我国采煤机技术现状与研究方向

2020-02-27盛永林

煤矿机电 2020年4期

盛永林

(天地科技股份有限公司上海分公司, 上海 200030)

0 引言

采煤机是综采成套装备的主要设备之一。我国采煤机技术从上世纪60年代初期起步，经历了引进吸收、测绘仿造、自主研制3个阶段[1]。经过半个多世纪的发展，我国采煤机技术有了长足进步，开发了系列化采煤机产品，适用范围由0.7 m的极薄煤层到9.0 m的特厚煤层，同时煤层倾角能够达到60°。部分机型的整体参数和使用性能已达到了国际先进甚至国际领先水平。随着技术发展，采煤机智能化控制水平逐步提高，已初步实现采煤机自主运行、远程控制的操作模式。尽管当前我国采煤机水平取得了长足发展，但与国外先进水平相比仍有一定的差距。

1 采煤机技术现状

在智能化等新技术的推动下，高效可靠性电牵引采煤机的研制取得了重大突破[2]。JOY、Eickhoff、上海天地等国内外先进采煤机械制造商推出了新一代综采设备。当前采煤机技术主要体现在：

1) 装机功率越来越大，牵引速度越来越快。随着建设高产高效、集约化生产矿井的需要，产品对地质条件的适应性及产品可靠性等方面的要求越来越高，要求整机功率越来越大，以适应高产及硬煤、矸石和强过断层的开采需要。为满足高效截割的需求，要求采煤机牵引力大和牵引速度高。目前国内机组单摇臂最大截割功率达到1 100 kW，单牵引功率达到200 kW，最大工作牵引速度达到17.5 m/min，调动牵引速度达到35 m/min。薄煤层采煤机在机面高度小于750 mm的情形下，截割功率已达到450 kW，总装机功率1 050 kW；在机面高度小于900 mm的情形下，截割功率已达到500 kW，总装机功率1 200 kW。适用于9.0 m特厚煤层开采的超大型采煤机也已成功应用，标志着我国采煤机技术在国际上达到了新的高度，推动整个煤炭工业技术的发展。

2) 大节距行走系统。随着采煤机装机功率、牵引力和牵引速度的增大，对其行走系统的可靠性提出了更高的要求。采用强度高、适应性强、可靠性好的销轨式行走系统，是现代采煤机发展的必然选择[3]。目前销轨节距已从126 mm发展到147 mm、151 mm。最新推出节距为172 mm、176 mm的大节距强力销轨，相应采煤机的牵引力从60 t级提高到100 t级、150 t级，采煤机行走系统的可靠性和使用寿命大大提高。天地科技股份有限公司上海分公司于2018年成功开发了凹凸齿形无链牵引行走系统。该技术通过对齿形、材料与工艺优化，以及表面强化和大深层渗碳技术，实现了行走系统使用寿命不低于6个月或过煤量>500万t。

3) 高强度摇臂壳体。为满足高冲击性负载的摇臂工况需要，要求摇臂壳体具有较好的综合机械性能，即在具有较高抗压强度、屈服强度、硬度的同时，还具有较好的塑性、韧性。国内现有普通中碳铸钢摇臂壳体在煤矿上的实际使用情况表明，由于材料强度和硬度都比较低，对高强度采煤和恶劣的工况条件越来越显得不相适应，在使用时间不久后摇臂壳体易发生变形、拉裂等质量问题，严重制约了设备可靠性和生产效率的提高。天地科技股份有限公司上海分公司通过对采煤机壳体材料、铸造工艺、壳体后续热处理方法和加工方法等的深入研究，于2015年开发出CrNi系新铸钢材料和生产、加工工艺。新研制的摇臂壳体硬度>200 HB，抗拉强度>750 MPa，屈服强度≥550 MPa，伸长率≥17%，收缩率≥35%，冲击功Akv≥40 J，使采煤机摇臂壳体综合机械强度大幅提高，基本达到国际先进水平。

4) 电控保护功能与自动化控制系统。当前采煤机电控系统具有较全面的保护和监测功能，如瓦斯超标断电保护、与输送机之间的电气闭锁、温度监测和热保护；功率监测和恒功率自动控制及过载保护漏电闭锁。近年来，采煤机自动化控制技术逐步发展，现已实现了采煤机和工作面配套设备间的通信，基本实现综采工作面的信息传输、交互和地面远程控制，满足了自动化开采需求。采煤机自动化控制系统能够实现采煤机工作在记忆截割学习模式、自动重复操作模式、在线学习(修改)模式，以及采煤机与顺槽集控中心数据的实时双向通信。

