煤炭机械装备国内外技术现状及发展展望

综述

煤炭机械装备国内外技术现状及发展展望

申宝宏，雷毅，刘见中，宋雪飞

(中国煤炭科工集团有限公司，北京100013)

[摘要]综述了30多年特别是近10年以来，我国在矿井建设、巷道掘进、综采设备、辅助运输、露天开采、煤炭洗选等方面的装备研发取得重要突破，但设备能力、可靠性、智能化和信息化等指标偏低，技术水平落后于国际同行近10年；分析了国内煤机产业发展现状及趋势；提出了国内急需攻克机械化凿井装备、巷道高效快速掘进支护技术装备、工作面装备智能化控制系统、薄煤层机械化开采装备、大功率设备软启动技术与装备、多功能低污染无轨辅助运输装备、大型露天煤矿成套装备、智能化高效分选技术装备方面的核心技术。

[关键词]煤机装备；技术现状；发展展望

[中图分类号]TD41/45[文献标识码]A

[收稿日期]2014-07-21

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.001

[基金项目]国家高技术研究发展计划(863计划)课题：综采智能控制技术与装备(2013AA06A410)

[作者简介]申宝宏(1956-)，男，安徽凤阳人，研究员，博士生导师，现任中国煤炭科工集团副总工程师兼科技发展部部长。

Current State and Development Prospect of Domestic and

Overseas Coal Machinery Equipment

SHEN Bao-hong, LEI Yi, LIU Jian-zhong, SONG Xue-fei

(China Coal Technical & Engineering Group, Beijing 100013, China)

Abstract:Equipments research and development in mine construction, roadway driving, full-mechanized mining equipment, auxiliary transportation, surface mining and coal washing of China has made important progress in recent 30 years, especially recent 10 years.But some indices including equipment ability, reliability, intelligentization and informatization has 10 years' technical gap from international level.Development state and tendency of domestic coal machinery industry was analyzed.Key technologies needed to be overcome for China was put forward which include mechanized shaft sinking equipments, high-efficiency and fast driving and supporting equipments, intelligent control system for mining face, mechanized mining equipments for thin coal-seam, soft-start technology and equipment with large power, multi-function and low-pollution trackless transportation equipment, large surface mine equipments, intelligent and high-efficiency washing equipment.

Keywords:coal machinery equipment; technical state; development prospect

[引用格式]申宝宏，雷毅，刘见中，等.煤炭机械装备国内外技术现状及发展展望[J].煤矿开采，2015，20(1)：1-4.

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，2013年煤炭产量或超3.7Gt，约占世界煤炭产量的50%。煤炭工业的发展带动了煤机装备制造业的迅速发展，煤机装备制造业也对提升煤炭工业竞争力和生产力水平发挥了重要作用。近30年来，通过引进、消化、吸收和再创新，我国重大煤机装备水平显著提高，自主创新能力显著增强，与国外先进水平差距不断缩小，部分装备达到国际领先或先进水平。但我国煤机装备总体水平仍然较低，在设备能力、可靠性、使用寿命、技术先进性等方面亟待进一步提升。

1煤机装备国外技术水平现状

当今发达国家煤机制造企业正向跨国、大型和多元化方向发展，经过不断兼并和收购，国际上逐渐形成了德国德伯特(DBT)公司和美国久益国际(JOY)公司等占垄断地位的煤机制造企业，其产品供应美国、澳大利亚和南非等世界主要产煤国，并出口到我国。国外先进煤机装备在大功率、高强度、耐磨损、耐腐蚀、高可靠性等方面具有明显优势。

(1)设备能力方面国外煤机装备不断向大功率、高强度方向发展。国外采煤机最大装机功率近3000kW，其中单截割功率1100kW，单牵引功率200kW，采用690V级交流变频调速，最大牵引速度达到30m/min以上，最大开采高度达到7m，设备生产能力达到了5000t/h以上。国外长距离、大运量、高带速大型带式输送机已成为发展的主要方向，最大运距大于20km，最大运量大于0.02Mt/h，最大带速大于10m/s。国外掘进机采用多功能集成技术、自动控制技术、记忆截割技术、长压短抽的混合通风除尘技术等先进技术，极大地提高了掘进安全性，实现了岩石硬度f≤10全岩巷的高效、快速、经济掘进，月进尺达到150m以上。美、英、德、澳等国选煤装备满足年产10Mt及以上特大型选煤厂的要求，年生产运行时间在6000h以上。

