我国煤矿采掘装备技术水平与发展趋势.pdf

’ ” ，番 N Du sT R YsuB JECTI产 、Ik擘题 ， ＼ ，辫 我国煤矿 采掘装备技术水平 ◎煤炭科学彤f究总院人瞒f研究院魏忻川令变荣 摘 要 针对我国煤矿采掘装备技术的发展现状， 通过分析国内外长壁综采工作面、短壁工作面和掘进工 作面采掘装备 ，并且分别对 国内外先进设备进行 对 比， 指 出了国内装备 的不足之处 ， 发展趋势 。 并提 出了采掘装备技 术的 关键词 综采装备 ；掘进装备 ； 助运输设备 我国是 世界煤炭第一生产和 消费大 国，我国富煤 少油的格局导致煤炭在我 国的一次能源中 占有极 其重 要的地位。近年来 ，国际油价高升 ，这在某种程度上 更加凸显了我国煤炭资源的战略意义。以煤为主的能 源结构 ，在未来相当长的时间内很难改变。 随着 我国煤 炭需求 的不 断增长 ，煤 炭产量 连续 几年 创 历史新 高 ，2 0 0 8 年煤炭产 量达 到 了创纪录 的 2 7 ． 3 亿t。煤矿 采、掘 、运 、支装备整体技 术水平 的 提高和广泛应用 ，极大地提高了我国煤矿的生产能 力，为实现煤炭工业高产 、高效 、安 全和洁净生产打 下 了基础 ，为保障 国民经济能源需求提供 了支撑 。今 后 l O 年左右 的时 间，将是煤机装备制造业 的黄 金发展 期。这主要基于煤机装备制造业市场需求的三个驱动 因素 ，即新开工煤矿的生产需 求、已有设备的更新需 求和地方中小煤矿机械化技改需求。根据调整后的 国 民经济发展规划，预计2 0 l 0 年煤炭产量将超过3 0 亿 t ，煤炭工业新增投资不低于2 o o o t L 元 ；若按7 0 ％属 于固定资产投资 、煤炭机械设备投资 占其 中的5 0 ％概 算，新增产能需要的煤机装备投资约为7 O O { L 元 ；同 时技改和更新共需投资l 5 0 ～2 O O i L 元。两者相加，煤 机装备制造业的市场 份额将在8 5 0 ～9 0 0 { L 元 。总体来 看，今后一个时期，我国煤机装备制造业前景可期。 煤炭工j CO AL E NGI N E ERI 现任煤科总院太原研究院剐院长 主要从事煤矿饥械 及其检测技术的研究 l 作 1国内外采掘技术与装备发展现状 1 ． 1 长壁综采工作面技 术与装备 近十年 来国内外长壁综采技术发 展主要体现j 下三个方面 一 是综采 工作面生产能力大幅 度提 采区范围不断扩 大 ，出现 了 “ 一矿一面”年 产数 吨煤炭的高产高效和集 约化生产模式 ；二是高效 装备和开采工艺 不断完善 ，推广使用范围不断扩 中厚煤层开采、厚煤层一次采全高开采和薄煤层 动化生产等技术和工艺取得重大进步 ；三是高效l 装备的研 制开发取得新 的技术突破 ，年生产 能力 到 1 0 0 0 万t ，并实现 了综采工 作面生产过程 自动f 大型综采矿井技术经济指标 已经达到或超过大型 露 天矿水平 。长壁综采 已成为煤炭井 工开采的主 采 方法 ， 我国煤矿长壁工作面已达近千个。 我 国综 采设 备设计 和制造 企业 已开 发出具 高先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮{ 送机 、电液控制强力液压支架 和多点驱动大运量{ 输送机 ，初步形成了年产3 0 0 ～6 0 0 万t 综采成套技术 及装备 ，并在不同煤层赋存条件下取得 良好使用效 果。同时 ，国内煤机企业通过不断增加科技投入 ，围 绕大功率采煤机、输送机等组织科技攻关，不断提高 创新能力 ，推进重大装备研发进程。