我国综合机械化采煤技术装备发展现状与趋势.pdf

第4 0卷第2 期 2 0 1 2年 2月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l Sc i e nc e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 4 0 N o ． 2 F e b ． 2 01 2 我 国综合机械化采煤技术装 备发展现状与趋 势 申宝 宏， 郭玉辉 中国煤炭科工集 团有限公司 ，北京1 0 0 0 1 3 摘要从中厚煤层综合机械化开采、薄煤层开采及短壁机械化开采等方面，详细阐述了我国综合 机械化采煤技术装备的发展现状 ，介绍了关键技术与装备取得的新突破 。分析 了我国综合机械化开 采装备与国外产品存在的差距，并从提高自动化程度和关键元部件可靠性等方面提出了综合机械化 采煤技术的发展趋势。 关键词综采工作面；刨煤机；连续采煤机；自动化技术；机械化开采技术；薄煤层开采 中图分类号 T D 4 2 1 文献标志码 A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 2 0 2 0 0 0 1 0 3 De v e l o pme nt St a t us a n d Te n de nc y o f Te c h no l o g y a n d Eq u i pme nt f o r Fu l l y M e c h a n i z e d Co a l M i n i ng i n Chi n a SHEN Ba o h o n g，GUO Yu h u i C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d En g i n e e h n g G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t F r o m t h e f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g i n t h e me d i u m t h i c k s e a m，t h e t h i n s e a m mi n i n g a n d t h e s h o r t w a l l me c h a n i z e d mi n i n g， t h e p a p e r i n d e t a i l s t a t e d t h e d e v e l o p me n t s t a t u s o f t h e f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p me n t i n C h i n a a n d i n t r o d u c e d t h e n e w b r e a k t h r o u g h o n t h e k e y t e c h n o l o g y a n d e q u i p me n t ．T h e p a p e r a n a l y z e d t h e g a p e x i s t e d b e t w e e n t h e f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g e q u i p me n t ma d e i n C h i n a a n d t h e o v e r s e a s p r o d u c t s ．