未來煤炭機械裝備的發展分析

馬洪亮

（兗礦集團唐村實業有限公司，山東鄒城 273522）

0 引言

現階段我國煤炭機械裝備制造已初步達成規模化、成套化、專業化的發展目標，2018 年煤礦機械設備更新改造投資額約為1048 億元，預計將于2020 年突破1214 億元。煤炭行業發展對于煤礦機械化水平的提升提出了迫切需求，因此需基于結構優化、自動化控制、綜合機械化、智能化理念推進煤炭機械裝備制造技術的改進與升級，進一步提高煤礦生產效率與安全水平。

1 當前煤礦開采應用到的機械裝備類型

1.1 液壓支架

液壓支架是一種應用于井下長壁工作面的液壓動力裝置，利用液體壓力為井下頂板提供支撐力，可實現自動移設。基于煤層傾斜角度可將液壓支架分為以下2 種類型：①一般工作面支架，適用于傾斜角度介于8°～25°以內的緩傾斜煤層；②大傾角支架，適用于傾斜角度＞25°的急傾斜煤層。基于液壓支架采高差異可將其劃分為以下3 種類型：①薄煤層支架，適用于在地下開采時厚度≤1.3 m 的煤層，或露天開采情況下厚度≤3.5 m 的煤層；②中厚煤層支架，在地下開采情況下應將煤層厚度控制在1.3～3.5 m，在露天開采情況下需將煤層厚度控制在3.5～10 m；③大采高支架，適用于在地下開采條件下厚度＞3.5 m 的煤層，或露天開采條件下厚度＞10 m 的厚煤層[1]。

1.2 采煤機

采煤機主要應用于煤礦開采環節，現階段我國主要利用電牽引采煤機執行煤礦開采工作，利用電機牽引行走機構操縱采煤機運轉，提高采煤工作效率。當前我國研發的電牽引采煤機主要分為以下5 種類型：①超大功率、大采高系列電牽引采煤機，最大裝機功率為3000 kW，最大采高約為7.5 m；②中厚煤層電牽引采煤機，適用于中厚煤層作業條件；③薄煤層電牽引采煤機，適用于厚度在0.65～1.2 m 左右的煤層；④大傾角煤層采煤機，適用于傾角在0°～55°的煤層；⑤短壁開采電牽引采煤機，可實現對邊角塊段煤層的機械化開采。

1.3 刮板輸送機

刮板輸送機借助刮板鏈提供牽引力，滿足煤炭在槽內的輸送需求。在運輸煤炭過程中，刮板輸送機可沿水平方向或呈傾斜狀運輸，其中在傾斜運輸作業條件下，應確保煤層傾斜角度≤25°；在使用刮板輸送機沿傾斜面由上至下運輸時，需保障煤層傾斜角度≤20°；倘若需在傾斜角度＞25°的煤層使用刮板輸送機作業時，需注重在使用前安裝防滑裝置，降低作業過程中的危險性。

1.4 帶式輸送機

帶式輸送機主要包含機架、輸送帶與滾動等裝置，我國帶式輸送機多運用中壓變頻驅動控制技術設計，可實現低速平穩啟動與帶速連續可調，配合液壓自控張緊裝置實現對輸送帶張力、張緊行程平衡的自動調節，以此實現輸送機的軟啟動與穩定運行。當前我國帶式輸送機的輸送帶寬最大值可達2000 mm，帶速約為4.5 m/s，每小時運量4500 t，且增設卸載驅動點，單機長度可達6000 m，裝機功率為3×1250 kW。

2 未來煤炭機械裝備的發展導向探討

2.1 煤炭機械裝備結構優化

2.1.1 機械設計

鑒于煤礦開采作業的工況環境較為復雜，煤炭機械裝備長期處于潮濕、渾濁的空氣條件下極易產生零部件或裝置銹蝕問題，影響到煤機裝備的使用性能。為實現機械裝備結構的優化設計，首先應從機械設計環節入手，增加產品測試與檢驗頻次，針對測試過程中出現的隨機變量進行全面記錄與科學統計，便于甄選出最優改進方案，降低機械故障發生幾率，提升機械裝備生產的穩定性。

