煤矿井下工作面运输装备的现状及发展前景

刘庆华 张 林

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏自治区石嘴山市，753001）

煤矿井下工作面运输装备的现状及发展前景

刘庆华 张 林

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏自治区石嘴山市，753001）

阐述了我国综采工作面运输装备的发展现状，介绍了国外煤机装备的关键技术与装备取得的突破，分析了我国综采输送装备与国外产品存在的差距，并从提高国产装备自动化水平和关键元部件等方面提出了建议。

井工煤矿 综采工作面 运输装备 刮板输送机

我国煤炭赋存条件十分复杂，特厚、中厚、薄和极薄煤层并存，分别占到全部可采储量的44%、37%、11%和8%，为了满足不同条件综采工作面的安全高效机械化开采，必须开发不同形式的综采输送装备。随着煤矿井工开采技术和工艺的不断发展以及我国煤机装备制造业的不断成熟，国产煤机装备的研制能力得到了大幅提升，国产运输装备在各种煤层厚度的综采工作面得到了广泛应用，有效支撑了高产高效矿井建设和煤炭产业结构升级，保障了煤炭资源的产量，满足了国民经济发展的需要。

1 我国井工煤矿输送装备的发展现状

我国井工煤矿运输装备制造业发展较晚，从20世纪70年代起步，逐步建立起门类齐全的装备设计和加工制造业。煤炭开采技术的不断进步促进了我国煤机制造业的改革与技术创新，井工煤矿运输机械产品的结构不断完善，形成了系列化和成套化的装备。随着矿井高产高效建设的不断深入，我国已形成较为完整的井工运输装备设计和制造体系，研制成功了一些在国内外具有一定市场竞争力的优秀井工运输装备。部分井工运输装备出口到印度、俄罗斯、乌克兰和土尔其等国家，取得了较好的经济效益。“十五”期间，我国主要煤机企业抓住机遇，加大投资力度，进行了技术改造和装备升级换代，制造能力大幅度提高。同时大力开展技术升级，瞄准国际煤机制造的先进水平，研制了一批大型重点煤矿急需的重型煤机运输装备，实现了重点煤矿重型运输装备的全面国产化，为促进我国煤炭工业的结构调整、技术升级做出了较大贡献。“十一五”期间，我国煤机装备制造业再接再厉，研制开发了一批具有自主知识产权和核心技术的创新产品，初步具备了按照地质条件和开采工艺进行装备研制的能力，形成了具有我国特色的综采、综放以及薄煤层综采装备体系。

1.1 一次采全高工作面输送装备现状

一次采全高是3～6 m煤层实现安全高效开采的主要途径，工作面生产能力约为200～800万t／a。在我国内蒙、山西、陕西等地的部分煤矿，单工作面最高产量可达1000万t／a以上。综采工作面运输装备主要由刮板输送机、转载机和破碎机组成，机械化程度较高的工作面还配置了皮带自移机尾 （马蒂尔）和转载机自移装置。

“十五”期间，神华集团金烽公司昌汉沟煤矿使用槽宽1000 mm的国产刮板输送机，在平均采高4.8 m的条件下，实现最高日产4.62万t，最高月产108.02万t，连续3个月平均月产96.23万t。“十一五”期间，一次采全高综采运输装备研发取得新突破，陕煤化集团红柳林矿7 m大采高工作面投产，设计最大采高7.2 m。工业性试验期间，工作面具备平均月产原煤109.91万t和年产原煤1200万t的生产能力。工作面输送设备均为国产装备，刮板输送机内槽宽达到1400 mm，装机总功率4500 k W，输送能力达到4500 t／h；转载机内槽宽达到1600 mm，装机功率700 k W，输送能力达到5000 t／h；破碎机装机功率700 k W，破碎能力达到6000 t／h。本项目成功开发了与液压支架同规格的2050 mm槽长规格的输送机溜槽，使液压支架将工作阻力提升到1700 k N以上成为现实；首创了172 mm节距的异形啮全合曲线的超规格销排，较147 mm销排的许用牵引力增大了50%以上，使采煤机的牵引速度和截割效率大幅度增加；成功研制出长寿命可更换式交叉侧卸机头、1000 mm行程全自动液压伸缩机尾、1600 k W四行星轮减速器、ø56 mm×187 mm规格的刮板链组件、抗弯曲的大高度电缆槽等输送机关键元部件，有效地提升了设备的可靠性；开发了用于驱动部状态监测的输送机运行分析技术，包含电机、减速器轴承温度、冷却水温度和压力、润滑油油质在线采集和分析系统以及基于振动的在线故障预警检测系统。