F r o m t h e i mp r o v e me n t o f t h e a u t o ma t i o n d e g r e e a n d t h e k e y p a r t s r e l i a b i l i t y ，t h e p a p e r p r o v i d e d t h e d e v e l o p me n t t e n d e n c y o f t h e f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g t e c h n o l o gy ． Ke y wo r d s f u l l y me c h a n i z e d c o al mi n i n g f a c e ；c o al p l o u g h；c o n t i n u o u s mi n e r ；a u t o ma t i c mi n i n g t e c h n o l o gy ； me c h a n i z e d mi n i n g t e c h n o l o gy ； t h i n s e a m mi ni ng 煤炭是我国的主体能 源 ，2 0 1 0年我 国煤炭产 量和消费量分别达到 3 2 ． 4亿 t 和3 1 ． 2 亿 t ，分别 占一次能 源生产 和消 费的 7 7 ． 3 ％和 6 8 ． 6 ％ 1 - 2 ] 。 我国煤炭资源储量丰富，但赋存条件多样，其中 厚和特厚煤层储量占全部可采储量的4 4 ％，中厚 煤层储量占3 7 ％，薄和极薄煤层储量占1 9 ％，要 实现煤炭的安全高效开采必须发展适应不 同煤层 条件 的综合机械化开采技术装 备。 “ 十一五 ”期 间，伴随煤炭科技创新体系的不断完善，煤炭综 合机 械化 水平 得 到 大 幅度 提升 ，在 中厚煤 层 开 采 、薄煤层开采 、不规则 煤柱及边角煤开 采技术 装备等方面取得重要突破 ，有效支撑 了高 产高效 矿井建设和煤炭产业结构升级，保证了国民经济 发展对煤炭 的增长需求 。 1 我国综合机械化采煤技术装备现状 1 ． 1 中厚煤层综合机械化开采技术与装备 分层开采 、大采 高综采 和综采 放顶煤开采为 中厚煤层综合机械化 开采主要方法 ，由于分层开 采生产效率低 ，目前 已较少采用。大采高综采 已 成为 3 ． 5～6 ． 0 1T I 煤 层实现安 全高效 开采 的主要 途径 ，煤机装 备 除个 别工作 面 的采煤机 进 口外 ， 其余皆实现 了国产化，工作 面产量达到了年产 1 0 0 0 万 t 的水平。 “ 十一五 ”期 间完成的 国家十 大装备研发项 目 “ 年产 6 0 0万 t 大采高综采成套 技术与装备”2 0 0 8年在神华集团金烽公司万利一 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 2 2；责任编辑 赵瑞 作者简介申宝宏 1 9 5 6 一 ，男，安徽凤阳人，研究员，博士生导师， 现任中国煤炭科工集团有限公司副总工程师兼科技发展部部长。 网络 出版时 间2 0 1 2 0 2 - 1 5 1 1 2 8 ；网络 出版地址 h t t p ／ ／ w w w ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 1 1 ． 2 4 0 2 ． T D ． 2 0 1 2 0 2 1 5 ． 1 1 2 8 ． 0 0 1 ． h t ml 引用格式申宝宏，郭玉辉．我国综合机械化采煤技术装备发展现状与趋势 [ J ] ．煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 2 1 3 ， 4 4 ． 2 0 1 2 年 第2 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 】 卷 矿煤层平均厚度 4 ． 8 I n条件下 ，实现年产原煤 1 0 1 5 ． 5 万 t ，工作面采 出率达 9 3 ． 6 ％ _ 3 J 。我 国综 采放顶煤开采技术处于国际先进水平，综放开采 已成 为厚 度 大 于 7 I n厚 煤 层 的首 选 采 煤 方 法。 “ 十一五”期间 ，通 过 国家科 技支撑 计划 “ 特厚 煤层大采高综放开采成套技术 与装备研 发”项 目 攻关，研制出了截割高度2 ． 