2.1.2 外觀造型設計

由于煤炭機械裝備的外觀形態、按鈕位置、外表顏色等因素均會影響到操作者的使用體驗，因此需基于舒適度和美觀性原則進行產品外觀造型的優化設計，為技術人員營造舒適的工作氛圍，便于提高技術操作的精確度與靈活性。

2.1.3 摩擦學設計

通常煤礦開采作業具有強度大、耗時長等特點，煤炭機械裝備在長期運轉過程中產生的摩擦力將加劇機械磨損與設備老化，引發安全事故、降低裝備使用壽命。對此需基于摩擦學原理進行煤機裝備的合理設計，優選抗摩擦性能強的元部件，并定期進行受損部件的更換，提高裝備運轉的安全保障[2]。

2.1.4 人體工程設計

雖然當前自動化、智能化已成為機械裝備制造業發展的主流趨勢，但在實際生產過程中仍不可避免涉及到人工操作與技術管理。因此應基于人體工程設計原理進行裝備結構的優化設計，減少技術操作人員在操作過程中的體能消耗、降低生產失誤發生幾率，借助人機協調配合提高生產效率。

2.2 自動化控制技術

2.2.1 全自動化電液控制

在液壓支架系統設計上，應注重完善電液控制系統的功能性設計，包括支架自動升降、輸送機自動推移、遠程控制、跟機自動化作業等，實現電液控制的全自動化。同時，結合不同作業需求進行液壓支架的個性化設計，在現有薄煤層、中厚煤層、放頂煤的基礎上進一步實現煤層厚度的精細化區分，搭配支架高度測量、姿態控制、護幫板圍巖耦合控制技術，使支架移架速度縮短至10 s 以內。

2.2.2 智能采煤機自動控制

當前智能采煤機已陸續投入到煤礦開采作業中，為保障智能采煤機的性能優勢得到有效發揮，還需圍繞采煤記憶割煤、機身姿態檢測、機身水平控制等層面加強自動化控制技術的研發與應用，保障在不同厚度煤層工作面上均可實現無人控制作業。

2.2.3 刮板輸送機自動控制

在刮板輸送機的自動化控制優化上，應加大對溫度監測、集成控制等先進技術的引進力度，同時結合刮板輸送機的運行特性實現功能優化，例如采用鏈條張力監測技術，實現機尾伸縮的自動控制，引入潤滑油在線鐵譜分析技術，增加軸承在線振動檢測功能等，進一步提高刮板輸送機的自動化控制水平。

在此基礎上，注重將以太網、無線、通信等技術應用于綜采工作面，實現采煤機記憶割煤、液壓機跟隨自動動作與人工遠程干預的有機結合，實現綜采運輸設備自動化控制、智能感知與就地控制、視頻監控的有機結合，更好地達成綜采工作面的無人化目標。

2.3 綜合機械化采煤技術優化

2.3.1 電牽引采煤機

當前我國電牽引采煤機可適用于0.8～7 m 的割煤高度與0°～60°的傾斜角度，總裝機功率達到238～2500 kW，牽引速度超過20 m/min，每小時可落煤6000 t。從技術優化視角入手，應進一步加強對電牽引采煤機設計的改造與升級，例如針對普采工作面采煤機的結構、工作原理、生產能力、功率等指標進行優化設計，研發出性能存在明顯優勢的雙滾動采煤機，進一步提高實際生產作業效率。

