薄煤层广泛分布于我国80多个矿区，储量约98.3亿t，其中可采储量约65亿t，占全国煤炭全部可采储量约20%，但是薄及极薄煤层开采装备技术成熟度低、工人劳动强度大，开采投入高、效率低，导致薄及极薄煤层普遍弃采，造成了煤炭资源的巨大浪费，薄煤层产量仅占全国煤炭产量约10%，与可采储量不协调。安全高效开采薄煤层是提高煤炭资源采出率，缓解资源紧张的重要途径。薄及极薄煤层高效开采装备和无人化智能开采技术是解决薄及极薄煤层开采诸多问题的必由之路。

目前，国内薄煤层采高一般大于1.3m，陕煤集团神木张家峁矿业有限公司实现了最小采高1.1m的技术性突破。最小采高小于1.2m的综采设备多以破底或破顶开采方式，对设备寿命、设备投资造成严重浪费，开采出的煤炭夹矸多，需要二次洗选。受限于经济效益、开采高度和装备技术等因素制约，1m以下煤层绿色高效开采难度较大，以目前装备和技术处于开采无效益，不开采资源严重浪费的状态。

陕西陕煤黄陵矿业有限公司（简称黄陵矿业）中厚煤层采用1次采全高采煤法取得了良好的技术及经济效益，工艺方法和装备水平达到了国内先进水平。但矿区内存在大量厚度为0.85～1m的煤层资源，受开采高度限制和装备技术影响，开采难度较大，基本处于无开采状态。为避免资源浪费，实现资源均衡开采，改变目前薄煤层配置设备的思路和方法，将薄煤层开采设备成套一体化、智能化技术和薄煤层开采工况适应性设计相结合，可实现极薄煤层无人化开采，填补1m以下厚度极薄煤层成套装备与开采技术的空白。

薄煤层开采的关键技术难点为连续快速推采难、工作面空间受限、人员跟机难，严重制约采煤机开采速度；装备选型适配难，采机大功率、刮板输送机可靠性和液压支架支护性能与开采空间的矛盾突出；智能高效开采难，薄煤层工作面作业环境差，煤尘对监控效果影响大，实现远程视频监控操作难度大，并缺乏煤层条件变化情况下的智能感知、自主决策能力，难以实现与煤层条件的最佳匹配。

黄陵矿业以《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中“综采工作面内少人或无人操作”的行业发展目标，为实现薄及极薄煤层工作面资源充分回收及可持续发展，以“面内无人操作、面外人工干预”为目标，建设陕西双龙煤业开发有限责任公司（简称双龙煤矿）的无煤柱自成巷极薄煤层智能开采工作面示范工程，开展薄及极薄煤层无人化开采关键技术的研究与应用工作。

通过分析极薄煤层工作面的地质特性和支护特征，解决极薄煤层空间狭小与装备高可靠性、大功率之间的矛盾，研发了适用于极薄煤层工作面的小采高、大工作阻力液压支架，设计了适用于狭窄空间的抬底、推移结构，以及极薄煤层液压支架专用立柱，特殊结构设计便于立柱阀组检修，同时增强立柱可靠性。

（1）紧凑型电液控制系统

结合国内外现有电液控制系统现状，优化电液供液系统布置形式及尺寸，设计了紧凑型小型化控制器、电液阀组和摄像头，在不降低性能的前提下，研发出紧凑型电液控制系统，保障液压支架在极端工况下的操作性能，实现极薄层工作面的高效、安全支护，两柱掩护式液压支架及紧凑型电液控制元件如图1所示。

（2）超矮机身采煤机

极薄煤层开采的采煤机功率、刮板输送机可靠性与开采空间矛盾突出，在最小采高安全空间限制下，实现稳定开采和运煤是极薄煤层工作面开采难题。为解决空间限制问题，创新设计了反装销排形式，分析小直径滚筒截齿合理布置方式，进行了结构及高强度材料的研究和试验调试，设计了摇臂壳体材质、加工制造工艺及特殊可回转结构的牵引行走导向机构，研制出超矮机身采煤机。

（3）极薄煤层刮板输送机

在刮板输送机方面，研究设计了特殊结构机头架、机头尾驱动部、侧挂式销排结构矮槽帮、专用型伸缩机尾、液压调高垫架等关键部件，满足走向和倾向多方向的角度的多维度机头，研制液压调高反曲线重叠侧卸机头，适应工作面与掘底巷道的高度变化，取消驱动部减速器，采用直驱永磁变频一体机结构设计，进一步降低了设备空间占用，研制出适合极薄煤层的刮板输送机。