8 ～ 5 ． 5 In 、采放高度 l 4～ 2 0 m特厚煤层综放开采成套技术与装备，形 成 了我 国特厚煤层综放开采技术 体系。2 0 1 0年 9 月 5日，在大同塔山矿 8 1 0 5工作面进行工业性试 验，采高4 ． 5 1T I ，放煤高度 1 2 ． 3 m，采放比约为 1 ． 0 02 ． 7 3，工 业 性 试 验 期 间 最 高 日产 量 达 3 ． 9 4万 t 。 “ 十一五”期 间，中厚煤层综合机械 化开采 技术和成套装备研发取得新突破。液压支架最大支 护高度达 7 ． 2 n l 、工作阻力 1 7 0 0 0 k N、支架寿命 5 0 0 0 0次循环 ，循环移架速度 由 2 0 S缩短到 8 S 。 成功开发了 8 0 0～1 0 0 0 MP a高 强度 焊接结构 钢、 3 6 0 4 4 0 m m大缸径双伸缩立柱和新型密封结构 ， 首创了新型二级护帮、微隙准刚性四连杆机构等新 结构。成功研制出国内首套 S A C型支架 电液控制 系统及其关键元部件，采用单线 C A N总线通信和 操作界面与控制器分离 的 “ 两件式 ”结构 ，成功 研制出国内首套整体插装式电液换向阀和自动反冲 洗高压过滤站。采煤机最大割煤高度达7／11 、总装 机功率 2 6 0 0 k W、大修周期 由过煤量 3 0 0万 t 提高 到过煤量 6 0 0万 t 。成功研发 了适应重载冲击和 内 外组合冷却的高强度摇臂，创新研发了 1 4 7 m m节 距、承载力达 l 0 0 0 k N的高强度齿一 销传动系统， 开发了基于 C A N总线结构、D S P处理器 的嵌入式 控制系统和基于智能化专家系统的采煤机运行信息 分析及故障诊断技术。采煤机记忆截割技术取得突 破性进展，研制出高分辨率和高重复精度的采煤机 位置与采高传感器 ，采用预测补偿技术、多层次位 置与采高存储映射技术，解决了速度匹配、端头复 杂截割工艺和煤层变化的适应性 问题。刮板输送机 最大槽宽 4 0 0 m m、最大运量 4 5 0 0 t ／ h ，破碎 能力 由2 0 0 0 t／ h 提高到4 0 0 0 t／ h ，过煤量由3 0 0万t 提 高到 1 5 0 0万 t 。研发了整体 1 ． 7 5 113 铸焊式 中部 槽、 8 m m x 1 5 2 m m刮板链组件、整体模锻销轨 和大卸载 口交叉侧卸机头架等关键部件的新结构和 新制造工艺，研发了适用于大功率、宽体式锤式破 2 碎机的大型整体式锤体和新型锤头固定机构 ，首次 研制了刮板输送机综合监测传输系统。带式输送机 带宽达 2 ． 0 1 13 ，运量 4 5 0 0 t ／ h ，单 条运输距离 达 6 0 0 0 m以上，托辊寿命提高 了 2 ． 5倍 ，卷带时间 由2 h缩 短 至 4 5 m i n ，多机 功 率平 衡 精 度 达 到 9 7 ％。开发了扭矩大、卷带速度可控的高效液压卷 带装置 ，研制了新型大游隙、大直径滚珠轴承及抗 氧化、抗水性油脂新品种 ，成功开发了多电机软驱 动及功率平衡技术 、大拉力 自动张紧技术、新型高 速低阻托辊关键技术。 1 ． 2 薄煤层开采技术与装备 薄煤层综合机 械化开采主要方式有滚筒采煤 机、刨煤机和螺旋钻机 3种开采方式 ，螺旋钻机要 求巷道断面大且钻孔之间需留有小煤柱 ，采 出率相 对较低 ，在国内没有得到推广应用 。“ 十五” 、“ 十 一 五”期 间 ，我 国相继 成功研 发 了 MG 1 1 0 ／ 2 6 5 一 B WD型 、MG1 4 0 ／ 3 3 0 一 B WG型 、MG 2 0 0 ／ 4 5 0 一 B WD 型等薄煤层采煤 机和 MG 1 1 0 ／ 1 3 0 T P D型极薄煤层 电机牵引采煤机 ，并引入 D S P为核心的控制系统 ， 显著提高了控制系统 的可靠性 J 。 目前 ，功率 和 生产能力最大的 MG 2 x 1 0 0 ／ 4 5 6 一 WD型薄煤层采煤 机，机面高度 8 6 5 m m，最小采高 1 ． 