5) 负载敏感技术成功在采煤机上应用。负载敏感比例阀的速度负载特性好，流量不受负载变化的影响，可实现采煤机调滚筒位置的连续控制和精准调节。

6) 虹膜识别技术。天地科技股份有限公司上海分公司于2019年，基于虹膜技术，开发出矿用本质安全型虹膜采集/识别一体装置，成功将虹膜识别技术应用到采煤机开机安全控制上。该技术可以准确识别煤机操作人员级别，并有针对性地开放其权限，包括采煤机启动及各级电机上电启动权限、参数访问权限、操作提示等，提高设备使用的安全性。

7) LASC系统成功应用。LASC系统采用高精度惯性陀螺仪导航技术，测量采煤机在井下三维空间的坐标位置。LASC技术可以建立精确的煤田3D轨迹模型，实现自动找直功能，保持长壁工作面的直线度。天地科技股份有限公司上海分公司于2015年引入澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)LASC综采自动化技术，并于2016年成功在兖州煤业转龙湾矿示范应用，首次在国产采煤机上实现了高精度的三维空间定位和运行轨迹检测。在实际工况条件下达到了300 m长工作面，小于10 cm的定位测量精度，实现对工作面液压支架和刮板运输机自动对齐找直的技术支持。

2 国内外采煤机技术差距

目前，在高端采煤机领域，虽然国产装备与国际先进煤机的总体技术参数接近，产品装机功率、地质条件适应性等甚至超过国外，但在产品可靠性、智能控制水平方面仍存在一定差距。主要表现在：

1) 产品可靠性低。我国采煤机整机及关键零部件的可靠性偏低，如国内采煤机齿轮寿命一般达不到1万h,而国外先进采煤机的齿轮寿命超过了2万h。电气控制系统存在稳定性差的问题，整机可使用率普遍低于90%，而国外一般在95%以上。

2) 生产制造工艺、手段相对落后。在生产制造中，虽然部分企业已配置进口磨齿机、热处理炉等先进设备，但是采煤机壳体等基本还都是由普通加工设备来完成，加工精度难以保证。在装配过程中，国内还相对粗放，没有特别完善可靠的装配工具和先进的装配工艺[4]。

3) 智能控制技术仍有差距。国内不少院校、科研院所和企业都在研究基于地理信息系统(GIS)的采煤机定位定姿技术，也取得了一定的成绩。如中国矿业大学研制的地理信息系统于2015年成功应用于山西某煤矿18201工作面，并取得了不错的效果。但较澳大利亚、美国等国际先进技术，惯性陀螺仪的定位误差还比较大。同样是300 m工作面，国外先进技术的精度误差可以控制在10 cm以内，而国内技术的精度误差在50 cm以上。

智慧型环境感知技术方面，天地科技股份有限公司上海分公司于2019年在国内率先在采煤机摇臂截割干涉预警技术方面做了探索与尝试。采用60 GHz工业级毫米波雷达传感器[5]，避免采煤机在割煤过程中左右截割滚筒与工作面支架发生碰撞。但仍处于起步阶段，较国外先进技术，在应用成熟度、识别准确率方面还有一定差距。

3 采煤机技术研究方向

加强采煤机核心技术的研究，缩小和国外先进水平的差距，是摆在国内煤研人面前的重要任务，也是我国采煤机赶超世界先进水平的前提条件。

1) 高适应性总体设计关键技术

我国煤炭资源分布广泛，煤炭资源的赋存条件、煤质特性等差异显著，不同煤层厚度煤炭资源的开采都有各自特定的复杂要求[6]。尤其是随着易采煤层的减少，大倾角、急倾斜、薄煤层、断层与解放层开采、特厚煤层一次采全高等复杂煤层开采所占比重日益增加，地质条件更趋多样化和复杂化，对煤机装备在安全性、适应性及效能发挥等提出严峻考验。亟需在总体结构设计方面取得突破，开发高适应性难采煤层高效自动化采煤机，以满足煤矿安全高效绿色智能开采要求。

2) 整机及关键元部件可靠性技术

开展长寿命截割机构研发、关键零部件新材料与工艺开发、先进制造技术应用、专用高可靠性电控系统等研究。

3) 智能控制关键技术

近年来，我国回采工作面综采智能控制技术与装备水平大幅提高，以“两化”深度融合为着力点，建成了以神东锦界煤矿、黄陵一号煤矿等条件较好的工作面为代表的百余个智能化工作面，并取得了较好的示范效果[7]。但由于煤层赋存及开采地质条件的复杂性，在大多数普通条件的工作面，自动跟机移架、自动割三角煤、记忆割煤等功能应用效果不佳，煤岩识别、精确推溜等智能化技术仍停留在技术研发阶段。围绕全面感知、智能决策与安全可靠执行，发展煤岩界面自动识别与自动调高技术、装备自主精确定位和工作面自动找直技术、机器视觉、触觉技术、智能故障诊断技术、三机协调控制技术、工作面通讯控制技术等，是今后的技术研究方向。