薄煤層刨煤機成套裝備關鍵技術研究

宋秋爽

(中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 100011)

1 薄煤層開采現狀

煤炭作為我國的主要能源，占一次能源生產和消費總量的76%和69%，未來相當長的時期內，煤炭將仍是我國主要的能源來源[1]。僅國有煤礦薄煤層儲量約占全國煤炭儲量的20%，地方煤礦薄煤層儲量比重更大，全國保有工業儲量超過98.3億t，據統計，在近80個礦區中的400多個礦井中就有約750層為薄煤層，而開采條件相對較好、煤層厚度在0.8 ～1.3 m 的緩傾斜煤層占總儲量的 45%[2]。我國薄煤層儲量分布廣泛且局部集中、煤質較好。薄煤層儲量主要分布在安徽省(薄煤層儲量占全省煤炭儲量的72%)、四川省(薄煤層儲量占全省煤炭儲量的60%)、山東省(薄煤層儲量占全省煤炭儲量的54%)、黑龍江省(薄煤層儲量占全省煤炭儲量的51%)、貴州省(薄煤層儲量占全省煤炭儲量的46%)，山西省、內蒙古自治區、河北省、吉林省也有豐富的薄煤層資源;陽泉、平頂山、徐州、開灤、鐵法、七臺河等大礦業集團薄煤層儲量也占有較大比例。

薄煤層安全、經濟開采是一個世界性難題，由于煤層薄、開采作業空間小，工作條件惡劣，回采效率低，經濟效益差，開采安全性較差，百萬噸煤死亡率高，機械化程度不高。多數礦區厚薄煤層共存，特別是薄煤層作為解放層開采的礦井，由于薄煤層開采速度緩慢，造成下層煤層資源積壓，影響生產的協調發展，少數礦井采厚丟薄，不但浪費了資源，還造成礦井安全生產隱患。我國薄煤層開采技術相對落后，除特殊短缺煤種外，大部分薄煤層被暫時放棄，這將造成煤炭資源的嚴重浪費，使礦井的服務年限縮短，同時也是煤炭企業的損失，因此研究探索薄煤層開采技術，是煤炭行業面臨的急待解決的問題。從先進采煤國家和我國部分礦區薄煤層開采技術發展情況分析，絕大部分薄煤層在0.8～1.3 m之間，這些煤層有條件實現機械化開采，采用先進薄煤層機械化開采裝備和適當的生產工藝實現薄煤層的安全高效生產是完全可行的。實現薄煤層安全高效的開采，離不開高效的、智能化、高強度的全自動化綜采成套裝備。薄煤層成套裝備的技術實現，不僅能提高優質煤開采產量，而且對煤礦安全生產有著重要意義[1]。

目前，國內外廣泛應用于薄煤層的開采設備主要有刨煤機、滾筒采煤機、螺旋鉆采煤機，而隨著我國對薄煤層開采的重視，越來越多的煤機生產企業研發薄煤層裝備，我國薄煤層技術裝備逐漸從全面技術引進轉化為全面自主研發。天地科技股份有限公司上海分公司先后研發出MG100/238-WD、MGN132/316WD、MG2 ×100/456-WD、MG2 ×125/556-WD和MG2×160/710-WD系列滾筒式薄煤層電牽引采煤機;2009年西安重工裝備制造集團公司研發出最大功率MG2×200/925-AWD(3.3 kW)型薄煤層交流電牽引煤巖同采采煤機;雞西煤機公司研發的MG180/420—BWD筒式薄煤層電牽引采煤機是我國逐漸掌握采煤機關鍵技術的標志;2009年冀中能源峰峰集團有限公司研發“薄煤層綜采自動化技術研究應用”獲得中國煤炭工業協會科學技術一等獎;2010年兗州集團有限公司與遼寧工程技術大學合作研發“一米以下含堅硬夾矸薄煤層安全高效綜采成套設備與技術”獲得2010年中國煤炭工業協會科學技術一等獎。2011年6月中煤集團公司的重大項目《薄煤層滾筒采煤機無人自動化工作面成套設備與技術項目》在北京煤礦機械有限公司進行驗收，該系統實現遠程工況監測預警、遠程集中控制、記憶切割、人工干預調整、采煤機準確定位、工作面監控視頻自動跟機切換、支架跟機移架、成組推溜等各項自動化控制功能。如圖1所示。