1 m；MG 1 0 0 ／ 2 3 8 一 WD型采煤机机面高度仅 5 8 0 m m，最小采 高 可达 0 ． 8 n l 。四川华蓥山广能 集团有 限责任公 司李子垭煤 矿在煤层厚度 0 ． 7 5～2 ． 2 5 m、夹矸厚 度0 ． 0 3 ～ 0 ． 3 0 In 的复合煤层条件下， 采用 M G 2 0 0 ／ 4 5 6 一 WD配合 Z Y 2 0 0 0 ／ 0 8 ／ 2 2支架 ，实现 了平均 l J 产量 2 3 0 0 t ，最高月产量 1 3 ． 6万 t 。部分薄煤层工 作面以液压支架电液控制系统为基础 ，在顶底板条 件好的情况下 ，实 现了支架跟随采煤机 的 自动移 架 、推移刮板输送机等作业。 薄煤层刨煤机开采技术是采用刨煤机、刮板输 送机和液压支架配套的刨煤机综采机组 ，目前刨煤 机采高为 0 ． 6 2 ． 5 i n ，截深最大达、 3 0 0 mm，可刨 普氏系数为 4的煤，刨速可达 3 m ／ s ，刨链 2 m m，装机功率 最大 2 x 8 0 0 k W，铺设长度 3 0 0 m。 铁法 、晋城 、西 山、大同等矿业集团引进 自动化刨 煤机组，配合国产液压支架在煤厚 1 ． 0～ 1 ． 6 1T I 的 条件下，实现年产 8 0万 ～1 5 0万 t 。“ 十五”期间 ， 铁法煤业集团小青煤矿装备了国内第 1 个薄煤层全 自动化刨煤机 工作面 ，工作 面采用 国产 Z Y 6 4 0 0 ／ 0 9 ／ 2 0 D液压支架与引进刨煤机 系统配套 ，采用 电 申宝宏等我国综合机械化采煤技术装备发展现状与趋势 2 0 1 2年第 2期 液控制系统实现巷道集 中控制 ，正常生产条件下 ， 实现工作面无人化 J 。2 0 1 0年 5月 ，成功研制 出 我国第 1 台 B H 3 8 ／ 2 4 0 0 刨煤机组，适应 1 ． 3 IT I 以 下薄煤层开采，该机组配备了基于电液控制系统和 C A N总线 的 中央 控制 系统 ，实现 了采 煤、输 送、 支护自动化， 2 0 1 1 年在铁法煤业集团晓明矿进行 了工业性试验，共计产煤 1 4 ． 3万 t ，最高 日进尺 8 ． 9 n l ，日产量 3 3 0 0 t 。 1 ． 3 短壁机械化开采技术与装备 短壁机械化开采已成为解 决长壁开采 残留煤 柱、残采煤区、不规则块段、地质构造复杂煤层， 提高煤炭资源采出率和实现中小型煤矿机械化的重 要途径。“ 十一五”期间 ，我国短壁机械化开采技 术取得重大进展 ，相继研制 出 X Z系列履带行走式 液压支架 、L Y系列连续运输系统 、C M M 系列 四臂 锚杆 钻 车、G P系 列 给 料 破 碎 机 、WD 1 3梭 车 、 C L X 3铲车和 E B H ／ J 一 1 3 2型掘采一体机以及我国首 台 E M L 3 4 0 型连续采煤机等一系列短壁机械化开采 设备，填补了我国短壁机械化开采单机装备的空 白，形成了以连续采煤机 、掘采一体机 、短机身单 滚筒采煤机为核心的短壁开采技术体系 J 。其中， E ML 3 4 0型连续采煤机首次采用交流变频调速电机 驱动技术 ，具有调速范围广、启动转矩大 、过载能 力强、功能保护全等优点，通过在现场的实际应 用，性能和技术参数方面已接近国际先进水平，某 些技术指标和结构性能甚至超过同类引进产品。 目 前，国内连续采煤机短壁开采工作面配套设备的生 产能力达到年产量 1 5 0万 一2 0 0万 t ，掘采一体机 短壁开采工作面配套设备 的生产能力 达到年产量 2 0 万 一 3 0万 t ，短机身单滚筒采煤机短长壁开采工 作面配套设备 的生产能力达到年产量 9 0万 一1 2 0 万 t _ 7 ] 。短壁开采设备配置方式及生产 、技术特点 如下。 1 连续采煤机 连续运输系统 行走支架 锚 杆钻机 有刚性尾部 的带式输送机。连续作业、连 续运 输、效 率 高 、投 资 大 ，适 用 于 大 型 现 代 化 矿井 。 2 连续采煤机 掘采一体机 运煤车 梭 车 给料破碎机 铲车 行走 支架 锚杆钻机 带 式输送机。