1.2 综放工作面输送装备现状

我国综采放顶煤开采技术处于国际领先水平，2005年兖矿集团向国外公司转让的 “两柱式综采放顶煤液压支架”专利技术是我国煤炭行业首次向国外输出采煤技术。综采放顶煤开采方法适用于地质结构复杂和煤层厚度较大的采煤工作面，如缓倾斜特厚煤层是当前厚度大于7 m的煤层的首选采煤方法。综放工作面在我国分部较广，尤其在山东、山西、河北、安徽等地使用较为普遍。综放工作面生产能力在150～800万t／a，个别工作面生产能力达到1000万t／a以上。在放顶煤开采技术发展的早期，有高位放顶、中位放顶和低位放顶3种放煤形式，其中前两种放煤形式使用的运输装备与“一次采全高”采煤工艺完全相同，由于安全性差及开采效率低，这两种放煤方式已很少采用。低位放顶是目前广泛采用的开采形式，在支架尾梁后部增加一台后部刮板输送机运送放落的原煤。

“十五”期间，国家组织了重点技术创新 “600万t综放工作面设备配套与技术研究”项目，以综采放顶煤技术为核心，深入开展了放顶煤开采技术与装备的研究，研制成功了技术先进和性能优良的综放工作面输送装备。在兖矿兴隆庄煤矿使用7年，工作面平均回采工效达到313 t／工，回采率达到87.43%，平均日产达到20376 t，平均月产达到57.0532万t，年产达684万t。“十一五”期间，我国综放技术取得重大发展，最大放煤高度达到20 m。在大同塔山矿8105工作面进行了特厚煤层综合放顶煤试验，试验工作面煤层厚度14～20 m，采煤机割煤4.5 m，最大放煤高度约12 m，采放比接近1∶3，试验取得了良好效果，试验期间最高日产达到3.94万t，创造了放顶煤工作面的最好成绩。

放顶煤工作面输送装备一般由前部刮板输送机、后部刮板输送机、转载机和破碎机组成。前部刮板输送机与一次采全高工作面刮板输送机结构相同，由于采高相对较低，且产量主要受限于放煤作业的节奏，放顶煤工作面对刮板输送机中部溜槽强度、牵引销排以及电缆槽等的强度要求较一次采全高工作面设备低。由于当前还未对增大支架工作阻力以及提高采煤机牵引速度等方面提出更高的需求，所以长度规格为2050 mm和强力销排为172 mm等提高开采效率的新技术尚未在综放工作面应用。综放工作面前部刮板输送机的内槽宽为800～1000 mm，装机功率为2×315～2×1200 k W，输送能力为1000～2500 t／h。后部输送机由于不需要与采煤机进行配套，中部溜槽结构简单。为增加后部刮板输送机承载断面，还可以在其溜槽上安装浮煤回收装置。后部刮板输送机的内槽宽为800～1250 mm，装机功率为2×315～2×1200 k W，输送能力为1000～2500 t／h。当采放比在1∶2附近时，前后部刮板输送机可以选择相同的槽宽规格。由于后部刮板输送机运输的原煤均匀度较前部刮板输送机更差，往往还含有大量的矸石等杂物，通常情况下同规格的后部刮板输送机所需的驱动力应比前部刮板机大8%～10%以上。在实际应用中，为了减少备件储备量以及工作面的维护量，大部分客户选择前后部刮板输送机同功率的配制形式，以使前后部刮板输送机的头和尾驱动部相同。由于要同时转接来自前、后部刮板输送机的原煤，放顶煤工作面的转载机通常长度较长，约比用于一次采全高工作面的转载机长8～20 m。最长的综放工作面刮板转载机长度达到100 m。目前主要使用的综放工作面转载机内槽宽为800～1350 mm，装机功率为200～700 k W，输送能力为1000～3000 t／h。放顶煤工作面的运巷宽度一般在4 m左右，小于一次采全高工作面支巷宽度的5～5.5 m，更适用于布置皮带传动的破碎机。受皮带传动能力的限制，破碎机的装机功率为110～315 k W，破碎能力为1000～3000 t／h。近几年还研制了双皮带传动破碎机、联组 “V”带传动破碎机、窄型减速器传动破碎机等一批新型破碎机，以上问题有所改善，但未从根本上解决问题。