圖1 滾筒采煤機自動化系統Fig.1 Automatic system of shearer

國外薄煤層開采主要以刨煤機成套機組為主，已經在德國(刨煤機采煤產量占總產量60%)、美國(刨煤機采煤產量占總產量35%)、法國(刨煤機采煤產量占總產量30%)廣泛應用。我國先后引進了10套刨煤機機組系統，已經從第1套的全部成套系統引進轉變為只引進刨煤機配國產液壓支架和刮板輸送機，現在發展到引進適合傾角25°復雜煤層的刨煤機關鍵裝備[2]。

我國先后研發拖鉤刨煤機、滑行刨煤機，刨速、截割功率、牽引鏈直徑逐漸增大，張家口煤礦機械有限責任公司研發出國內最大功率的刨煤機BH38/2×400，如圖2所示。2010年6月沈陽三一重裝有限公司與鐵法煤業集團聯合開發出同一型號的刨煤機成套設備，并在鐵法煤業集團曉明礦進行工業性試驗。

圖2 刨頭結構Fig.2 Structure of plough body

刨煤機作為一種“淺截深、多循環”的采煤設備，具有截深自動控制、自動推溜、自動移架降架、自動噴霧滅塵和遠程控制的功能，最適合于薄煤層安全、高效開采，對薄煤層、高瓦斯的礦井具有特有的優勢。其工作原理是用輸送機兩端的刨頭驅動裝置(電動機、液力偶合器和減速器組成)使固定在刨頭上的刨鏈運行，拖動刨頭在工作面往返移動，刨頭利用刨刀從煤壁落煤，同時利用梨面把刨落的煤裝入輸送機，推移液壓缸向煤壁推移輸送機和刨頭，如圖3所示。

圖3 刨煤機系統布置圖Fig.3 Layout of plough system

薄煤層刨煤機成套裝備關鍵技術研究是在實現無人開采工作面基礎上提出的，該項目的實施既能提升我國薄煤層的開采、運輸、支護單一設備的關鍵技術的水平，提高開采裝備的可靠性，保證高產高效;又能促進我國薄煤層成套裝備的發展，實現井下無人開采，提高我國薄煤層開采的安全性，保障人身安全;同時綜采工作面成套技術的發展也為我國提升了煤機產品的總體水平，從而提升我國煤機產品在國際市場上的競爭力[3]。

2 刨煤機開采成套裝備基礎條件及存在的技術問題

2.1 刨煤機關鍵技術研究的基礎條件

遼寧工程技術大學作為煤炭重點院校，一直致力于綜采裝備的技術研究，擁有大型工礦裝備重點實驗室和國內唯一的刨煤機綜合檢測試驗系統，先后發表多篇刨煤機相關論文，并獲有相關專利，從理論上研究了刨煤機適刨性、結構可靠性、系統動力學、壽命預測、遠程監測監控等技術，為刨煤機的工業性分析提供了理論依據;張家口煤礦機械有限公司擁有多年的刨煤機研發經驗，并針對某地質條件煤層研發出強力刨煤機，正在建設國內首個以1∶1直接模擬井下實際工況條件的綜合實驗室，它的建成將對我國薄煤層技術裝備的理論性研究和試驗驗證提供條件。中國煤礦機械裝備有限責任公司博士后工作站引進一名博士后，針對刨煤機非線性動力學機理及力學行為進行研究，為全自動化刨煤機無人工作面提供理論分析依據。

2.2 刨煤機存在的技術問題

刨煤機是集采煤和運輸于一體的開采裝備，刨頭在無級圓環鏈牽引下沿著刮板輸送機中部槽導軌運行，刨頭上刨刀將煤從煤壁上刨落，并由刮板輸送機將刨落的煤運出，完成整個開采過程。張家口煤礦機械有限公司作為我國最早開發刨煤機的企業，從1950年開始到現在一直致力于高性能刨煤機的研制，并逐漸形成系列產品，如MBJ-2A、BH26/2×75、BH30/2 × 132、BH30/2 ×160、BH34/2 × 200、BH38/2×400。就我國刨煤機來說，雖然刨煤機的裝機功率、刨頭刨削速度、高強度圓環鏈直徑有所提高，但與國外先進的刨煤機裝機功率2×800 kW、刨頭速度3 m/s、φ42 mm刨鏈相比還有差距，主要存在以下問題:a.刨煤機刨硬煤的能力不強，使得刨煤機的使用局限性加大，設備關鍵部件的可靠性不高;b.刨頭調向裝置的靈敏度不高，使刨煤機推進過程中出現“飄刀”或“啃底”現象，造成刨頭推進過程中控制困難;c.刨煤機的自動化程度不高，不能實現刨煤機驅動設備的正反向轉動和轉速的切換、刨頭位置檢測、刨深定量控制、自動噴霧降塵、多點應急控制、自動檢測與自適應診斷。