(2)设备可靠性方面国外煤机装备在稳定性、可靠性、长寿命方面具有明显优势。国产采煤机的齿轮寿命和轴承寿命仅为5000h，而国外采煤机齿轮和轴承寿命已分别提高到20000h和30000h以上，达国内同类产品的4倍以上。采煤机整机大修周期达到10Mt过煤量，行走系统大修周期5Mt过煤量，远超国内同类产品。国外重型输送机减速器大修前无故障使用时间通常在过煤3～4Mt以上，链轮、链条大修前的无故障使用时间可达过煤2～3Mt。国产重型刮板输送机的减速器、链轮、链条大修前的无故障使用时间为过煤1～3Mt。国产液压支架耐久性试验次数一般为8000～10000次，而国外企业则要求支架耐久性试验在35000次以上，国内安全阀、操纵阀等主要液压元件的耐久性试验一般要求为5000次，而国外要求20000次以上。

(3)技术先进性方面国外煤机装备在自动化、智能化控制等方面具有先进性。先进采煤国家的矿山数字化主要从开采过程的自动化、智能化入手，以求最大限度改善矿工的劳动条件，提高开采效率。采煤机电控系统应用嵌入式计算机及工业网络技术，结合先进的传感与信号处理技术，实现高性能运行控制、与配套设备的自动协同控制、故障自诊断、自动记忆截割和远程监控功能。开发应用了带式输送机动态分析技术，为带式输送机的起、停、张紧的控制提供了依据，优化了输送机的运行性能，同时也开展了软启动、软制动和动态张紧等装备的研制。

2煤机装备国内技术水平

改革开放30多年特别是近10年以来，我国煤机装备取得了长足进展，在矿井建设、巷道掘进、综采设备、辅助运输、露天开采、煤炭洗选等方面的装备研发取得了重要突破。但目前我国煤机装备仍总体落后于国际先进水平，装备可靠性、智能化和信息化等指标偏低，相当于国际同行业2005年左右的水平，相差近10年。

(1)矿井建设和巷道掘进方面我国形成适合不同地层条件，覆盖不同类型矿山竖井、斜井工程配套的钻井装备体系，竖井钻机达到国际领先水平，反井钻机达到国际先进水平，千米深井凿井技术及装备施工最大立井深度1300m，5m大直径反井钻井技术及装备施工井筒最大深度562m，但机械化凿井技术总体水平仍低于国际先进水平。研制的掘进机的截割功率达到300kW以上，可以满足岩石硬度f≤10的全岩巷道掘进，具有了离机遥控、截割断面监视和故障诊断等功能，但在破岩能力、破岩效率、适应性及可靠性方面还存在一定的差距。研制成功煤巷大断面掘锚联合机组，具备一次截割成形的高效截割技术和机载全液压导轨式锚杆机技术。

(2)综采装备方面主要设备已基本替代进口。我国电牵引采煤机形成了割煤高度0.8～7m、适应倾角0～60°、总装机功率最大达2700kW的系列产品，牵引速度超过20m/min，最大落煤能力达6000t/h。自主研发了支护高度0.5～7.2m、工作阻力2000～17000kN、支架宽度最宽2.05m、立柱缸径最大500mm、适应倾角0～60°等500多种不同类型与支护参数的系列化液压支架。自主研发了最大中部槽槽宽1400mm、最大中部槽长度2050mm、最大装机功率3×1500kW的刮板输送机；最大槽宽1600mm，最大装机功率700kW的转载机；最大破碎能力6000t/h、装机功率700kW的破碎机。研制成功的7m厚煤层大采高综采成套技术与装备，适应煤层厚度3～6m，工作面年产量达到10.25Mt，创造了新记录。研发成功的14~20m特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备在大同塔山矿年产煤10.391Mt，刷新综放工作面年产世界记录。研发成功国内首套装机功率最大、开采高度最高、生产效率最高的综采工作面智能化成套装备，在陕煤集团红柳林煤矿成功应用。

(3)矿井运输方面研发的煤矿带式输送机带宽可达2m，运力达4500t/h，固定胶带机带速可达6m/s，单条运输距离达6000m以上，保证了单一工作面年产10.0Mt的运力要求。在煤矿辅助运输装备方面，我国已成功自主开发出铲板式支架搬运车类、框架式支架搬运车类、多功能作业车类、辅助运输与施工类4个大类近20余种煤矿综采工作面快速搬家使用的特种车辆，搬运能力已达80t，多项产品达到国际领先、国际先进水平。