极薄煤层高可靠性综采成套设备，实现了“三机”装备在薄及极薄煤层工作面空间狭小、设备运动空间有限、检修困难等多重限制条件下的稳定运行，为薄及极薄煤层工作面智能无人化开采打下坚实基础，极薄煤层智能化工作面成套装备联调如图2所示。

为降低极薄煤层工作面人员劳动强度，通过智能控制系统替代人工跟机操作，实现薄煤层无人化作业的快速推采。以双龙煤矿无煤柱自成巷极薄煤层智能开采工作面作为示范工程，完成了数字孪生的智能截割系统、狭窄空间5G漏缆通信系统、工况检测与故障预警系统、采煤自适应控制系统、智能冗余控制系统、智能煤流检测监控系统和远程集中控制系统等关键技术的研发，实现了极薄煤层工作面“面内无人操作，面外人工干预”的生产模式。

（1）实时监测工作面运行工况

采用多源数据融合方案构建了运行工况监测体系，通过安装在工作面的RGBD相机采集数据进行目标检测，实现了综采过程中关键设备及目标对象状况（煤机滚筒、液压支架、刮板输送机、片帮、大块煤、操作工人等目标）的自动检测识别。构建了煤壁深度距离模型，通过深度时变差异分析，实现了对煤壁状态及片帮体量估计，将视觉摄像与压力、位移传感器等深度结合，分析判断极薄煤层工作面采煤机和液压支架状态，对非正常工况支架进行预警，实现了安全生产过程的智能化感知。

（2）采煤机智能截割控制

研发了基于透明化工作面的智能截割系统，建立了高精度透明化工作面地质模型，集成工作面成套设备和惯导系统的位姿信息，利用人工测量及传感器实时数据动态修正工作面地质体和煤岩层数据模型，智能截割算法根据数据模型进行实时解算，发布规划截割指令。采煤工艺编辑引擎具有采煤工艺离线编辑、人机交互工艺调整和采煤机、支架工序自动匹配等功能，实现了采煤机截割工序调度、支架跟机控制调度及匹配的全程自动化。极薄煤层工作面直线度数据的煤层起伏数据分析和优化算法，实现了采煤机截割曲线在线修正和采煤机滚筒精确调高。智能煤流检测监控系统与截割规划动态配合，检测到煤流负荷后将煤流运输系统运行速度与采煤机截割速度和牵引方向进行同步自适应调节，极薄煤层工作面无人化开采智能控制系统如图3所示。

（3）极薄煤层综采工作面液压系统模型

针对极薄煤层工作面快速推进的高效开采需求，建立了极薄煤层综采工作面液压系统模型，完成综采工作面主要液压元件特性测试及液压系统的仿真分析，开发了分布式稳压系统，提高供液质量，搭建高稳定性高可靠性供液系统。研发了极薄煤层工作面液压支架、自移机尾、自移转载机、自移超前支架、刮板输送机机尾和转载机机头自动张紧、自移设备列车、电缆和供水管路自动拖曳等关键设备的协同电液控制，形成了极薄煤层工作面超前支护装备和工作面一体化推进技术体系；研制了自动协同推进关键装备，创新提出了超前支架和转载机连接机构工艺，成功实现运输−支护一体化，真正实现了运−支协同，巷道支护工况检测及协同推进系统如图4所示。

（4）建设5G漏缆通信系统

为了实现极薄煤层工作面与井下控制中心、井上遥操作集控中心的稳定通信，针对性研发了适用于极薄煤层工作面狭窄空间的5G漏缆通信系统，通过工作面内的漏缆布置进行组网，采煤机内置式5G模组与其他设备共同组成稳定的数据链路，实现了极薄煤层工作面内5G冗余通信功能。

（5）智能化协同控制系统

井下工作面控制中心和地面遥操作集控中心实现集中协同控制，主要包括采煤机智能截割及远程控制系统，液压支架追机推移刮板输送机移架、采高姿态调整、自动纠偏校直、人员定位、工况视频监控系统、有线和5G无线通信系统、智能煤流运输控制系统、智能远距离供液系统和智能供配电集控系统。所有系统集中联成网络进行智能化协同控制，实现了工作面无人操作、人工远程干预，智能化协同控制中心如图5所示。