2.3 液壓支架存在的技術問題

液壓支架作為薄煤層成套裝備的重要組成，其自動化要求應根據所確定的刨深自動完成刨頭運行軌道向工作面推進方向的定量推進，自動完成液壓支架的降架、移架、拉架、升架及對工作面頂板進行支護。我國許多液壓支架生產廠家已經研制出不同型號的薄煤層液壓支架，ZY4000/06/16.5D作為典型液壓支架已經廣泛應用，取得了良好的效果，但主要存在以下問題:a.工作的適應性差，就要求有更大的伸縮比;b.液壓支架控制程度不高，沒有實現雙向鄰架控制和雙向成組控制、定向定量推移控制;c.液壓支架端頭的自動化支護未實現。

2.4 刨煤機成套系統存在的技術問題

刨煤機自動化控制系統是由監控系統和控制單元組成，運行時，由刨煤機刨頭感應開關不斷地采集信號，由監控系統控制器處理刨頭當前位置、速度、方向，并把刨頭當前位置信息傳遞給控制單元，控制單元結合自身傳感元件實現工作面支架、輸送機和刨煤機的自動控制。由于目前對控制系統研究相對比較少，同時我國基礎工業相對落后，控制系統元件不能夠達到設計要求，使得控制不精準[4]。

3 刨煤機開采成套裝備的關鍵技術分析

通過產學研發展模式對我國刨煤機的關鍵技術進行共同研究，由中國煤礦機械裝備有限責任公司及所屬企業、遼寧工程技術大學和德國EEP公司共同承擔刨煤機項目研究;利用國際平臺的合作，引進、吸收、消化國際上刨煤機的新技術，主要是刨煤機自動化系統、刨煤機控制系統。

3.1 刨煤機關鍵技術

為了實現刨煤機的成套自動化就必須突破“煤巖特性自動識別技術”、“煤巖的適刨性技術”、“高強度的強力刨頭設計制造技術”、“刨煤機的防啃、防飄和水平控制技術”、“高強度牽引刨鏈的設計制造技術”、“刨煤機的自動控制技術”、“故障自適應調節技術”。

刨煤機適用于煤不粘頂、煤的可刨性強、硫化鐵塊度小且含量少、煤質中硬以下和硬度大但水平節理發育的薄煤層，在刨削煤巖過程中，經常會遇到煤層內存在異構結構，煤巖的物理化學特性差異很大，傳統按煤層的抗壓強度f值(即普氏系數)來衡量煤層硬度的方法經實踐證明并不可靠，f值是一個綜合性指標，只是從總體上反映了煤巖的堅固程度，當涉及到不同類別的煤巖破碎方法，用它作為一種統一的衡量尺度，就具有很大的局限性，刨煤機的破煤方式充分利用了地壓和煤層的層節理特征，采用煤層的適應刨削特性參數來反映煤巖可刨性，有利于煤巖的刨削。煤層適刨性研究主要影響因素有煤層硬度、煤層結構、地質構造、煤層底板、煤層直接板、煤層老頂、煤層厚度、煤層節理裂紋、煤層傾角、涌水瓦斯發火期等。遼寧工程技術大學李貴軒、趙麗娟等人，采用堅固性系數f、截割阻抗A、脆韌性、可刨性Fs、可切割性能量指數U綜合分析煤層適刨性，為我國的刨煤機開采提供理論依據，如表1和圖4所示[5]。