(4)短壁开采装备方面我国自主研发的短壁机械化连续系统设备与工艺总体达到国际先进水平，并相继研制出XZ系列履带行走式液压支架、LY 系列连续运输系统、CMM 系列四臂锚杆钻车、GP 系列给料破碎机、WD13 梭车、CLX3 铲车和 EBH/J-132型掘采一体机、EML340 连续采煤机等，目前已经具备生产成套短壁机械化开采装备的能力。

(5)露天开采装备方面从成套水平上看，从年产500×104t级发展到1000×104t级和2000×104t级，发展迅猛。但装备的研发制造主要集中在小型及辅助设备，如矿用挖掘机、自卸卡车、钻机等设备。而大型电铲、卡车等设备市场份额小，关键部件仍然依赖进口。同时国内的工程技术研究设计、加工制造水平相对落后，产品在关键零部件技术性能、智能化水平、成套设备的配套性、工作可靠性和使用寿命等方面仍落后于国际先进水平。

(6)煤炭洗选装备方面年产4.0Mt选煤成套装备实现了国产化。自行研发的重介质旋流器选煤工艺技术国际领先，直径达1.5m、处理能力550～650t/h；SKT型跳汰机国际先进，面积达36m2、处理能力500～600t/h；XJM-S型浮选机技术国际先进，容积达45m3，处理能力1000～1200m3/h；3000t/h分级破碎机基本替代了进口；宽度3.0～3.6m的香蕉筛、直径1.2～1.4m离心机已研制成功；加压过滤机智能化控制取得一定进展；快速隔膜压滤机国际领先。选煤自动化水平低，全厂启停车基本实现集中控制，但生产工艺参数自动控制不足20%；大型设备可靠性低，仅有70%。

3国内煤机产业发展现状及趋势

煤机市场需求主要由新开工矿井的生产需求、在用设备的更新、机械化开采率提高带来的技术改造需求以及零配件更新维护等4个需求因素驱动。近年来煤机产值不断增长，2010年为879亿元，2011年为1121亿元，2012年为1346亿元，中国煤机市场规模占全国机械行业20%左右。目前到“十二五”末煤机市场容量超过2000亿元。预计2020年我国煤炭产量将超过4.8Gt，比2013年增加1.1Gt，若按新建矿井吨煤平均投入1000元计算，煤炭工业新增投资将超过10000亿元。若按70%属于固定资产投资、煤炭机械设备投资占其中的50%概算，新增产能需要的煤机装备投资约为3500亿元；同时设备更新改造规模可望达到1500亿元。两者相加，煤机装备制造业目前到2020年的市场份额将达到5000亿元。目前国内煤矿主要采用国内煤矿机械设备，因为价格具竞争力、质量与技术水平不断提升，并能提供及时服务，因此我国煤机装备制造业前景可期。

为适应煤炭工业安全、高效、绿色的发展需求，提高煤机装备技术先进性和市场竞争力，未来煤机装备的发展呈现以下趋势：

(1)设备大型化、成套化煤炭开发重心向西部转移，为满足安全高效的需求，需要研发针对西部条件下煤矿高产高效集约化生产的大功率、高强度装备，包括年产10Mt以上厚煤层综采成套技术装备、年产1.5～2.0Mt薄煤层自动化综采成套技术装备、年产1.0Mt以上短壁综采成套技术装备、巷道快速综掘成套技术装备以及年产10Mt煤炭洗选大型成套技术装备研制等，进而提高我国煤机行业技术水平的同时，为我国能源安全提供有力保障。同时煤机应由“单机”制造转向“成套装备”，提高产品彼此之间的配套能力，以此提升煤机制造业竞争能力。

(2)设备高可靠性、长寿命由于原材料、关键部件，如轴承、密封、机电、电气元件、液压元部件等在使用寿命和可靠性上都存在较大的差距，这些问题严重影响了整机产品的可靠性和使用寿命，急需改进制造工艺技术，改善加工设备。

(3)设备自动化、智能化未来煤机装备除安全高效和高可靠性外，高度自动化、具有很强适应性、能远程控制是重要趋势。国内部分矿井已实现了综合自动化，在3DGIS、无人开采、企业管理ERP等方面进行有益的尝试，并取得了部分成果，但是目前数字化矿山建设还处于初级阶段。

4急需突破的核心技术

目前，国产煤机装备与国际领先水平相比存在的差距主要有：产品技术标准差距较大，产品设计理论落后，软启动等核心技术尚未完全掌握，产品使用寿命短、可靠性差，产品制造工艺、检测手段和加工设备较落后。需要继续突破的核心技术包括：