国内2 5 0 0 k W的 电牵引采煤机已经下线 ，单个截割 电动机的功率 已 达 l O 0 0 k W ，牵 引电动机 功率 已达 21 5 0 k W ，截深 为8 0 0 ram、1 0 0 0 mm 1] 1 2 0 0 mm，最大采高高 度 已经 达到6 ． 3 m，滚筒直径 最大达 到3 ． O m，但可 靠性 及关 键指标有待进一步提高；正在开发制造的大采高两柱 掩护式液压支架，采用了新型特殊材料，其支撑高度 达到 了7 m，工 作阻力达 1 6 8 0 0 k N，缸 径5 8 0 mm，国 内外与之配套的输送设备尚在设计论证阶段，未进入 生产试 制 ；我国最大刮板输 送机每小时运输能 力达到 2 5 0 0 ～3 5 0 0 t ，最大装机功率达 N3l O 0 0 k W ，刮板 链规格最大为4 8 ram，最 大输送 距离达 到4 0 0 m以上 ， 中部槽的最大宽度达1 2 5 0 mm。目前，在中国的工作 面输送设备市场 中，中小型输送设备国产 占有率几 肆 乎达到百分之百 ，大型输送设备 输送机装机功率 1 4 0 0 k W以上 国产设备 占有相 当大的 比率。 1 ． 2综合机械化掘进技 术与装备 我 国悬 臂式 掘进 机研 究始于 2 0 世纪 6 0 年代 ，主 要 经 历 了引进 、消化 吸收 和 自主研 制 三个 阶段 。经 过4 0 余年的发展，我国掘进机的设计与加工制造水 平已比较先进 ，中型悬臂式掘进机发展 日趋成熟 ， 并形 成 系列 化 。重型掘进 机大批 出现 ，机重在6 0 t ， 截割 功率 2 0 0 k W左右 的 重型掘进 机 已经研 制成功 ， 并 得 到 推 广 应 用 。 一 些 先 进 的 故 障 诊 断 和 显 示 技 术 、恒 功率 截割 技术 、液 压 系统恒 功率 变 量技 术应 用其中，并开展 了机载锚杆钻机 、机载超前支护 、 巷 道综 合除 尘等 技 术的研 究 。通过“ 十一 五 ”科技 支撑计划项 目等重点项 目的实施 ，掘进机总体参数 接 近或 达到 了国外先 进 水平 ，新 研制 的掘 进机 的截 割 功率 超过 3 0 0 k W ，机 重 1 2 0 t ，最 大可 掘高 度达到 5 ． 8 m，并 且具有 了离机 遥控 、截割 断面监视 和故障 诊 断等 功能 ，我 国的悬 臂式 掘进 机技 术 已迈上 了一 2 6 l COAL E N GI N E E R IN G 个新的 台阶 ，悬 臂式掘 进机的 产量 由2 0 0 0 年 的5 0 余 台增加到2 0 0 8 年的 l 0 0 0 余台。 我 国巷道 机械 化掘进 和支护 技术 大大落 后于 采 煤机械化生产的发展 ，国有重点煤矿综合机械化掘进 率仅为3 3 ． 1 4 ％，单巷掘进平均 月进 尺低于4 0 0 m，难 以满 足高效生产的需要 。2 0 世纪9 0 年代以来 ，我国引 进了澳大利亚锚杆支护技 术，进行 了现场示范 ，并完 成了锚杆支护技术有关科研项 目，使我 国的煤巷锚杆 支护技术上 了有较 大提高 ，在全煤巷道 、 中 击地压巷 道、复合破碎顶板等困难 条件下锚杆 、锚素支护技 术 得到 了应用 ，并 取得 令人 满意的 支护效 果和 经济效 益。国有重点煤矿煤巷锚杆支护率 已达6 0 ％以上。 1 。 3高效短 蹙开采技术与装备 短 壁机械化 采煤 法与长 壁机 械化 采煤法 的主要 区别是 ，工作面 采用 的通 风方式 及其管 理不 同 ；采 用主要 设备的 自行能 力不 同 ；采 区的 区段划 分和 区 段内煤体 切割 及 回收 的方法 不 同。