中国矿业大学（北京）王家臣教授：美国煤炭地下开采与自动化技术进展

在认识美国煤炭地下开采与自动化技术之前，我们先了解一下目前世界主要产煤国的现状：

中国2019年煤炭产量38.46亿t，占世界煤炭产量的47.3%，其中地下开采比例高达85%，中国是世界上煤炭产量和地下开采占比最高的国家。尽管2019年印度的煤炭产量达到7.56 亿t，仅次于美国的10.51亿t，处于世界第3位，但是印度只有5%的煤炭来自地下开采。德国也在2018年关闭了最后一个地下煤矿，目前只有几个露天煤矿在生产。

美国的煤矿数量和产量在近20年大幅度减少。煤矿数量从1994年的2354座煤矿（露天矿1211座，地下矿1143座）减少到2017年的680座煤矿（露天矿434座，地下矿237座，包括不需要提供产量数据的年产2.23万t以下的煤矿），煤炭产量从1994年的15.37亿t 减少到2019 年的10.51亿t。美国地下煤矿数量从1994年到2017年减少了79%，地下煤矿产量减少了32%。关闭的地下矿主要是以生产成本高于市场价格的烟煤和较薄煤层、开采效益差的煤矿为主。目前美国地下采煤产量占比为38%（2019年为3.97亿t），其中长壁开采占55%，房柱开采占45%。

美国是世界上除中国以外地下采煤产量最多的国家，也是地下采煤技术总体上先进的国家。因此借鉴美国的先进采煤技术经验，对进一步推动我国地下采煤技术发展，尤其是对我国煤矿智能化建设具有比较好的借鉴意义。中国矿业大学（北京）王家臣教授在《煤炭学报》2021年第1期撰文“美国煤炭地下开采与自动化技术进展”（扫描下方二维码查看），详细介绍了美国煤矿开采技术发展的阶段、特点、水平和存在问题及其自动化技术发展历程。

该文介绍了美国国煤炭长壁式和房柱式两种开采技术的特点及发展趋势，并就两种开采方式的自动化技术进行了阐述。其中，自动化长臂式开采技术介绍了单机自动化、自动化长壁采煤系统、大数据、高速通信与可视化技术；房柱式开采技术介绍了多样化的连续采煤机、信息化与智能控制技术、防尘与噪声控制技术、虚拟仿真实训技术。

2019年美国长壁工作面的长度分布

美国房柱式开采技术发展历程

指出了美国自20世纪90年代中期以来，没有取得重大进展的主要原因是：

（1）目前的系统运行良好，无需重大改进，且已能满足开采需要，此外自动化系统的成功应用并不能 保证提高产量，甚至在某些情况下，还会减少产量。矿山工会害怕工人失业而抵制这项技术。

（2）“清洁能源计划”政策限制燃煤电厂的二氧化碳排放，再加上近年来丰富廉价的页岩气，煤炭在发电 中的份额大幅下降，煤炭产量减少，新的煤炭开发项目也很少。在2000 年代初，电液控液压支架的价格大幅上涨，导致矿山经营者没有能力购买新设备，而是寻找其它替代品，如购买二手液压支架或延长已有支架的使用年限。

（3）煤炭行业一直将注意力集中在改善矿工的健康和安全方面，在提高产量和减少作业人员方面并不 迫切。

（4）井下地质条件复杂多变，可能会对自动化设备造成损坏，经常需要人工操作。

长壁开采数据传输系统

阐述了美国目前自动化长壁开采技术主要的攻关方向：

（1）开发各种传感器，以实时测量不断变化的地质和采矿条件，从而对工作面设备进行高级控制。

（2）需要可以快速移动的自动化重型设备，特别是大量的液压支架需要配置多个警告系统，以确保矿工的安全，如：临近传感器或安全闭锁装置，以及可以反映设备移动、故障和其他活动的彩灯照明系统。

（3）液压支架的智能喷水系统，以便用于支架前进过程中自动抑制粉尘。发展液压支架与采煤机之间的防撞技术。

（4）完善端头转向和三角煤切割系统，使工作面实现完全自动化。

（5）完善采煤机、液压支架和刮板输送机组件的实时工作状况和诊断监控系统，使其可以及时进行预防性维修。

（6）采煤机部件的自动化，如精密传感器、发动机、截割部、牵引部和防尘喷水装置。

（7）自动化开采系统的目标是单台设备可靠性达到98.5%以上，整个矿井系统的可靠性接近100%。

Faceboss控制系统

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文章来源：煤炭学报

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