2.3.2 巷道快速掘進機

當前我國已形成了綜合機械化采煤技術體系，利用多種機械裝備的配合使巷道快速掘進機的功率、連續性、速度等指標得到顯著提升，有效增強采煤生產過程的一體化水平，提高開采率與綜合效益。未來還需面向不同掘進、工作面回采需求進行技術優化與裝備更新，例如由我國自行研制的薄煤層電牽引采煤機的可截割單軸抗壓強度便達到100 MPa，可適用于半煤半巖巷道進行作業，在不移位截割斷面上達到35～42 m2的作業范圍，截割功率、總功率分別可達350 kW 與597 kW[3]。

2.3.3 現代化機械采煤工藝

在機械裝備制造技術優化的基礎上，應進一步加強對機械采煤工藝的研發：①斷臂綜合機械化采煤工藝在當前不規則塊段煤礦開采作業中，可有效適用于較短工作面的作業需求，利用后退式采煤工藝完成煤礦開采作業；②雙滾筒采煤機在采煤過程中沿工作面中部斜切進刀、單向割煤，配合單滾筒自開切口往返割一刀煤，利用采煤機擴大截深，使割煤效率得到顯著提升；③利用端卸、側卸、直角拐彎等方式優化布置，可實現刮板輸送機、裝載機的一體化設計，搭配輕型采煤、支架、運輸等設備，進一步提高安裝、運輸等作業過程中的便捷程度，有效提高采煤作業效率。

2.4 智能煤礦機器人技術

2.4.1 掘進類機器人

掘進類機器人包含掘進機器人、鉆錨機器人、噴漿機器人等幾種類型，未來應集成不同類型的掘進類機器人建立掘進工作面智能機組，實現截割、支護、錨固、裝運、行走等系統的一體化設計，通過操縱掘進工作面機器人群提供掘錨平行作業、多臂鉆錨支護、連續破碎運輸、位姿自動檢測、軌跡優化、自主糾偏等功能，以此突破以往支護作業過程中的時長局限，提高掘進、支護工作效率，進一步實現掘進、支護、錨固作業的無人化目標。

2.4.2 采煤類機器人

采煤類機器人主要包含智能采煤機、支護機器人等類型，對此應建立采煤工作面機器人群，實現截割、支護、導運、轉運等機組的一體化設計，既要保障液壓支架、刮板輸送機、采煤機等機械裝備的單機智能運行，同時還應利用采煤工作面機器人群實現對各單機的智能協同控制，通過地面遠程監控獲取機器人群的工作狀態。

2.4.3 運輸類機器人

運輸類機器人主要包含礦井提升機、主運帶式輸送機、刮板輸送機、無人駕駛礦用運輸車等機械裝備，對此應注重建立“三機”協同控制器，完善傳感信息集成、工作參數匹配、協調控制決策、環境參數集成等模塊的功能設計，依靠無人駕駛礦車自主完成倒車入位、軌跡運行、自動傾卸、自主避障等任務要求，基于5G 網絡實現對車輛的遠程控制與定位，更好地提高煤礦運輸過程的智能化水平。

2.4.4 救援類機器人

救援類機器人的主要用途涵蓋井下搶險作業、礦井救援兩種類型，其中井下搶險作業機器人可適用于巷道塌方類事故發生的狹小作業空間，自動完成行走、定位、環境識別、挖掘、運輸等操作任務，代替以往人工清淤、清堵作業，有效保障搶險作業安全、提高搶險效率；礦井救援機器人則適用于井下發生火災、水災、瓦斯泄漏等緊急事故，分為消防救援、地震救援、礦山救援與核事故救援等幾種類型，可實現自主行走、定位、探測生命跡象、運輸緊急物資等，在井下發生意外災害的情況下可實現高效、安全搜救，提高搜救實效性[4]。

3 結論

據WIND 資訊統計，煤礦機械化水平的提高對煤炭機械裝備的需求在煤礦機械總需求中占比約為11%。當前“中國制造2025”目標的提出為我國煤炭機械裝備制造業發展指引了明確導向，對此應積極引入技術手段實現煤機裝備的改造升級，實現煤機生產過程的自動化、遠程可視化與智能化，達成優質、高效、安全的生產目標。