短壁机 械 化开采 的通风 方式一股 需要采 用部 分局部 通风 ，主要 机械 设 备均能 自己行 走 。在 区段 划分上 ，一般 要形 成一 个 1 O O m X 2 0 m的短 壁 回采 区域 ，煤柱 回收后 ，顶板 类似长壁工作面一样充分 冒落 ，使煤房 、煤柱的 回采 避开支承压力高峰 区。适宜于在大型井 田的边 角煤地 段和不适宜 布置综采工作面的小型井 田范 围内进行开 采 ，同时也适应煤柱 回收 、 “ 三下”压煤 回收 。短壁 机械化回采工作面的布置较为灵活，可实现 “ 即进即 退”的灵活机动的 回采 ，基本不受断层 、褶 曲、裂隙 等地 质构造的影响。 我 国对于 短壁机 械化 开采技 术的研 究 以及对 连 续采煤机及其配套设备的 开发工作相比美国、澳大利 亚、南非等国家起 步较晚 ，同类产品长期空白。短 壁 采煤在众多地方、乡镇煤矿和小煤矿中仍然大面积沿 用2 0 世纪5 0 年代的房式、房柱式工艺，采用简单机械 进行开采。9 0 年代神华集团成套引进国外产品进行煤 巷掘进和短壁开采取得了较好的成绩。短壁开采技术 近几年来有 了很大 发展 ，通过长 期的研究和探索 ，在 我国传统的房柱式和 刀柱式短 壁采煤方法的基础上总 结出一套短壁机械化的开采技 术 ，实现 了短壁综合机 械化 开采 ，为不适合采用长壁综 合机械化开采工艺的 煤炭工程 COA L EN GI NE E RING 煤矿探索出一种高效采煤成套技术。回采率由仓房式 炮采的3 0 ％提高到7 5 ％，最高可达8 7 ％。全 员工效达 7 7 ． 6 t ／ 工，最高达l l 9 ． 8 t ／ 工。连续运输系统与连续 采煤机配套使用 ，还 实现 了长壁顺槽的快速掘进 。拓 宽 了连续采煤机的应用范 围，为解决煤矿采、掘失调 问题提 出了一条新 的有效 的技术途径。我国 自主研 发 的 “ 短壁机械化连续 系统设备与工艺”总体技术达 到 国际先进水平 ，并相继研制 出 XZ 系列履带行走式液 压支架 、L Y系列连续运输 系统 、C MM系列四臂锚杆 钻车 、G P 系列给料破碎机 、WDl 3 梭车 、C L X3 型铲 车f n E B H／ Z l 3 2 型掘采一体机等短壁开采配套设备 ， 随着2 0 0 8 年国内首台E ML 3 4 0 型连续采煤机 的问世 ， 我国 已经具备生产短 壁机械化开采成套装备的能 力。 新型短壁开采技术和工艺在 当前 国内市场上具有 广阔的应用前景 ，目前 已有 多家煤矿企业开始探索使 用该技术进 行短壁 开采挖掘资源潜力 ，最大 限度地 回 收不可再生的煤炭资源 ，延长矿井服务年 限。 1 ． 4 无轨胶轮辅助运输技术与设备 随着煤炭开采技术的不断发展 ，煤矿运输 已经成 为煤炭生产的重要组成部分，它分为主运输和辅助运 输。辅助运输是除煤炭运输以外的所有运输，主要包 括材料 、设备、人 员和矸石等物料的运输 。 目前在美 国、英国、德国、澳大利 亚、南非等传 统采煤大 国该技术发展比较迅 速 ，已经形成 了一套相 对完备成熟的工艺装备技术。从2 0 世f g 9 0 年代开始 ， 我国神东、兖州、晋城大型矿区先后引进成套无轨胶 轮辅运设备 ，显著提高了矿井辅助运输和全 员生 产效 率 。与此同时 ，太原研 究院与大型煤炭企业合作 ，消 化吸收国外先进技术，深入开展科技创新，自1 9 9 9 年 以来研发出了2 0 余种型号的柴油机无轨胶轮辅 助运输 车辆 ，代表车型有载重量8 t 以 下的运人 、运料井下防 爆低污染胶轮车，1 0 t 以下的多功能车，以及载重量 2 5 t 以上 的框架式 、铲 板式支架搬运 车 ，在国内多家 矿井使用，性能全部达到国际先进水平或国内领先水 平 。 