连续作业、间断运输、效率高、投资适 中，适用于中小型矿井 。 3 掘采一体机 连续采煤机 给料输送机 行走支架 带式输送机。效率较高、投资小 ，适用 于中小型矿井 。 2 我国综合机械化采煤装备与国外差距 “ 十一五”时期以来，我国综合机械化采煤 技术与装备取得了长足进步，大采高综采技术装备 已经达到国际先进水平 ，部分装备如液压支架 、大 运量长运距带式输送机等已经完全替代进口。但在 基础理论研究、设备原材料及加工工艺、关键元部 件可靠性等方面与 国外先进水平尚存在一定差距 ， 主要表现在以下 2个方面。 1 基础理论研究相对滞后 ，关键元部件 尚依 赖进 口。高强度开采条件下围岩活动规律、深部地 层煤岩体力学特性等开采基础理论研究与深部资源 开采步伐的加快相比较为滞后，采煤机、液压支 架、刮板输送机等工作面设备的关键元部件，如采 煤机记忆截割 、煤岩界面 自动识别、液压支架密封 元件 、刮板输送机软启动装置 、带式输送机多点驱 动功率均衡技术等方面还依赖进 口。 2 设备可靠性和开机率较低 ，自动化水平有 待提高。 目前除液压支架外 ，采煤机 、刮板输送机 等高端装备还存在一定数量的进口，主要原因在于 关键元部件的可靠性与国外产品尚有差距，导致单 一 设备和成套装备的开机率降低，影响煤炭企业生 产。此外，国内煤机装备在工况检测与故障诊断、 自动控制技术等方面存在较大差距。 3 我国综合机械化采煤技术装备发展趋势 综合机械化采煤技术装备是 实现煤 炭高产高 效、安全高采出率开采的先决条件，未来几年，我 国综合机械化采煤技术装备的发展趋势主要体现在 以下 3个方面。 1 加大关键元部件研发 ，提高工作面成套装 备系统的可靠性。开展综采装备关键元部件材料、 工艺和系统的匹配、成套设备的可靠性和 自动控 制、刮板输送机与带式输送机软启动装置、新型高 能量蓄电池、大功率防爆柴油机及防爆变频调速装 置等关键元部件攻关，提高单机设备的可靠性和成 套装备的综合开机率。 2 发展工作面生产工艺优化与 自动控制技 术 ， 真正实现煤机装备的 自动控制 J 。开展工作面 下转第 4 4页 3 2 0 1 2 年第2 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 O 卷 可操作性。如对供氧系统的安全性 ，要求企业 自身 按美国宇航局标准进行风险评估后确认 ；自救器存 放柜设置距离应经实际测试确定等。对其 中一些具 体规定经过了科学的计算、试验或实际测试，使其 具备科学依据 。 3 高度重视维护管理和培训演练。尤其重视 培训的针对性和实效性。对所有入井人员 包括 来访参观人员等 ，必须经过充分 的培训 ，确保其 掌握 自救器的使用方法 、了解避险设施存放位置后 才能下井。 4 紧急避险建设深入人心。美国煤矿开采条 件简单 、自然灾害威胁较小 ，但美 国上下均高度重 视紧急避险设施的建设和维护管理，即使普通矿工 也是如此。对一些 比较严格的规定也能得到认真执 行 ，充分体现了以人为本。 4 相关建议 1 进 一步提高 对紧急避 险 系统 重要性 的认 识， 加大建设和推广力度。我国煤矿数量多，条件 相差大，自然灾害普遍 比较严重；且井巷断面小， 用人多、人员素质相对较差 ，应更加重视紧急避险 系统的重要作用，更坚定不移地推进井下紧急避险 系统的建设完善工作 。 2 进一步完善煤矿井下 紧急避 险系统法规标 准体系。我国现行规定原则性要求较多，一些方面 还未涉及或正在探讨之中，应抓紧出台更具操作性 的指导性文件 ，完善煤矿井下紧急避险设施通用技 术条件和使用管理规范，并适时对现行规定进行修 订完善。 3 因地制宜、结合实 际。国外标准的起草制 定均紧密结合煤矿自身条件，但在一些方面也有待 完善。在学习借鉴国外先进经验的同时 ，应根据我 国煤矿的特 点，建立具有我 国特 色的技 术标准体 系 ，不能照搬国外的做法 。国外相关技术和装备的 引进也应适合我国煤矿特点 ，进行再创新 。 