1.3 薄煤层工作面输送装备现状

薄煤层综合机械化开采主要有滚筒采煤机—刮板输送机组和刨煤机—刮板输送机组两种开采方式。刨煤机—刮板输送机组采用刨煤机、刮板输送机和液压支架组成，刨煤机用于工作面落煤，刮板输送机负责铲装和运输，液压支架提供随移保护。刨煤机组主要适用于0.6～2.5 m厚的煤层开采，其优点一是位于工作面内的机械装置结构简单，落煤、装煤容易实现自动化；二是驱动部位于工作面两端的巷道内，易于维护。其缺点是工况适应性差，不能在工作面内调整采高；不但要求煤的存储厚度要均匀 （不能有夹矸和断层），还要求煤的节理发育充分，满足 “可刨性”指标。我国铁法、晋城、西山和大同等煤矿由国外引进的高速滑行刨煤机是目前最先进的刨煤机组，刨头运行速度为3 m／s，刨链规格为ø42 mm×137 mm，刨头驱动功率为2×800 k W，铺设长度为300 m。刮板输送机槽宽为800 mm，装机功率为2×800 k W。铁法小青矿使用的刨煤机组在煤厚1.0～1.6 m的工作面年产量达到100万t。

美国使用刨煤机最为普遍，开采和管理水平最高。刨煤工作面的采高为0.8～2.2 m，最高达到2.5 m；工作面长度为300～450 m，年生产能力为300～800万t。在煤厚低于0.8 m时虽然仍可使用刨煤机组采煤，但此时对刨头及运输槽的高度限制较严格，因此需要通过减小刨链及运输链的规格来降低刨头最小高度。这样一来会导致刨链和输送链破断负荷减小，反而限制了刨煤工作面的长度，最终影响刨煤工作面的产量和效益。刨煤机组相比于其它开采方式投资巨大且限制条件多，因而在前期规划中更重视工作面效益。对于厚度在0.8 m以下的煤层，除因为稀有煤种等特殊因素能确获得较好收益的工作面外，很少采用刨煤机组开采。

南宋时期的《世说新语·汰侈》，记载了叫作“豆粥”的方便食品。它的制作方法，是先将豆子煮烂，研磨成粉，晾干搁置起来。待到需要使用时，只要将其冲入热汤中即可。当有客人来了，立马就可以端上热气腾腾的豆粥，请客人品尝。

由于我国大部分地区的薄煤层工作面地质条件复杂，而且煤的品质也不高，再加上对于煤的可刨性分析不够，以及受进口的刨煤机组价格较高、维护费用和刨刀等备件的价格昂贵等因素的影响，刨煤机在我国没有得到推广使用。

中厚煤层采煤机组开采技术的长足发展引领了我国薄综采装备的发展方向。在中厚煤层成熟采煤机的基础上，我国成功研制出多型号矮机身采煤机以及与之配套的各种刮板输送机，成功实现了薄煤层工作面由炮采到机械化开采的转型。采煤机开采的最小采高达到0.80 m，已接近刨煤机组。2010年，由兖矿集团主导研制的 “1 m以下含坚硬夹矸薄煤层安全高效综采成套装备与技术”项目获中国煤炭工业科学技术奖一等奖。该项目研制成功的薄煤层刮板输送机在煤层厚度为0.75～1.5 m、煤层含夹矸在1～2层和黄铁矿结核体的条件下，工作面最高班产量为1387 t，最高日产量为2657 t，最高月产量为6.9万t。SGZ630／220薄煤层抬底刮板输送机是本项目的重要研究成果之一，创新研制了液压抬底中部溜槽防止飘溜、准中双链形式的刮板链增大过煤断面、反置式底销排降底采煤机啮合高度、反曲线结构的输送机机头解决工作面两端“三角煤”的问题以及输送两端的原煤防漏煤装置等新技术和新结构。

