未来煤炭机械装备的发展分析

2020-02-21马洪亮

设备管理与维修 2020年6期

马洪亮

（兖矿集团唐村实业有限公司，山东邹城 273522）

0 引言

现阶段我国煤炭机械装备制造已初步达成规模化、成套化、专业化的发展目标，2018 年煤矿机械设备更新改造投资额约为1048 亿元，预计将于2020 年突破1214 亿元。煤炭行业发展对于煤矿机械化水平的提升提出了迫切需求，因此需基于结构优化、自动化控制、综合机械化、智能化理念推进煤炭机械装备制造技术的改进与升级，进一步提高煤矿生产效率与安全水平。

1 当前煤矿开采应用到的机械装备类型

1.1 液压支架

液压支架是一种应用于井下长壁工作面的液压动力装置，利用液体压力为井下顶板提供支撑力，可实现自动移设。基于煤层倾斜角度可将液压支架分为以下2 种类型：①一般工作面支架，适用于倾斜角度介于8°～25°以内的缓倾斜煤层；②大倾角支架，适用于倾斜角度＞25°的急倾斜煤层。基于液压支架采高差异可将其划分为以下3 种类型：①薄煤层支架，适用于在地下开采时厚度≤1.3 m 的煤层，或露天开采情况下厚度≤3.5 m 的煤层；②中厚煤层支架，在地下开采情况下应将煤层厚度控制在1.3～3.5 m，在露天开采情况下需将煤层厚度控制在3.5～10 m；③大采高支架，适用于在地下开采条件下厚度＞3.5 m 的煤层，或露天开采条件下厚度＞10 m 的厚煤层[1]。

1.2 采煤机

采煤机主要应用于煤矿开采环节，现阶段我国主要利用电牵引采煤机执行煤矿开采工作，利用电机牵引行走机构操纵采煤机运转，提高采煤工作效率。当前我国研发的电牵引采煤机主要分为以下5 种类型：①超大功率、大采高系列电牵引采煤机，最大装机功率为3000 kW，最大采高约为7.5 m；②中厚煤层电牵引采煤机，适用于中厚煤层作业条件；③薄煤层电牵引采煤机，适用于厚度在0.65～1.2 m 左右的煤层；④大倾角煤层采煤机，适用于倾角在0°～55°的煤层；⑤短壁开采电牵引采煤机，可实现对边角块段煤层的机械化开采。

1.3 刮板输送机

刮板输送机借助刮板链提供牵引力，满足煤炭在槽内的输送需求。在运输煤炭过程中，刮板输送机可沿水平方向或呈倾斜状运输，其中在倾斜运输作业条件下，应确保煤层倾斜角度≤25°；在使用刮板输送机沿倾斜面由上至下运输时，需保障煤层倾斜角度≤20°；倘若需在倾斜角度＞25°的煤层使用刮板输送机作业时，需注重在使用前安装防滑装置，降低作业过程中的危险性。

1.4 带式输送机

带式输送机主要包含机架、输送带与滚动等装置，我国带式输送机多运用中压变频驱动控制技术设计，可实现低速平稳启动与带速连续可调，配合液压自控张紧装置实现对输送带张力、张紧行程平衡的自动调节，以此实现输送机的软启动与稳定运行。当前我国带式输送机的输送带宽最大值可达2000 mm，带速约为4.5 m/s，每小时运量4500 t，且增设卸载驱动点，单机长度可达6000 m，装机功率为3×1250 kW。

2 未来煤炭机械装备的发展导向探讨

2.1 煤炭机械装备结构优化

2.1.1 机械设计

鉴于煤矿开采作业的工况环境较为复杂，煤炭机械装备长期处于潮湿、浑浊的空气条件下极易产生零部件或装置锈蚀问题，影响到煤机装备的使用性能。为实现机械装备结构的优化设计，首先应从机械设计环节入手，增加产品测试与检验频次，针对测试过程中出现的随机变量进行全面记录与科学统计，便于甄选出最优改进方案，降低机械故障发生几率，提升机械装备生产的稳定性。

2.1.2 外观造型设计

由于煤炭机械装备的外观形态、按钮位置、外表颜色等因素均会影响到操作者的使用体验，因此需基于舒适度和美观性原则进行产品外观造型的优化设计，为技术人员营造舒适的工作氛围，便于提高技术操作的精确度与灵活性。

2.1.3 摩擦学设计

通常煤矿开采作业具有强度大、耗时长等特点，煤炭机械装备在长期运转过程中产生的摩擦力将加剧机械磨损与设备老化，引发安全事故、降低装备使用寿命。对此需基于摩擦学原理进行煤机装备的合理设计，优选抗摩擦性能强的元部件，并定期进行受损部件的更换，提高装备运转的安全保障[2]。

2.1.4 人体工程设计

虽然当前自动化、智能化已成为机械装备制造业发展的主流趋势，但在实际生产过程中仍不可避免涉及到人工操作与技术管理。因此应基于人体工程设计原理进行装备结构的优化设计，减少技术操作人员在操作过程中的体能消耗、降低生产失误发生几率，借助人机协调配合提高生产效率。

2.2 自动化控制技术

2.2.1 全自动化电液控制

在液压支架系统设计上，应注重完善电液控制系统的功能性设计，包括支架自动升降、输送机自动推移、远程控制、跟机自动化作业等，实现电液控制的全自动化。同时，结合不同作业需求进行液压支架的个性化设计，在现有薄煤层、中厚煤层、放顶煤的基础上进一步实现煤层厚度的精细化区分，搭配支架高度测量、姿态控制、护帮板围岩耦合控制技术，使支架移架速度缩短至10 s 以内。