(1)矿井建设机械化凿井装备开展泥浆排渣竖井钻井、反井钻井、反井正钻钻井、无钻杆全断面钻井、下溜渣全断面钻井、上排渣全断面钻井装备的研制。

(2)巷道高效快速掘进支护技术装备突破煤巷快速掘进、支护、粉尘防治和超前探测等关键技术，开发煤巷快速掘进成套技术与装备。开发掘进支护同步作业技术与装备、基于新型破岩机理的岩巷掘进技术与装备、掘进超前探测技术等关键技术，形成井巷掘进生产智能化体系，实现岩石巷道的快速掘进。

(3)工作面装备智能化控制系统以云计算、物联网、3D虚拟现实技术为核心，重点攻克采煤机的煤岩界面识别技术、采煤机空间姿态定位技术、基于视觉感知的控制技术、设备故障自诊断及早期故障预警技术、机器人人工智能技术、高速图像识别技术、三维可视化控制技术、自动化系统可靠性技术，打造基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化、决策处理集成化的数字化矿井平台，建立矿井数字化生产系统，最终实现在矿井生产作业现场无人化，达到安全高效生产。

(4)薄煤层机械化开采装备研发0.6m薄煤层全自动化开采装备，包括单滚筒大功率矮机身采煤机、刨运机、刨煤机、螺旋钻采煤机，以及矮槽帮刮板输送机，超大伸缩比薄煤层自动控制液压支架等。攻克有效过煤空间与低矮机身协调设计技术、采煤机高效装煤技术、刮板输送机高耐磨中部槽新材料等关键技术及难题，适应薄煤层工作面自动化开采，实现支护、落煤、装煤和运输的自动化，工作面巷道和地面集中控制。

(5)大功率设备软启动技术与装备通过引进消化吸收再创新，对空间受限环境下的高压变频器主电路、隔爆封闭空间内的电力电子器件散热、高压防爆变频器小型化设计、深部矿井变频器冷却水等关键技术的研究。突破循环圆为650mm的特大功率阀控调速型液力偶合器(覆盖功率范围：1200～2000kW)的开发技术，突破大功率永磁耦合传动技术，研制开发700kW以上的大功率永磁耦合软起动装置。

(6)多功能低污染无轨辅助运输装备随着我国煤矿广泛采用防爆柴油机无轨胶轮车，在使用中逐步暴露出一些问题，需要开展薄煤层用无轨辅助运输车辆，防爆电喷柴油机发动机，发动机高效尾气处理，防爆电驱动车辆，防爆大容量、高能量密度电池及其管理，以及整车可靠性及故障诊断技术研究。

(7)大型露天煤矿成套装备加快单斗-自移式破碎机半连续开采工艺系统关键技术的研究，包括自移式破碎机、移动式转载机、半固定式转载机、大型排土机、大型可移置式带式输送机、管状带式输送机、大型露天运输车等其关键装备的核心技术研究。攻克各单元设备关键部件的设计与试制，研制达到国际先进水平的大型露天煤矿全电驱动半连续开采成套装备。

(8)煤炭智能化高效分选技术装备集成开发灰水热实时检测仪器仪表，研发机电一体化大型重介、跳汰、浮选等分选设备，构建自动化生产和信息化管理技术平台，实现生产工艺参数智能化控制；突破大型振动部件稳静结构设计、高离心因数转鼓制造工艺等关键技术，提高振动筛、离心机等大型装备可靠性，全面提升国产装备大型化、自动化、节能技术水平。

5结束语

通过强化技术装备研发，提高自主创新能力，我国煤机装备科技创新成果丰硕，采掘重大技术装备基本实现了国产化，为煤炭安全高效洁净开采提供了重要技术装备支撑。与此同时，煤机装备领域仍然要实施创新驱动发展战略，加快装备现代化建设进程，争取在设备能力、可靠性、智能化水平等方面取得重要突破，到2020年形成完整的煤矿装备制造体系，总体达到国际先进水平。

[参考文献]

[1]张勇.煤炭机械装备制造业发展态势与主要任务.煤炭经济研究，2013，33(4)：32-36.

[2]褚洁华.煤机装备和煤机企业的现状及发展.中国煤炭，2003，29(2)：5-8.

[3]王金华.我国煤矿现代化开采技术装备现状及其展望.中国能源，2010，32(11)：21-22.

[4]赵波.我国煤机装备制造产业现状及发展趋势探讨.煤矿现代化，2011(6)：4-6.

[5]王国法.煤炭综合机械化开采技术与装备发展.煤炭科学技术，2013，41(9)：44-48.

[责任编辑：邹正立]