延长工作面长度、减少巷道数量以及提高单工作面的出煤率是提高薄煤层工作面的一个大胆尝试。工作面长度主要受地质条件和刮板输送机最大允许铺设长度的制约，在薄煤层工作面则主要受刮板输送机的许用铺设长度制约，通常薄煤层工作面的长度在60～120 m，个别达到150 m。薄煤层刮板输送机的所用的刮板链直径在18～22 mm之间，个别达到ø26 mm，其强度不允许刮板输送机的铺设长度进一步加长，只有通过增大链条规格的方式延长刮板输送机的铺设长度。链条规格的增大势必引起输送机溜槽高度和宽度的增加，在神华石圪台和锦界等矿成功试用了SGZ1000／2×1000薄煤层刮板输送机，输送机槽宽为1000 mm，刮板链规格ø42 mm×146 mm，试验最小采高为1.6 m，工作面长度为300～350 m。在进行400 m超长工作面试验时效果不理想，断链事故频繁发生。在刮板输送机继续使用圆环链进行传动的情况下，通过延长工作面长度提高薄煤层工作面产量的方法困难很大。

2 工作面输送装备的发展前景

2.1 工作面输送装备发展现状

我国是世界上最大的产煤国，也是世界上最大的煤机装备市场。我国工作面输送装备以国产装备为主，进口装备约占总数的3%～5%，但价值可达总量的8%～10%。我国井工输送装备的型号、功率以及槽宽等主要技术指标已经与世界先进水平持平，甚至略有超越，但行业整体技术水平跨距大，占行业中最大比例的中小企业技术落后，创新能力不足。刮板输送机核心元件的国产化率、可靠性、装备的控制与智能化水平较低，产品质量标准化程度低，设备使用寿命及可维护性等方面与国际水平相比还落后很大的距离。主要表现为：拿来主义盛行，缺乏自主创新，产品的同质化现象严重；核心零部件的寿命和可靠性低，大功率的传动部件还需要进口；关键的耐磨材料和驱动装置仍无法国产；行业缺乏活力，新技术和新成果应用迟缓。造成以上问题的主要原因有以下几方面的原因：

（1）追求短期利益，在基础理论、材料等方面投入的研究不足。新技术、新工艺及行业发展趋势等方面的研究不被重视，过于追求 “人无我有”的型号创新，侧重于结构、功能设计与研究，忽视了“人有我优”的质量创新，在基础理论研究和新材料、新工艺等方面的投入不足。造成产品质量控制手段和可靠性技术研究发展滞后，基础制造和质量保证能力低，制造不能准确反映设计思想，严重影响产品的品质和故障分析的正确性；基础材料性能不稳定，锻造、铸造、热处理技术和研究落后，设备更新缓慢。

（2）行业整体管理水平低，质量管理和品牌意识差。近几年煤炭市场的持续火爆吸引了相当一部分资金，大量新生企业抱着捞一把的心态涌入煤机行业，依靠仿制生产中、低端井工运输设备；依靠少量专业技术和管理人员进行产品制造质量和过程管理，管理水平低且质量控制手段和能力不完善；缺乏有竞争力的核心技术，只能依靠价格拼市场，过分压低成本，产品质量反差极大，影响了行业的整体形象；缺乏长远的战略布局，及时提供备件和售后服务的能力差，甚至无法保证用户的正常生产，影响了用户对国产设备的信心。

（3）刮板输送机的设计理论和核心技术方法还没有完全掌握，大部分企业还采用类比设计或静强度校核等粗糙设计阶段，现代化的分析和设计工具尚未推广使用。决定设备寿命和可靠性的关键技术仍需要从国外采购 （比如用于刮板输送机驱动的调速耦合器、大功率变频电机、大扭矩限矩器等，决定中部槽寿命的高性能可焊耐磨板以及制造大规格链条的特种合金圆钢等），特别是与大功率电力驱动相关的产品技术落后，功率超过1000 k W的电机、软启动器、扭矩保护器以及电磁控制器仍然选用进口或其他非井工行业的产品。由于刮板输送机是移动式连续工作方式，一个工作循环通常为5～8个月，再加上煤矿防爆、淋水、电磁干扰等恶劣环境，其它行业的成熟产品很难适应煤矿井工的特殊环境，无法直接使用，往往需要进行特殊的防护处理。但由于技术更新快，新产品在煤机市场的赢利周期短，投入重金的专业设计很难收回成本，限制了优质产品的开发能力，因此新技术发展缓慢，投资热情低。