表1 按A值對韌性煤分級Table 1 Tenacious level of coal by A value

圖4 韌脆性煤崩落角的差別Fig.4 Difference of tenacious and fragile coal breaking angle

高強度的強力刨頭、高強度牽引刨鏈的設計制造技術是刨煤機可靠運行、減少設備故障率的保證，針對刨頭和刨鏈的設計過程中，采用傳統方法對刨煤機部件進行有限元分析和可靠性優化研究，這些方法是假設設計變量和設計參數服從正態分布，但由于工程實際的復雜性和統計數據相對缺乏，使得設計參數的分布概率很多，各種設計參數服從多種形式的概率分布，有些完全不服從正態分布，單純使用正態分布的可靠性優化設計會帶來一定的誤差;另一方面刨頭等鑄件單一化且形狀復雜、精度要求較高，刨頭制造成本高。采用參數化軟件對結構設計進行虛擬樣機設計，參數化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結構約束和尺寸約束。結構約束是指幾何元素之間的拓撲約束關系，如平行、垂直、相切、對稱等;尺寸約束則是通過尺寸標注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量及它們之間在數值上和邏輯上的關系來表示。而APDL技術和VB、VC的應用將允許復雜的數據輸入，使對任何設計或分析屬性有權控制，擴充了更高級運算，提高設計靈敏度，如圖5所示[6]。

圖5 刨煤機牽引塊受力優化分析Fig.5 Force optimization analyzing for plough driving block

刨頭不能隨時大量抬高臥底量，遇底板起伏不平，會造成“飄刀”、“啃底”現象，增加刨頭煤巖識別能力，特別是刨煤機切割狀態的在線識別(或煤巖界面的自動探測)，將煤巖特性參數進行檢測并通過煤巖識別數據庫進行對比。按照采煤工作面頂底板的變化或按照人為設定的規律自動調整刨頭的工作高度，避免刨煤機切割頂底板或保持頂底板的平整性，并自動控制刨削刨深和刨速。

刨煤機的變頻技術可實現可控啟動和停車，實現低速運行，易于實現全程自動化和遠程控制，通過控制電動機輸出功率實現節能，雙機驅動功率平衡好。電動機通過變頻調速的方式能夠實現在刨煤機成套開采系統的整個工作過程中無級調速，從而顯著提高傳動系統的調速效率，使得傳動系統能夠實現無級調速;同時，在刨煤機成套開采系統啟動時，變頻電動機能夠實現電壓由零慢慢提升到額定電壓，動力裝置在啟動過程中的啟動電流就由過去過載沖擊電流不可控制變為可控制，并且可根據需要調節啟動電流的大小。變頻電動機啟動的全過程都不存在沖擊轉矩，而是平滑地啟動運行，從而顯著降低刨煤機成套開采系統在啟動時傳動系統承受的振動載荷，避免了刨頭牽引電動機因頻繁啟動、換向而發熱。

3.2 液壓支架關鍵技術

為了實現刨煤機的成套自動化就必須突破液壓支架的“定向定量推移技術”、“液壓支架端頭的自動化支護技術”、“液壓支架參數化設計制造技術”、“雙向鄰架、雙向成組控制技術”、“電液控制技術”。采用可視化參數設計方法和模糊優化方法研究液壓支架支撐強度，并提高其伸縮比，以降低液壓支架的支撐高度;采用APDL的液壓支架參數化設計方法設計液壓支架，提高液壓支架在異構地質條件的適應性;采用高強度復合材料，提高頂梁支撐強度，并保證頂梁壽命;液壓支架采用鋸齒型布置，根據刨頭位置和自身推移傳感器行程來決定移架，根據立柱壓力和推移行程傳感器自動控制支架的降移升動作并保證雙向鄰架、雙向成組控制;根據輸送機位置、輸送機的形狀和刨深參數自動控制調整推溜動作;液壓支架端頭的自動化支護技術，保證系統的支撐安全;實現液壓支架聯動平衡、側護，實現平衡差動、側護板抬底，如圖6所示。電液比例控制技術是保證液壓系統精準控制的關鍵，由于我國基礎元件質量和密封條件還達不到要求，大量電液比例控制閥還需要進口。

圖6 薄煤層刨煤機配套液壓支架Fig.6 Thin-seam support for plough

3.3 刨煤機系統關鍵技術

為了實現刨煤機的成套自動化就必須突破“三機聯動控制技術”、“成套設備的實時工況監測技術”、“成套設備遠程控制技術”、“系統自動噴霧技術”。刨煤機系統的控制和監測技術是保證成套裝備自動化運行的關鍵，包括刨煤機順槽內檢測、控制器進行集中控制和刨煤機多路負荷中心控制、實現刨煤機及刮板輸送機驅動部功率平衡、全自動化控制系統(錨固監測、刨煤機負荷監測、推移千斤頂行程、立柱壓力監測、運輸機負載監測、刨頭位置方向、水平控制、工作面形狀)、“三機”聯動控制技術、實現成套設備的實時工況監測技術、成套設備遠程控制技術、系統自動噴霧技術、刨頭位置監測校正及遠程可視化、刨煤機鏈輪張緊控制、刨煤機電機狀態監測、刨煤機過載保護監測與控制[6]。

