井下千米，智能开采极薄煤层的创新实践
黑龙江双鸭山的冬日，寒气逼人。矿井一千米深处，双阳煤矿作业依旧进行。采煤机在仅0.8米高的狭窄煤层内娴熟运转，对煤层精准开采。设备犹如利齿，不断“剥离”着厚实的煤层。
采煤机上的传感器可以实时收集地质信息，通过毫秒级的5G信号传给井上调度中心，液压支架随后自动调整。地面技术员只需一键操作，井下画面就能同步显示。智能化的极薄煤层开采如今成了常态，可就在三年前，这里还因空间逼仄而成为工人的“难关阵地”。
全国薄煤层占煤炭资源总量的近20%，但实际产量却不足总产量十分之一。其中0.7—1.0米极薄煤层，因自然条件与技术难题并存，长期被视为“未开发的宝库”。作为优质焦煤，这种煤炭是钢铁生产不可或缺的原材料，被誉为“煤中稀土”。
2021年，黑龙江科技大学牵头的科研团队进入千米矿井，为极薄煤层的智能化开采展开技术攻坚。
设备“瘦身记”
“薄煤层开采最大的难题是如何在有限空间内保障足够的动力。”黑龙江科技大学教授吴卫东在实验室不无感慨地谈到关键矛盾。
煤层越薄，矿石越坚硬。采普通煤层只需要200千瓦动力，而开采极薄煤层则要达到500—900千瓦。
“空间已被极限压缩，设备一高就会受阻，一厚又挡住煤流，一薄则承载不住高功率。”吴卫东向记者进一步解释，这正是技术团队面临的首要难题。
为兼顾高效率和精巧结构，团队展开了对设备尺寸的“毫米级较量”。
“别人做设计一般以厘米为单位，而我们的方案几乎都以毫米精控。”课题组成员张丹教授回忆起攻关细节，“为缩减17毫米的高度，我们多次和采煤机厂家、液控系统厂家反复磋商，每一处结构都细致优化。”
设备“瘦身”的核心在材料和结构创新。过去用的500、550型号板材强度有限，靠加厚补偿。“我们改用650级高强钢材，提升了设备的耐磨和承载能力，现在可以大胆减薄。”吴卫东补充说。团队还用结构调整的方法：底板加厚4毫米、中板增厚5毫米，虽是“加法”，却借助结构优化，实现了更长寿命、更低高度。
最难的环节莫过于动力传动结构的革新。“传统动力布局，高度超过800毫米，井下根本无法作业。”吴卫东指着模型解释道，“我们将动力系统移到巷道两侧，类似拉爬犁一样牵引，这既节省中空间，也兼顾通信安全。”
为进一步压缩体积，团队将电压从1140V提升到3300V，所有电气元件随之重新布局。光安全距离设计就做了几十版，反复仿真。每个参数都精确核算，三四个月苦战后，设备高度从原本630毫米缩至588毫米，为机械通行又腾出了近20毫米空间。
2022年10月，样机首次井下测试。矿工们看着“矮个头”的采煤机在极薄煤层自如作业，连声称赞：“这小型设备效率远超人工，省力又安全！”
新技术应用后，极薄煤层月开采效率由1.5万—2万吨提升到4万—5万吨，人员需求从20人左右骤减至5—6人。
通信“顺风耳”
采煤机体积缩小后，井下空间越发狭窄，强烈电磁干扰让常规5G通信布设愈发困难。“相当于在火柴盒里做基站，设备既要轻巧，又要保障信号。”负责通信攻关的黑龙江科技大学杨庆江教授这样形容挑战。
2023年秋天，井下灯光昏黄，煤尘弥漫，杨庆江团队又连续奋战数小时。天线虽然已缩至极限，却还是无法在有限空间固定。“还得继续缩减尺寸。”矿业公司机电副总工程师祝永涛说得坚决。
“再减体积，信号稳定性怕是难以保障。”哈尔滨工业大学李卓明教授反对，手握图纸，情绪激动。“方案已试验8轮，参数再改风险太高。”
争论一度僵持。队员们脸上都是煤污，却谁也不愿让步。关键时刻，黑龙江科技大学刘付刚教授提出：“不如试试泄漏天线，它又轻又不影响信号。”大家立即着手重新设计。
4小时后，设计方案终于达成一致，大家才发现肚子已经饿得咕咕叫。
新灵感落地后，几台设备整合为一套系统，体积、重量大幅减少。泄漏天线代替传统天线，铺设在支架缝隙间，实现了整个作业区的均衡信号覆盖。
经过近三个月的安装调试，井下5G信号各项指标全面达标，技术团队也迎来了热烈的掌声。此次创新，国内首次让5G通信在极薄煤层工作面真正应用。
“此刻井下动态和设备状态实时回传，地面操控几乎零延迟。”杨庆江满意地指着指挥中心屏幕，“薄煤层开采有了‘千里眼’和‘顺风耳’，远程智能操作不再是难题。”
地质“CT扫描”
极薄煤层分布极不规则，顶底板高度变化明显，稍不留意，采煤机可能误入岩石层，导致设备损坏甚至安全事故。“就像在刀尖上行走，定位必须极其精确。”地质建模负责人刘永立介绍，建立高精度地质模型，是实现智能开采的关键一步。
最大难点在探测：1米空间里，技术员只能匍匐前进。“每回下井，背着十多斤的仪器和自救设备，全程都得趴着爬。”刘永立展示着手臂上的岩石划痕。两百米的作业面，探测任务必须在短时间内完成，每个人都在竞速。
“钻探时最怕狭窄卡住，胸贴煤层，背顶顶板，寸步难行。”智能装备副院长李鑫超回忆道，井下作业分工明确，沟通全靠大声叫喊和对讲机。“左侧顶板凹陷注意！”“5米处煤层变厚！”井下喊声混杂着煤尘穿透巷道。每天结束时，大家灰头土脸，靠声音才能互认。
团队凭借长时间“匍匐探测”，积累了丰富地质资料，再结合钻探和物探结果，利用计算机三维建模，精度达0.1米，宛如给煤层做“CT”。断层、厚薄、起伏都可一览无遗。
“这让极薄煤层彻底告别‘盲目开采’，实现精准采掘。”矿业公司副总工程师韩国平点评，“有了精准模型，采煤机可自动避岩石、优化路径，高效低风险。”
今年9月，黑龙江省首批“揭榜挂帅”科技项目“极薄煤层智能开采关键技术攻关与示范”顺利通过验收。整套技术已推广至黑龙江、云南、陕西等地，极薄煤层采效提高两倍，年增产能达150万吨以上，企业新增营收超过6亿元，实现了智能、减员、高效与安全的目标。
“中国极薄煤层智能开采已走在全球前列。”刘永立站在设备前目光坚定。千米地下，“夹缝”煤层已成为珍贵富矿。
记者 朱 虹