（4）井工装备的一体化设计能力和专业研究力量薄弱，不重视装备的持续改进和进化，设备性能参数选择不合理，运输系统工作能力缺乏弹性。往往依据工作面的最大生产能力进行各运输系统的能力设计，导致大部分时间工作面各运输系统只能发挥50%～70%的能力。而在片帮等特殊情况发生引起超载时，由于运输系统不能进一步增大工作能力而导致原煤溢出。运输装备的自动化和智能化程度低，缺乏工作能力适时调节和工作模式转换的能力，各类保护系统、实时检测系统、故障诊断系统以及可预见性维护系统等方面与国外先进水平还有很大差距。

（5）井工运输装备与其它煤机装备的配套通用性差，煤机配套缺乏统一的法规性标准和原则，不重视行业的标准化建设和匹配性设计，不同企业的同型设备配套标准和设计不同，提供的产品不具备行业通用性和互换性。另外，采用的行业标准更新慢、跟不上产品发展的需要、没有与国际先进标准接轨以及产品质量和某些性能达不到国际强制标准的要求，这些因素直接影响了我国井工输送设备走向国际市场。

（6）输送设备的产能分布不合理，80%以上的企业以生产槽宽764 mm及以下规格的中小型设备为主，产能重叠，严重缺乏技术优势，完全依靠价格竞争获得订单，陷入了低质低价竞争的怪圈。少数企业主导槽宽1000 mm以上的重型设备市场，虽然面临部分国外同行的竞争，但仍占据了国内大部分市场。

（7）科研投入不足，技术人才队伍建设缓慢，创新能力弱。煤机制造业一向被认为是技术含量低的行业，大部分企业不重视科研，而且机械制造业的利润率低也影响了企业投资科研的热情。由于煤矿专业的大专院校纷纷易帜，煤机制造业已多年招不到本专业的毕业生，从其它机械或电气专业招聘的学生需要再经过3～5年的培养才能适应煤机设计专业的工作，而且有相当一部分技术人才不能忍受这个过渡期，很早便离开了煤机设计行业。

（8）井工运输机械行业缺乏集中管理，各生产企业各自为政，行业缺乏有效监管。由于存在大量以仿制为主的中小型企业，各企业间技术壁垒森严，技术信息和资源共享性极差。

（9）市场秩序不完善，专利保护和知识产权意识淡薄。大批依靠仿制为生的低端企业入市和出市门槛低，能轻易获得MA认证成为煤机制造商，效益差时又可以随时退出，无需承担社会责任。这些企业依靠价格和非市场因素占据了某些地方市场，导致了不公平的市场环境，优质的产品难以获得优价，从而失去了竞争力。

2.2 井工煤矿运输装备的发展前景

煤炭高效机械化开采是世界煤炭工业的发展方向，国外以露天开采为主，研制了移动破碎站、大吨位自卸卡车等一大批重型装备，我国大部分煤炭资源埋藏较深，不适宜进行露天开采，目前露天开采只占全国原煤总产量的3%～5%，高效机械化井工开采是我国煤炭的主要生产方式。近20年来，煤矿生产效率持续提升，单工作面年产量由100万t左右提升至1000～1200万t，原煤日生产量达到了3～5万t，与之相适应的综采运输装备也向长运距、成套化和大功率发展，并开始引入智能控制和自动化技术。应用于这些高产高效矿井的井工输送设备不但运输能力强，还配备了完善的安全保护和工况监测系统，设备自动化水平和可靠性的提高大量减少了井下人员的数量。事实证明，国产成套化的井工运输装备基本满足我国高产高效大型矿井的发展需要，在备件保障和配套灵活性等方面相比国外供应商更具优势。随着井工运输装备的配制越来越高和结构越来越复杂，煤矿用户越来越依赖于供应商提供的售后服务和备件保障来确保煤机装备的正常运行。煤机销售已不仅仅是向用户交付设备的问题，而是包括多设备选型、制造交付、安装调试、备件储备、现场维护、大修、残值利用等煤机的全生命周期的服务，即以销售煤机产品为开端，为煤矿的生产提供全方位的支持。