2.2.2 智能采煤机自动控制

当前智能采煤机已陆续投入到煤矿开采作业中，为保障智能采煤机的性能优势得到有效发挥，还需围绕采煤记忆割煤、机身姿态检测、机身水平控制等层面加强自动化控制技术的研发与应用，保障在不同厚度煤层工作面上均可实现无人控制作业。

2.2.3 刮板输送机自动控制

在刮板输送机的自动化控制优化上，应加大对温度监测、集成控制等先进技术的引进力度，同时结合刮板输送机的运行特性实现功能优化，例如采用链条张力监测技术，实现机尾伸缩的自动控制，引入润滑油在线铁谱分析技术，增加轴承在线振动检测功能等，进一步提高刮板输送机的自动化控制水平。

在此基础上，注重将以太网、无线、通信等技术应用于综采工作面，实现采煤机记忆割煤、液压机跟随自动动作与人工远程干预的有机结合，实现综采运输设备自动化控制、智能感知与就地控制、视频监控的有机结合，更好地达成综采工作面的无人化目标。

2.3 综合机械化采煤技术优化

2.3.1 电牵引采煤机

当前我国电牵引采煤机可适用于0.8～7 m 的割煤高度与0°～60°的倾斜角度，总装机功率达到238～2500 kW，牵引速度超过20 m/min，每小时可落煤6000 t。从技术优化视角入手，应进一步加强对电牵引采煤机设计的改造与升级，例如针对普采工作面采煤机的结构、工作原理、生产能力、功率等指标进行优化设计，研发出性能存在明显优势的双滚动采煤机，进一步提高实际生产作业效率。

2.3.2 巷道快速掘进机

当前我国已形成了综合机械化采煤技术体系，利用多种机械装备的配合使巷道快速掘进机的功率、连续性、速度等指标得到显著提升，有效增强采煤生产过程的一体化水平，提高开采率与综合效益。未来还需面向不同掘进、工作面回采需求进行技术优化与装备更新，例如由我国自行研制的薄煤层电牵引采煤机的可截割单轴抗压强度便达到100 MPa，可适用于半煤半岩巷道进行作业，在不移位截割断面上达到35～42 m2的作业范围，截割功率、总功率分别可达350 kW 与597 kW[3]。

2.3.3 现代化机械采煤工艺

在机械装备制造技术优化的基础上，应进一步加强对机械采煤工艺的研发：①断臂综合机械化采煤工艺在当前不规则块段煤矿开采作业中，可有效适用于较短工作面的作业需求，利用后退式采煤工艺完成煤矿开采作业；②双滚筒采煤机在采煤过程中沿工作面中部斜切进刀、单向割煤，配合单滚筒自开切口往返割一刀煤，利用采煤机扩大截深，使割煤效率得到显著提升；③利用端卸、侧卸、直角拐弯等方式优化布置，可实现刮板输送机、装载机的一体化设计，搭配轻型采煤、支架、运输等设备，进一步提高安装、运输等作业过程中的便捷程度，有效提高采煤作业效率。

2.4 智能煤矿机器人技术

2.4.1 掘进类机器人

掘进类机器人包含掘进机器人、钻锚机器人、喷浆机器人等几种类型，未来应集成不同类型的掘进类机器人建立掘进工作面智能机组，实现截割、支护、锚固、装运、行走等系统的一体化设计，通过操纵掘进工作面机器人群提供掘锚平行作业、多臂钻锚支护、连续破碎运输、位姿自动检测、轨迹优化、自主纠偏等功能，以此突破以往支护作业过程中的时长局限，提高掘进、支护工作效率，进一步实现掘进、支护、锚固作业的无人化目标。

2.4.2 采煤类机器人

采煤类机器人主要包含智能采煤机、支护机器人等类型，对此应建立采煤工作面机器人群，实现截割、支护、导运、转运等机组的一体化设计，既要保障液压支架、刮板输送机、采煤机等机械装备的单机智能运行，同时还应利用采煤工作面机器人群实现对各单机的智能协同控制，通过地面远程监控获取机器人群的工作状态。

2.4.3 运输类机器人

运输类机器人主要包含矿井提升机、主运带式输送机、刮板输送机、无人驾驶矿用运输车等机械装备，对此应注重建立“三机”协同控制器，完善传感信息集成、工作参数匹配、协调控制决策、环境参数集成等模块的功能设计，依靠无人驾驶矿车自主完成倒车入位、轨迹运行、自动倾卸、自主避障等任务要求，基于5G 网络实现对车辆的远程控制与定位，更好地提高煤矿运输过程的智能化水平。

2.4.4 救援类机器人

救援类机器人的主要用途涵盖井下抢险作业、矿井救援两种类型，其中井下抢险作业机器人可适用于巷道塌方类事故发生的狭小作业空间，自动完成行走、定位、环境识别、挖掘、运输等操作任务，代替以往人工清淤、清堵作业，有效保障抢险作业安全、提高抢险效率；矿井救援机器人则适用于井下发生火灾、水灾、瓦斯泄漏等紧急事故，分为消防救援、地震救援、矿山救援与核事故救援等几种类型，可实现自主行走、定位、探测生命迹象、运输紧急物资等，在井下发生意外灾害的情况下可实现高效、安全搜救，提高搜救实效性[4]。