从原来的每月1.5万—2万吨提升至4万—5万吨，而作业人员从20人左右减至5—6人。

布设“顺风耳”

采煤机“瘦身”后，新难题接踵而至。极薄煤层工作面空间狭小，电磁干扰强，常规5G设备根本无法部署。“就像在火柴盒里装基站，既要小巧玲珑，又要信号满满。”负责通信技术攻关的黑龙江科技大学教授杨庆江打了个比方。

2023年深秋的一天，井下矿灯光晕中，煤尘浮动，杨庆江团队已经奋战6个小时。他们带到井下的通信方案又失败了——天线体积虽已缩小，但在狭窄的空间内仍找不到合适的安装方案。“必须再压缩，否则无法固定安装。”龙煤双鸭山矿业有限责任公司机电副总工程师祝永涛语气坚定。

“不行！再压缩会影响信号稳定性。”哈尔滨工业大学教授李卓明反驳，手里的图纸被捏得发皱，“我们已经测试了8套方案，再改参数风险太大。”

争论从下井就没停，队员脸上沾着煤污，争得面红耳赤不肯退让。就在陷入僵局时，黑龙江科技大学教授刘付刚提出的建议让大家眼前一亮：“用泄漏天线！既能缩小体积，又不影响信号。”众人立刻动手对泄漏天线安装方案进行设计与论证。

又过了4个小时，团队终于就安装方案达成一致，这才觉得饥肠辘辘。

灵感落地后，团队将原本分散的多个设备整合为单一设备，体积大幅缩小、重量显著减轻，以泄漏天线替代传统天线，沿支架缝隙敷设，实现作业区信号均匀覆盖。

近3个月的安装调试后，井下传来欢呼声。测试数据显示，极薄煤层工作面5G信号上下行速率、时延等关键技术指标均达《煤矿5G通信系统安全技术要求》的标准。这是国内首次实现5G在极薄煤层工作面的成功部署。

“现在井下实时场景、设备状态，都能同步传至地面，无任何延迟。”杨庆江指着调度中心大屏自豪地说，“极薄煤层工作面终于有了‘千里眼’‘顺风耳’，为远程智能操控打牢基础。”

煤层“做CT”

极薄煤层赋存（指极薄煤层在地层中的存在状态和分布特征）极不稳定，顶底板起伏变化大，稍有不慎就会导致采煤机割到岩石，不仅易损坏设备，还可能引发顶板事故。“就像在刀尖上跳舞，每步都得精准定位。”负责地质建模的黑龙江科技大学教授刘永立告诉记者，构建高精度地质模型是智能开采的前提，也是最后一道难关。

地质探测的难点在于，0.7—1米高的空间内，技术人员只能匍匐前进。“每次下井都要背上10多斤重的探测仪器、自救器和矿灯，像壁虎一样爬着探测。”刘永立卷起衣袖，手臂上还留着被岩石刮伤的疤痕。200米长的工作面，探测得在两三个小时的窗口期内完成，大家都在与时间赛跑。

“探测时最怕的就是被卡，胸口贴着煤层，后背顶着顶板，动也动不了。”北京龙软科技股份有限公司智能装备技术研究院副院长李鑫超回忆，在井下，几个人分工作业，沟通全靠喊和对讲机。“左边顶板有凹陷，注意避让！”“前方5米煤层变厚！”喊声穿透煤尘在巷道回荡。每天探测完，大家满身煤尘，只剩牙齿是白的，靠声音认人。

靠着日复一日地“爬行探测”，团队积累了海量地质数据，并融合钻探、物探数据，用计算机建模技术构建起精度达0.1米的极薄煤层三维地质模型。这套系统像给煤层做“CT”，断层、煤层厚薄、顶底板起伏一目了然。

“这项技术彻底告别极薄煤层‘盲目开采’，实现‘精准开采’。”龙煤双鸭山矿业有限责任公司副总工程师韩国平评价，“有了高精度模型，采煤机能提前规划路径、自动调整滚筒高度，不割岩石、护设备、提回收率、降风险。”

今年9月，黑龙江省首批“揭榜挂帅”科技攻关项目“极薄煤层智能开采关键技术攻关与示范”通过验收。成套技术已在黑龙江、云南、陕西等地推广，极薄煤层开采效率提升200%，新增产能150多万吨，煤矿企业新增营收超6亿元，实现减人、提效、增安。

“如今我国极薄煤层智能开采技术达到了世界领先水平。”刘永立站在设备模型前，眼神明亮。千米井下，昔日“夹缝”已成“富矿”。

记者 朱 虹

(责编：刘橦洁、陈键)

（科技日报）