2.3 井工煤矿输送装备的技术发展趋势

（1）开采装备的成套化开发是当今煤机装备发展的趋势，也是满足煤矿减人增效和提高煤炭生产安全性的重要途径。开采装备的成套化开发包括采、运、支整个井工开采装备和系统的功能集成及交融。如在薄煤层刮板输送机上出现的液压抬高装备就是为了改善刮板输送机的铲煤效果，以解决薄煤层采煤机由于滚筒直径小和上煤效果差的问题。成套化开发就是要不断提升煤机装备的研制能力，完善运输设备的各种功能，按照采煤工艺和用户特定开采条件为输送设备增加特殊功能。成套化要为用户提供全面的解决方案，围绕井工运输设备为用户提供全面的技术配套、定制化制造、软启动控制技术、机电管理技术、故障诊断与可预见性维护技术、设备中期改造与技术升级、设备全寿命周期管理等。设备成套化建设的目标是提高井工输送装备对不同开采工作面的适用性、提高开采效率、设备可靠性和设备自动化程度，提升设备供应商在设备全生命周期的服务能力，降低用户的后期使用成本和维修能力建设投入。

（2）加快关键元部件和高性能耐磨材料的国产化。目前井工输送设备虽完全可以国产，但大功率电机、减速器、软启动装置等还依靠进口，尤其是1000 k W以大功率软启动器和高压变频一体机被国外少数几家企业垄断，价格昂贵且交货期长，严重限制了重型井工输送设备的发展，急需改变现状，在国内寻找替代产品或替代技术。我国缺乏针对煤矿特殊使用条件研制的特种耐磨钢材，国内钢铁企业近几年研究出了几种与国外材料性能接近的耐磨钢材，但存在焊接性能差和机械加工困难等问题，与国外产品还有不小的差距，特别是在不同批次材料的性能稳定性方面差距明显。

（3）通过引进吸收或借鉴等手段，加快其它行业机械和电气行业成熟先进的技术融入煤机装备业，促进煤机产业的技术升级。包括高压变频技术、直流电机、液压驱动技术对刮板输送机交流电牵引系统的替代和升级；液力变矩器、液体粘性传动、磁力限位器等新型传动装置的引进和再开发；轻质金属、高分子复合材料应用于刮板组件，大幅降低刮板链的重量，降底刮板机的空载损耗和磨损；矩型链环、异型链等新型传动链替代圆环链，改善链条与链轮的啮合条件，提高传动系统的效率和可靠性等。

（4）提高装备的整体可靠性。通过运动学和动力学的仿真分析，在采购、制造、检验、调试的全过程进行质量控制，提高成套装备的制造可靠性，最终提高井工运输设备的可靠性和易维护性。在行业内开展标准化工作，形成统一的设计及制造标准，积累数据，逐步建立关键元件的基准寿命指标，以此为基础建立健全井工设备的寿命预估系统，提高设备的可靠性和主动维护性。

［1］康虎彪.我国综采工作面装备现状及其与国外的差距 ［J］.中国煤炭，2004 （10）

［2］洪源.论中国煤机行业的发展趋势 ［J］.中国煤炭，2008 （7）

［3］柏振军.中国煤矿机械装备发展现状和 “十二五”展望 ［J］.中国煤炭，2011（4）

Present situation and development prospect of transportation equipments at mining face in underground mine

Liu Qinghua，Zhang Lin
（Ningxia Tiandi Benniu Industrial Group Co.，Ltd.，Shizuishan，Ningxia 753001，China）

The present situation of transportation equipments at fully mechanized mining face was described，and the key technology and the achieved breakthroughs of foreign equipments were also introduced.The gap between home-made and foreign equipments were analyzed.Meanwhile，some suggestions were proposed in terms of how to enhance the automation level and key components＇quality of home-made equipments.

underground mines，fully mechanized mining face，transportation equipments，scraper conveyer

TD52

A

刘庆华 （1974-），男，陕西富平人，硕士学位，副总工程师，主要从事井工煤矿机械的研究。

（责任编辑 路 强）