我國采煤機技術現狀與研究方向

盛永林

(天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 200030)

0 引言

采煤機是綜采成套裝備的主要設備之一。我國采煤機技術從上世紀60年代初期起步，經歷了引進吸收、測繪仿造、自主研制3個階段[1]。經過半個多世紀的發展，我國采煤機技術有了長足進步，開發了系列化采煤機產品，適用范圍由0.7 m的極薄煤層到9.0 m的特厚煤層，同時煤層傾角能夠達到60°。部分機型的整體參數和使用性能已達到了國際先進甚至國際領先水平。隨著技術發展，采煤機智能化控制水平逐步提高，已初步實現采煤機自主運行、遠程控制的操作模式。盡管當前我國采煤機水平取得了長足發展，但與國外先進水平相比仍有一定的差距。

1 采煤機技術現狀

在智能化等新技術的推動下，高效可靠性電牽引采煤機的研制取得了重大突破[2]。JOY、Eickhoff、上海天地等國內外先進采煤機械制造商推出了新一代綜采設備。當前采煤機技術主要體現在：

1) 裝機功率越來越大，牽引速度越來越快。隨著建設高產高效、集約化生產礦井的需要，產品對地質條件的適應性及產品可靠性等方面的要求越來越高，要求整機功率越來越大，以適應高產及硬煤、矸石和強過斷層的開采需要。為滿足高效截割的需求，要求采煤機牽引力大和牽引速度高。目前國內機組單搖臂最大截割功率達到1 100 kW，單牽引功率達到200 kW，最大工作牽引速度達到17.5 m/min，調動牽引速度達到35 m/min。薄煤層采煤機在機面高度小于750 mm的情形下，截割功率已達到450 kW，總裝機功率1 050 kW；在機面高度小于900 mm的情形下，截割功率已達到500 kW，總裝機功率1 200 kW。適用于9.0 m特厚煤層開采的超大型采煤機也已成功應用，標志著我國采煤機技術在國際上達到了新的高度，推動整個煤炭工業技術的發展。

2) 大節距行走系統。隨著采煤機裝機功率、牽引力和牽引速度的增大，對其行走系統的可靠性提出了更高的要求。采用強度高、適應性強、可靠性好的銷軌式行走系統，是現代采煤機發展的必然選擇[3]。目前銷軌節距已從126 mm發展到147 mm、151 mm。最新推出節距為172 mm、176 mm的大節距強力銷軌，相應采煤機的牽引力從60 t級提高到100 t級、150 t級，采煤機行走系統的可靠性和使用壽命大大提高。天地科技股份有限公司上海分公司于2018年成功開發了凹凸齒形無鏈牽引行走系統。該技術通過對齒形、材料與工藝優化，以及表面強化和大深層滲碳技術，實現了行走系統使用壽命不低于6個月或過煤量>500萬t。

3) 高強度搖臂殼體。為滿足高沖擊性負載的搖臂工況需要，要求搖臂殼體具有較好的綜合機械性能，即在具有較高抗壓強度、屈服強度、硬度的同時，還具有較好的塑性、韌性。國內現有普通中碳鑄鋼搖臂殼體在煤礦上的實際使用情況表明，由于材料強度和硬度都比較低，對高強度采煤和惡劣的工況條件越來越顯得不相適應，在使用時間不久后搖臂殼體易發生變形、拉裂等質量問題，嚴重制約了設備可靠性和生產效率的提高。天地科技股份有限公司上海分公司通過對采煤機殼體材料、鑄造工藝、殼體后續熱處理方法和加工方法等的深入研究，于2015年開發出CrNi系新鑄鋼材料和生產、加工工藝。新研制的搖臂殼體硬度>200 HB，抗拉強度>750 MPa，屈服強度≥550 MPa，伸長率≥17%，收縮率≥35%，沖擊功Akv≥40 J，使采煤機搖臂殼體綜合機械強度大幅提高，基本達到國際先進水平。

4) 電控保護功能與自動化控制系統。當前采煤機電控系統具有較全面的保護和監測功能，如瓦斯超標斷電保護、與輸送機之間的電氣閉鎖、溫度監測和熱保護；功率監測和恒功率自動控制及過載保護漏電閉鎖。近年來，采煤機自動化控制技術逐步發展，現已實現了采煤機和工作面配套設備間的通信，基本實現綜采工作面的信息傳輸、交互和地面遠程控制，滿足了自動化開采需求。采煤機自動化控制系統能夠實現采煤機工作在記憶截割學習模式、自動重復操作模式、在線學習(修改)模式，以及采煤機與順槽集控中心數據的實時雙向通信。

5) 負載敏感技術成功在采煤機上應用。負載敏感比例閥的速度負載特性好，流量不受負載變化的影響，可實現采煤機調滾筒位置的連續控制和精準調節。

6) 虹膜識別技術。天地科技股份有限公司上海分公司于2019年，基于虹膜技術，開發出礦用本質安全型虹膜采集/識別一體裝置，成功將虹膜識別技術應用到采煤機開機安全控制上。該技術可以準確識別煤機操作人員級別，并有針對性地開放其權限，包括采煤機啟動及各級電機上電啟動權限、參數訪問權限、操作提示等，提高設備使用的安全性。