目前 ，许 多煤炭生产企业 都在探索使用无轨胶轮 辅助运输的可能性，无轨胶轮辅助运输由于其特有的 安全高效 、机动灵活的优越性 ，已成为我国煤矿辅 助 运输的发展方向。 COA L E N GIN E E R IN G l 2 7 2国内外装备技术发展的比较 2．1综采T作面高效开采技术与装备 2．1．1大功率电牵引采煤机 国内大功率电牵引采煤机的研制技术进步迅速，总装机功率已达到或超过 国外水平 ，但在生产能力和工作 可靠性、交流变频电牵引技术、 工况检测和故障诊断技术、自动调高技术、远程通讯与控制技术等方面与国外 采煤机相比尚有差距，见表1。 丰． 国内外大功率电牵引采煤机技术比较 交流变频电牵引技术 工况检测和故障诊断技术 自动调高技术 远程通讯与控制技术 变频器容量115 ～ 170kV A ，牵 引电机功率90 ～ 110k W 微机控制，采用数字化传感检测和曲 线化连续信息显示终端，可将数据存 储记录，实现 网络化传送 记忆截割，截割高度自动控制 工作面和上 下巷集中控制站 间的远程通 信和集中监控 变频器容量108k VA，牵 引电机功率55k W 多为P L C控制，少量微机控 制，只有数字显示，无记录 功能 人工操作 无 2．1．2强力液压支架 国产液压支架设计和制造技术近几年发展迅速，但大采高液压支架与进Iq支架在结构件选材、焊接工艺技 术及质量控制、液压密封元件、电液控制系统等方面都存在亟待解决的关键技术，见表2。 表2 国内外液压支架技术比较 设计方法 结构件选材 密封材料 焊接工艺 电液控制系统 供液系统 28IC OA L ENGINEERING 采用的C AD三维仿真、有限元分析等 现代设计方法 多选用高强度、高韧性优质钢材， ob 800 ～ 1200M Pa 选用高级聚胺酯树脂密封材料，制造工 艺水平高 采用负氩等离子焊接工艺，焊后整体回 火消除焊接应力 配备电液控制系统 采用多泵并联大流量环行供液系统，流 量达到500l，min以上，设置多级高精 度过滤装置 部分项 目采用的CA D三维仿真、有限 元分析等现代设计方法 使用高强度优质钢材WH70、C F 80 等， ob600 ～ 8 00MPa 国产聚胺酯树脂密封材料不过关，制 造工艺水平不高 焊前预热，采用C 02气体保护焊接工 艺，焊后整体回火消除焊接应力 电液控制系统需引进 采用两泵并联大流量 环行供液系统， 流量达U4 00I／min以下，过滤系统简 单，过滤精度低 煤炭工程 COA LE NGINE ER ING 2．1．3重型刮板输送机技术 国产刮板输送机与国外先进设备的差距除生产能力 、性能参数偏低外，在元部件可靠性、软启动技术、在 线实时监测监控和自动控制技术方面有 一 定差距，见表3。 表3 国内外重型刮板输送机技术比较 输送能力、 可靠性指标 材料 减速器技术 结构型式 启动技术 监测和自动控制技术 输送能力6000t／h，过煤量1000万t以 上，有的超过2000万t 中部槽 中板 采用4 0 ～ 5 Omm耐 磨 钢 板，圆环链强度达 到 ob 1600 ～ 1800MPa．接链环破断负荷达 U2500kN 加工和安装精度高，运行平稳可靠 自动伸缩机尾 软启动技术 工作面输送设备监测和 自动控制 输送能力3500t／h，过煤量600万t，个 别达到1500万t 中部槽中板采用4 5m m耐磨钢板，接 链环破断负荷达U2000k N j 加工和安装精度低，故障率较高 i 人工操作伸缩机尾 i i 人工控制方式 ； 尚属空白 2．