4 我国煤矿井下 紧急避险系统建设 尚处于发 展初期，包括紧急避险设施设计、布局、安全性能 保障等方面的一些关键问题亟待开展攻关。国家应 组织优势资源进行系统研究 ，并加大支持力度 。 参考文献 [ 1 ] 国家安全监管 总局国家煤矿 安监局关 于印发 煤矿井下 紧 急避险系统建设管理暂行规定的通知 [ z ] ．安监总煤装 [ 2 0 1 1 ]1 5号 ，2 0 1 1 1 2 5 ． [ 2 ] 国家安全监管总局国家煤矿安监局关于印发 煤矿井下安 全避险 “ 六大系统”建设完善基本规范 试行 的通知 [ z] ．安监 总煤装 [ 2 0 1 1 ]3 3号 ，2 0 1 1 3 - 2 1 ． [ 3 ] Mi n e S a f e v a n d H e M t h A d m i n i s t r a t i o n o f t h e U n i t e d S t a t e s o f A - me r i e a ．F i n a l Ru l e o f Re f u g e Al t e r n a t i v e s f o r Un d e r g r o u n d Co a l Mi n e s 3 0 C F R P a r t s 7 a n d 7 5 [ Z ] ．2 0 0 8 1 2 3 1 ． [ 4 ] N a t i o n a l F i r e P r o t e c t i o n As s o c i a t i o n U S A ，NF P A一2 1 1 3 2 0 07， S t an d a r d o n S e l e c t i o n， C a r e，Us e，a n d Ma in t e n an c e o f F I a me Re s i s t a n t Ga r me n t s f o r P r o t e c t i o n of I n d u s t r i al Pe r s o n n e l A g a i n s t F l a s h F i r e[ s ] ． 上接第 3页 作业方式和配套工艺研究 ， 研制采煤机煤岩界面 自 动识别技术 、液压支架围岩耦合控制技术和 自动化 控制系统、刮板输送机和带式输送机 自动监控、工 作面三维定位 、自动找直技术和设备姿态检测控制 技术等 ，建立工作面高智能集 中控制中心，实现工 作面设备整体 、有序的集 中控制 ，提高综采工作面 的全面自动化水平 。 3 研制适应中小煤矿复杂地质条件的技术装 备，提高中小煤矿综合机械化水平。研发薄和极薄 煤层、急倾斜煤层等条件下的综采成套装备；提高 短壁机械化开采装备的适应性， 对现有设备进行系 列化研发 ，适合中小煤矿特殊开采 。总之 ，我国综 合机械化采煤技术装备将朝着装备成套化、自动 化 、高可靠性和高采出率 的方向发展。 4 4 参考文献 [ 1 ] 钱呜高．煤炭的科学开采 [ J ] ．煤炭学报，2 0 1 0 ，3 5 4 5 2 95 3 4． [ 2 ] 国家 能源 局综合 司 ，煤炭 工业 洁净煤 工程技 术研 究 中心． 能源数据2 0 1 1[ R ] ．北京煤炭工业洁净煤工程技术研究 中心 ，2 0 1 1 ． [ 3 ] 宁字．创新煤炭安全高效开发技术 支撑 特大型矿井 建设 [ J j ．煤矿开采， 2 0 1 I ，1 6 3 1 3 ． [ 4 ] 申宝宏，雷毅，郭玉辉．中国煤炭科学技术新进展 [ J ] ． 煤炭学报 ，2 0 1 1 ，3 6 1 1 1 7 7 9 1 7 8 3 ． [ 5 ] 田成金．薄煤层 自动化工作面关键技术现状与展望 [ J ] ． 煤 炭科学技术 ，2 0 1 1 ，3 9 8 8 3 8 6 ． [ 6 ] 于向东．短壁机械化开采工艺与装备现状 [ J ] ．中国煤炭， 2 0 1 1 ，3 2 5 5 - 8 ． [ 7 ] 王金 华．我 国大采 高综 采 技术 与装 备 的现 状 及发 展趋 势 [ J ] ．煤炭科学技术， 2 0 0 6 ，3 4 1 4 - 7 ．