极薄煤层工作面环境条件严苛、操作空间小，现场操作人员难以快速处置突发情况，对工作面成套装备及控制系统的安全监测和危险预警能力提出更高要求，针对极薄煤层工作面矿压、粉尘、瓦斯等风险项，建立了有效的预警与安全保障技术措施，具体包括以下3个方面。

（1）矿压大数据智能预警监测系统

矿压大数据智能预警监测系统实时监测矿压动态，根据支架工作阻力变化规律评价支架的支护效果，有效防止因顶底板及围岩垮塌引起的安全事故。构建了基于综采工作面电液控制系统压力数据和巷道压力监测数据的矿压大数据中心，实现了电液控制压力、倾角、位移、行程等数据的时间统一。以支架初撑力不合格比例、工作阻力高报比例、安全阀开启比例、支架不保压比例、不平衡比例等关键数据作为主要指标，形成了液压支架工况的实时评价体系。

为实现极薄煤层工作面开采过程中来压的提前预警，研发了综采工作面周期来压自动分析和预测预警算法，实现了工作面周期来压的自动分析和及时预警，并通过周期来压步距、强度、范围等顶板来压预警指标体系和算法模型，综合分析历史来压数据，提前预测预报下一次来压。

（2）粉尘自动感知与降尘系统

薄煤层工作面无人化操作割煤的核心为监控系统的可视化程度，薄煤层工作面空间小，摄像头视觉范围受限，工作面粉尘较大严重影响工作面智能化采煤效果。研发了粉尘自动感知与降尘系统，实现了跟机自动喷雾、感知人员自动停止喷雾和根据粉尘浓度智能调节喷雾开关和喷雾量，实现了喷雾系统与粉尘预警系统一体化联动，粉尘控制效果良好的。

（3）高瓦斯条件下安全高效开采保障系统

为应对极薄煤层工作面采煤过程中易出现瓦斯涌出量超标，工作面多个位置安装CH4和CO传感器，实现了“全覆盖式实时监测+重点区域预测警示”的瓦斯监控功能，达到提前预警、快速响应的瓦斯监控管理效果。智能识别工作面瓦斯浓度实时监测数据，满足预警瓦斯浓度，搭建了多级联控平台，实现对采煤机启停、速度的自动控制。

通过薄及极薄煤层高效智能开采成套装备一体化设计，解决了薄煤层空间狭小与装备高可靠性和生产能力之间的矛盾，实现了极薄煤层的稳定开采。通过智能控制无人跟机，融合工作面运行工况实时检测系统、自适应供液系统等智能化子系统，实现了薄煤层无人化作业的快速推采。通过研发的粉尘自动感知与降尘系统、高瓦斯条件下安全高效开采保障技术，解决了复杂条件极薄煤层安全性开采。

薄及极薄煤层高效智能开采成套装备的成功研发与应用使黄陵矿业实现了极薄煤层工作面0.8m采高常态化运行，年产能力为100万t，成功解决了薄煤层群绿色、高效、智能开采难题，进一步提升了我国煤炭极薄煤层开采技术和装备水平。

双龙煤矿应用薄及极薄煤层高效智能开采成套装备与系统后，工作面长度延长至236.5m，有效减少了极薄煤层设备搬家次数，提高了设备利用率，降低了设备吨煤成本，提升了极薄煤层工作面生产效率和经济效益。无人化技术的成熟应用实现了工作面减人增效的目标，试运行生产期间工作面作业人员由6人减少至面内无人作业、2人定期巡检，有效减轻了一线工人劳动强度，对极薄煤层无人化开采关键技术的推广和应用起到了重要的示范作用。

薄及极薄煤层高效智能开采成套装备的研发与应用使双龙煤矿成为薄及极薄煤层标志性矿井，具有良好的示范应用效果，提升了国内极薄煤层智能化开采技术和成套装备技术水平，带动了薄及极薄煤层资源高效利用的发展进程。

黄陵矿业继续按照“协同攻关核心技术、打造全国煤矿智能化标杆，形成行业示范的发展目标，不断提升薄及极薄煤层智能化与高端装备关键技术水平，全面加快“智能矿井、智慧矿区”建设，为煤炭工业高质量发展提供不竭动力。