2综合机械化掘进技术与装备 我国掘进机技术与装备在近年来取得 了较快的发展，但与国际先进水平相比，国内 掘进机领域在基础研究、破岩能力、适应性及可靠性方面还存在 一 定的差距，主要表现 在如下几个方面 1在基础研究方面比较薄弱，适合我国煤矿地 质条件的截割 、装运及行走部载荷 谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于空 白； 2主机用原材料、关键零部件 、轴承、密封、电器元件、液压元部件等基础件， 在使用寿命和可靠性上与国际先进水平相比都存在较大的差距； 3破岩能力不足。截割岩石硬度超过100MPa时， 截割振动加大，截齿损耗率急剧 增加； 4自动控制技术水平落后 。遥控装置大部分依赖进口，断面监视系统作用有限， 而且可靠性差，尚不具自动截割和记忆截割的功能，故障诊断只能实现被动检测 ，而且 功能较为单 一 ，检测数据无法实现远程传输。 5多功能 一 体化集成技术水平较低。机载锚杆钻臂系统和机载临时支护系统工作 效率低下，无法有效提高掘进机的成巷速度，机载除尘系统尚未开展研究。 6装备制造工艺 、检测手段落后、产品可靠性和工艺研究不够。 重型掘进机的技术比较见表4 。 C OAL ENGINEER INGl2g 表4 国内外重型掘进机技术比较 总体参数 截割功率300k W，装机总功率555 kW 机重120t，截割断面5 ．8X8．8m 截割功率300k W，装机总功率530kW 机重120t，截割断面5 ．8X7．0m 截齿焊接工艺真空热处理，喷涂强化，截割硬度f 12 ‘ 真空热处理，截割硬度f 10 牵引方式 自动控制技术 除尘方式 润滑方式 变量泵，压力25MPa 全功能遥控，截割断面监视 外喷雾加机载除尘系统，除尘效果好 自动集中润滑 变量泵，压力23MPa 仅有样机 内、外喷雾，除尘效果差 人工操作 2．3煤矿高敛短壁开采技术与装备 我国对于短壁机械化开采技术的研究以及对连续采煤机及其配套设备的开发工作起 步较晚，同类产品长期空 白，国内研制的履带行走支架、锚杆钻车、连续采煤机、梭车 等已有应用，但可靠性上与国外还有差距，在核心技术等方面需要攻关。特别是龙头设 备连续采煤机还处于工业性试验阶段，其技术比较见表5。 表5 国内外连续采煤机技术比较 总体参数 牵引方式 冷却技术 截 割 功 率2 X 205kW ，装机总 功率 64 0k W ，机重74 ．9t，截割高度5．0m ， 截割宽度3 ．5m ，生产能力35Vmin 直流 或交流 变频 ，牵引功 率2 37 k W D C 采用温度监测传感器，控制台具有温度和 超温报警断电功能 除尘方式内、外喷雾加机载除尘系统，除尘效果好 30lC OAL ENGI NEER ING 截 割 功率2 X 170kW ，装 机 总 功 率 580k W ，机重60t，截割高度4 ．6m，截 割宽度3 ．3m ，生产能力27t ，min 液压马达或 交 流 变 频，牵 引 功 率 2X30k WAC 尚属空白 外喷雾加机载除尘系统，需要进口机 载除尘系统 由于我国短 壁机械化开采技术与装备起步较晚 ， 因此在我 国煤矿还没有广泛使 用，与世界先进的采煤 大国相比均存在着差距 ，主要表现在以下几个方面 1 不同地 质条件和煤 层赋存 条件下短 壁开 采技 术尚需深入研究，以连续采煤机为代表的短壁机械化 技 术装备还没有 系列化。 