4 薄煤層刨煤機成套裝備應用實例分析

陜西南梁礦業有限公司南梁煤礦20302(1)工作面位于203盤區，工作面北側為203盤區巷道，南側和西側為小回采區域(采空區)，根據工作面鉆孔資料顯示，煤層平均厚度1.40 m，傾角1°～3°，煤層頂板巖性為細粒長石砂巖和粉砂巖，厚度12.70 m，底板為泥巖，厚度1.35 m，遇水底鼓現象嚴重。工作面涌水量較小。工作面瓦斯含量很低。煤硬度f＞3，黏度大。以陜西某礦工作面地質條件為例，進行三機配套設計，三機配套圖如圖7所示。其主要參數如下所示。

滑行刨煤機:設計長度300 m、理論生產能力800 t/h、適應煤層厚度 0.9 ～1.7 m、適應煤層傾角≤25°、適應煤層硬度＜350 N/mm、刨煤部裝機功率2×400 kW、調速范圍0.64 ～2.3 m/s、刨削深度小于120 mm、自動化和遠程集中控制。

輸送機:輸送能力1 200 t/h、刮板鏈速1.32 m/s、刮板鏈規格34×126 mm扁環鏈、刮板間距1 008 mm、中部槽1 500 mm×724 mm×303 mm。

液壓支架:支架結構高度900～1 800 mm、支架額定初撐力5 057 kN、支架額定工作阻力7 000 kN、推移步距600 mm、支撐強度0.76～1.05 MPa電液控制。

自動控制系統:全部由德國EEP公司引進，實現成套設備的實時工況監測技術、成套設備遠程控制技術、系統自動噴霧技術、刨頭位置監測校正及遠程可視化、刨煤機鏈輪張緊控制、刨煤機電機狀態監測、刨煤機過載保護監測與控制，并將參數上傳至地面中協調度室。自動化刨煤機系統設備配置如圖8所示[7，8]。

5 結語

我國已經研制出高性能刨煤機、液壓支架、刮板輸送機，這為我國實現0.6～1.3 m薄煤層全自動化刨煤機成套提供可行性，通過產學研和國際平臺的合作，采用APDL參數化技術、虛擬樣機技術、煤巖識別技術、自動化調高調速技術、三機聯動技術、設備遠程監測監控技術、遠程故障診斷技術、自適應調節技術，將實現薄煤層年生產能力100萬 ～200萬t，使薄煤層國產裝備的生產能力、自動化水平、工作可靠性和使用壽命等技術指標達到或接近國際同類裝備的先進水平，為薄煤層刨煤機無人工作面的生產提供技術保障[9]。

圖7 刨煤機三機配套(單位:mm)Fig.7 Plough complete equipment(unit:mm)

圖8 自動化刨煤機系統設備配置Fig.8 Automatic plough system equipment disposition

[1]國家發展和改革委員會.煤炭工業發展“十一五”規劃[EB/OL].http://www.ndrc.gov.cn/nyjt/zhdt/t20070122_112661.htm，2007-01-22.

[2]王金華.煤炭科技發展現狀及前瞻[J].煤炭企業管理，2004(1):31-34.

[3]劉 棟.極薄煤層和薄煤層的采煤工藝[J].煤炭技術，2008，27(6):66-67.

[4]劉占勝，馬 英.國內外刨煤機發展現狀及前景展望[J].礦山機械，2006(10):1-3.

[5]劉大同.堅硬煤層截割阻力的測試和可刨性研究[J].煤礦開采，2006，11(5):4-6.

[6]張樹齊.變頻調速技術在刨煤機成套開采系統中的應用[J].工礦自動化，2011(5):100-103.

[7]王化東.自動化刨煤機地面診斷系統的開發及應用[J].煤炭技術，2009，28(11):12-16.

[8]唐煥勇.刨煤機的刨運速比選型[J].煤礦機電，2006(6):52-54.

[9]王國法.薄煤層安全高效開采成套裝備研發及應用[J].煤炭科學技術，2009，37(9):86-90.