煤矿综采工作面快速搬家成套装备及其可靠性分析

张福祥

（1.太原理工大学 矿业工程学院， 山西 太原 030024； 2.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

关健词： 煤矿综采工作面； 快速搬家； 可靠性； 无轨胶轮车

0 引言

目前国内现代化煤炭矿井超过70%采用综合机械化采煤[1]。 综采工作面搬家期间处于完全停产状态，搬家时间的时长是影响煤炭产量的一项重要因素。 因此快速搬家的研究一直是煤矿和煤机装备制造企业高度重视的一项工作。

现阶段国外和国内煤矿综采工作面搬家设备形式基本相当，主要分为单轨吊、卡轨车、齿轨车和无轨胶轮车四个大类。 传统的综采工作面搬家时间大约需要50天左右，而无轨胶轮车快速搬家时间大约7 天左右。 我国从20 世纪90 年代开始逐步引进重型搬家设备[2-3]，随着无轨胶轮车在煤矿的广泛应用，目前大型化煤矿矿井的综采工作面搬家普遍采用了无轨胶轮车的快速成套装备。

煤矿综采工作面快速搬家成套装备的可靠性直接决定了综采工作面搬家的安全性和效率， 已成为制约综采工作面安全和搬家速度的重要因素。 本文以无轨胶轮车快速搬家成套装备为研究对象， 通过分析成套装备的任务和组成， 从单机装备可靠性和使用可靠性2 个方面进行成套装备可靠性的研究。

1 综采工作面介绍及主要设备组成

综采工作面一般是指综合机械化回采工作面， 上世纪70 年代， 我国采煤方法及其工艺进入了第三个阶段， 开始推行综合机械化采煤，实现了落煤、装煤、运煤、支护和放顶的综合机械化[4]。

随着采煤装备和信息化技术的发展，综采工作面正在由机械化逐步向自动化、智能化方向的升级，以实现煤炭工业高质量发展的要求[5]。特别是近几年，智能化工作面的建设开始快速推进。 2020 年，国家发展改革委、国家能源局、应急部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部研究制定了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。 意见的发布，加快了煤矿智能化水平提升的步伐，智能化综采工作面首当其冲，各省市根据意见要求进一步明确了智能化工作面的建设规划。

综采工作面设备通常主要包括“三机”及其附属设备。其中，“三机”分别为采煤机、刮板输送机和自移式液压支架。随着煤矿采煤技术的不断提高，工作面“三机”正在不断向重型化发展。 智能化综采工作面又增加了工作面集中控制系统、工作面视频监控系统、支架和采煤机等设备姿态测系统等多项智能化设备。

2 无轨胶轮车快速搬家成套装备

综采工作面目前主要的设备包括： 采煤机、 液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、移变、智能化设备等[6]。

根据以上物料运输和安撤需求， 目前主流的无轨胶轮车快速搬家成套装备（以下简称“快速搬家成套装备”）包括：框架式支架搬运车、铲板式支架搬运车、蓄电池铲板车、轻型材料车等，其吨位、配置数量和主要工作任务详见表1。

表1 快速搬家成套装备配置

3 快速搬家成套装备可靠性

根据可靠性“三定”的规则，将快速搬家成套装备的可靠性定义为在规定的矿井搬家条件下和规定的搬家时间内完成规定的搬家任务的能力。 快速搬家成套装备可靠性可以反映在两方面：单机装备可靠性和使用可靠性。

单机设备固有可靠性， 是指快速搬家成套装备中每种设备在设计、制造中赋予的一种固有特性。 它是成套装备可靠性的基础。单机设备主要包括动力系统、机架组件、传动系统、电气控制系统、液压系统、启动系统、辅助驾驶系统等部分组成，每个系统的可靠性直接决定了单机设备的可靠性。

使用可靠性， 是指快速搬家成套装备在煤矿井下实际使用过程中表现出的搬运保持能力的特性， 它除了考虑单机设备的固有可靠性， 还要考虑在井下操作使用和维修保障等方面的因素。 煤矿井下地质条件复杂，路面、环境多变，司机和维修人员整体素质不一。诸多因素都要求快速搬家成套装备现场的使用、维护都需要强化。

基于上述分析， 将快速搬家成套装备可靠性的指标体系分为防爆柴油机系统可靠性、蓄电池系统可靠性、锂电池系统可靠性、机械传动系统可靠性、液力传动系统可靠性、液压系统可靠性、电气系统可靠性、智能化系统可靠性、系统使用可靠性9 个方面，具体指标见表2。

表2 快速搬家成套装备可靠性的指标体系

4 快速搬家成套装备可靠性提升研究方向

4.1 防爆柴油机系统可靠性

国Ⅱ以下防爆柴油机在国内发展已趋于成熟， 受限于煤矿使用环境及防爆要求， 当前最大的问题是尾气污染问题。 因此，2018 年国家煤矿安监局关于发布禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第四批）的通知中明确禁用排气标准在国Ⅱ以下的防爆柴油机， 使用国Ⅲ标准以上产品替代。对标地面非道路排放标准，煤矿防爆柴油机排气标准必将进一步提高， 升级为国Ⅳ甚至于更高的要求。 因此，防爆柴油机系统可靠性主要从以下方面突破：①柴油机周边防爆系统结构优化和工艺控制技术； ②电控燃油喷射系统MAP 图优化、ECU 和传感器等硬件可靠性提升； ③DOC、EGR、DPF、SCR 等尾气净化技术防爆改造可靠性技术研究。

4.2 蓄电池系统可靠性

铅酸蓄电池目前主要应用于煤矿重型搬运车辆，电池一般采用快换结构，使用相对稳定，单台配置3 块电池（1 用1 充1 冷却）[7]，需要专业团队进行电池维护，工作量较大。 因此，蓄电池系统可靠性主要从以下方面突破：①蓄电池本身可靠性提升研究；②电池免维护技术研究；③快速充电技术研究。

4.3 锂电池系统可靠性

锂离子蓄电池目前主要应用于煤矿运人和轻型运料车，应用推广的主要问题是安全问题和续航里程[8-9]。 因此，锂离子蓄电池系统可靠性主要从以下方面突破：①锂离子蓄电池本身可靠性提升研究；②锂离子蓄电池防爆轻量化技术研究；③锂离子蓄电池管理系统优化研究；④快速安全充电技术研究。

4.4 系统使用可靠性

国内综采工作面快速搬家无轨胶轮车，经过20 余年的国产应用，设备技术已趋于稳定，搬家工艺不断优化。因此，系统使用可靠性主要从以下方面突破：①综采工作面快速搬家工艺技术研究；②装备大型化研究；③售后配件储备和维修技术研究；④产品定期保养技术研究。

5 结论

（1）根据快速搬家成套装备特点，将可靠性的指标分为防爆柴油机系统可靠性、蓄电池系统可靠性、锂电池系统可靠性、机械传动系统可靠性、液力传动系统可靠性、液压系统可靠性、电气系统可靠性、智能化系统可靠性、系统使用可靠性9 个方面，确定了具体指标项。

（2）从防爆柴油机系统可靠性、蓄电池系统可靠性、锂电池系统可靠性、系统使用可靠性四个方面分析了提高快速搬家成套装备可靠性需要突破的技术和研究的方向。