2 国产化连续采煤机 及其 后配套设 备与进 口设 备在可靠性 等方面还存在着的差距。 3 目前 国外煤炭装备 制造企 业非 常重视关键基 础元部件 的理论研究 ，同时强调 产品设计要有较好的 设计理论 支持 。而我国 目前在连续采煤机及其后配套 设备关键基础元部件的研制上 ，侧重于应用技术研 究 ，基础理论 的研究刚刚起步 。 4 在 开采 技 术方面 需 要研 究设 备总 体 配套 工 艺 ，煤 柱 留设与 回收方法 ，采场 顶板 控制 以及通 风 安全。 2 ． 4矿井无轨胶轮辅助运输技术与装备 我国煤矿无轨辅助运输设备的研制水平，经过十 几年的引进技术 、消化吸收和 自主研发 ，已有长足的 进步。但总体水平有待提高 ，尤 其是重型车辆与 国际 先进水平相比还有差距。主要体现在 1 在煤矿无轨辅 助运输设备 的基础研 究方面比 较薄弱，行业标准才刚刚起步，到 目前为止，还没有 建立起一套完整的防爆体系及其理论依据； 2 煤矿无轨辅助运输设备的核心技 术并没 有完 全掌握 ； 3 煤矿无轨辅助运输设备的可靠性 ，以及 发动 机 、桥 、变矩器 、等关键部 件的可靠性与 国外产品相 比差距较大 ； 4 无轨辅助运输设备的自动化、信息化程度低； f 5 检验技术 、检验手段 、检验设备 无法满 足现 代化 、规模化生产的需求 。 3采掘技术装备的发展趋势 采 掘 技 术 装 备 与 煤炭 生 产关 联 度大 ，是 煤 炭 煤炭工程 C OAL E NGI N EE R I NG 经 济增长 的脊梁 和动 力 。我 国国民经济 保持持 续 、 强 劲 、高 速的 增长态 势 ，给与基 础能源 和装 备制造 密 切相关 的煤 机行业 带来 了前所未 有 的历 史发展机 遇 ，未来 几年 ，采煤 技术 装备的 发展趋 势主 要体现 在以下 几个方面 1 研究试验手段更趋完善，工作可靠性不断提 高。设计中广泛应用计算机辅助设计，在试验方面建 立 了专业试验室 ，把试验研究提高到一个新的水平 。 2 机 电一体化趋势 明显。随 着实用型新 技术的 发展，新型设备的机 电一体化趋势越来越 明显 ，技术 水平不断提高 。主要表现 为 监测 、监控 、工况检测 和故障诊断 内容齐全 、驱动电机功率 自动调节 、离机 遥控操作更加可靠 、地质条件适应性更强 。 3 综采工作面三机 配套技 术 自动 化程 度逐步提 高 。以微型 电子计算机为核心 的电控 系统 ，电液控制 系统 ，以及先进的信息处理技 术和传感技术的应用 ， 使液压支架、刮板输送机能够实现跟机联动。 4 综掘工作面的综 合配套能 力进 一步加 强 ，多 功能集成趋势 明显。掘进机主机集成机载锚钻系统、 机载临时支护 系统 、机载除尘系统等 ，通过多功能的 集成达到提高单机成巷速 度和安全生产的 目标。 5 短壁开采技术与装备 日臻 成熟 和系列化 ，使 得连续采煤机适用范围不断扩大 。广泛应用于煤巷的 快速掘进、各种煤层条件，同时还用于石膏矿等非煤 矿 山以及露天煤矿边坡开 采。 总之 ，采 煤技 术装 备将朝着 装备 成套化 、 自动 化 、高可靠性方面发展。 参考文献 宁字 ． 高产高效综采工作面装备现状钼发展趋势， 煤炭科学研究总 院5 0 固年院庆科技论文集【 C 】 ． 北 京 煤炭工业 出皈社 ，2 0 0 7 ． 赵学社 ． 煤矿高效掘进技术现状 与发展趋势，煤炭 科学研宄总院5 0 周年院庆科技论文集【 C 】 ． 北京 煤 炭工业出皈社，2 0 0 7 ． 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