7) LASC系統成功應用。LASC系統采用高精度慣性陀螺儀導航技術，測量采煤機在井下三維空間的坐標位置。LASC技術可以建立精確的煤田3D軌跡模型，實現自動找直功能，保持長壁工作面的直線度。天地科技股份有限公司上海分公司于2015年引入澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)LASC綜采自動化技術，并于2016年成功在兗州煤業轉龍灣礦示范應用，首次在國產采煤機上實現了高精度的三維空間定位和運行軌跡檢測。在實際工況條件下達到了300 m長工作面，小于10 cm的定位測量精度，實現對工作面液壓支架和刮板運輸機自動對齊找直的技術支持。

2 國內外采煤機技術差距

目前，在高端采煤機領域，雖然國產裝備與國際先進煤機的總體技術參數接近，產品裝機功率、地質條件適應性等甚至超過國外，但在產品可靠性、智能控制水平方面仍存在一定差距。主要表現在：

1) 產品可靠性低。我國采煤機整機及關鍵零部件的可靠性偏低，如國內采煤機齒輪壽命一般達不到1萬h,而國外先進采煤機的齒輪壽命超過了2萬h。電氣控制系統存在穩定性差的問題，整機可使用率普遍低于90%，而國外一般在95%以上。

2) 生產制造工藝、手段相對落后。在生產制造中，雖然部分企業已配置進口磨齒機、熱處理爐等先進設備，但是采煤機殼體等基本還都是由普通加工設備來完成，加工精度難以保證。在裝配過程中，國內還相對粗放，沒有特別完善可靠的裝配工具和先進的裝配工藝[4]。

3) 智能控制技術仍有差距。國內不少院校、科研院所和企業都在研究基于地理信息系統(GIS)的采煤機定位定姿技術，也取得了一定的成績。如中國礦業大學研制的地理信息系統于2015年成功應用于山西某煤礦18201工作面，并取得了不錯的效果。但較澳大利亞、美國等國際先進技術，慣性陀螺儀的定位誤差還比較大。同樣是300 m工作面，國外先進技術的精度誤差可以控制在10 cm以內，而國內技術的精度誤差在50 cm以上。

智慧型環境感知技術方面，天地科技股份有限公司上海分公司于2019年在國內率先在采煤機搖臂截割干涉預警技術方面做了探索與嘗試。采用60 GHz工業級毫米波雷達傳感器[5]，避免采煤機在割煤過程中左右截割滾筒與工作面支架發生碰撞。但仍處于起步階段，較國外先進技術，在應用成熟度、識別準確率方面還有一定差距。

3 采煤機技術研究方向

加強采煤機核心技術的研究，縮小和國外先進水平的差距，是擺在國內煤研人面前的重要任務，也是我國采煤機趕超世界先進水平的前提條件。

1) 高適應性總體設計關鍵技術

我國煤炭資源分布廣泛，煤炭資源的賦存條件、煤質特性等差異顯著，不同煤層厚度煤炭資源的開采都有各自特定的復雜要求[6]。尤其是隨著易采煤層的減少，大傾角、急傾斜、薄煤層、斷層與解放層開采、特厚煤層一次采全高等復雜煤層開采所占比重日益增加，地質條件更趨多樣化和復雜化，對煤機裝備在安全性、適應性及效能發揮等提出嚴峻考驗。亟需在總體結構設計方面取得突破，開發高適應性難采煤層高效自動化采煤機，以滿足煤礦安全高效綠色智能開采要求。

2) 整機及關鍵元部件可靠性技術

開展長壽命截割機構研發、關鍵零部件新材料與工藝開發、先進制造技術應用、專用高可靠性電控系統等研究。

3) 智能控制關鍵技術

近年來，我國回采工作面綜采智能控制技術與裝備水平大幅提高，以“兩化”深度融合為著力點，建成了以神東錦界煤礦、黃陵一號煤礦等條件較好的工作面為代表的百余個智能化工作面，并取得了較好的示范效果[7]。但由于煤層賦存及開采地質條件的復雜性，在大多數普通條件的工作面，自動跟機移架、自動割三角煤、記憶割煤等功能應用效果不佳，煤巖識別、精確推溜等智能化技術仍停留在技術研發階段。圍繞全面感知、智能決策與安全可靠執行，發展煤巖界面自動識別與自動調高技術、裝備自主精確定位和工作面自動找直技術、機器視覺、觸覺技術、智能故障診斷技術、三機協調控制技術、工作面通訊控制技術等，是今后的技術研究方向。

4 結語

經過半個多世紀的發展，我國采煤機技術已有了長足發展并日益成熟，形成了適應不同地質條件的系列化采煤機產品。但是目前我國采煤機技術與國際先進水平相比,在可靠性、智能化控制等方面還存在一定的差距。采煤機可靠性技術、新材料和工藝、環境感知、多信息融合的智能化故障自診斷與控制技術等,是今后的研究重點。