未來煤炭機(jī)械裝備的發(fā)展分析

馬洪亮

（兗礦集團(tuán)唐村實(shí)業(yè)有限公司，山東鄒城 273522）

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)煤炭機(jī)械裝備制造已初步達(dá)成規(guī)?；?、成套化、專業(yè)化的發(fā)展目標(biāo)，2018 年煤礦機(jī)械設(shè)備更新改造投資額約為1048 億元，預(yù)計(jì)將于2020 年突破1214 億元。煤炭行業(yè)發(fā)展對(duì)于煤礦機(jī)械化水平的提升提出了迫切需求，因此需基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化、自動(dòng)化控制、綜合機(jī)械化、智能化理念推進(jìn)煤炭機(jī)械裝備制造技術(shù)的改進(jìn)與升級(jí)，進(jìn)一步提高煤礦生產(chǎn)效率與安全水平。

1 當(dāng)前煤礦開采應(yīng)用到的機(jī)械裝備類型

1.1 液壓支架

液壓支架是一種應(yīng)用于井下長(zhǎng)壁工作面的液壓動(dòng)力裝置，利用液體壓力為井下頂板提供支撐力，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移設(shè)?；诿簩觾A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(nèi)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(shí)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(yīng)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(jī)

采煤機(jī)主要應(yīng)用于煤礦開采環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段我國(guó)主要利用電牽引采煤機(jī)執(zhí)行煤礦開采工作，利用電機(jī)牽引行走機(jī)構(gòu)操縱采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高采煤工作效率。當(dāng)前我國(guó)研發(fā)的電牽引采煤機(jī)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(jī)，最大裝機(jī)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(jī)，適用于中厚煤層作業(yè)條件；③薄煤層電牽引采煤機(jī)，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(jī)，適用于傾角在0°～55°的煤層；⑤短壁開采電牽引采煤機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)邊角塊段煤層的機(jī)械化開采。

1.3 刮板輸送機(jī)

刮板輸送機(jī)借助刮板鏈提供牽引力，滿足煤炭在槽內(nèi)的輸送需求。在運(yùn)輸煤炭過程中，刮板輸送機(jī)可沿水平方向或呈傾斜狀運(yùn)輸，其中在傾斜運(yùn)輸作業(yè)條件下，應(yīng)確保煤層傾斜角度≤25°；在使用刮板輸送機(jī)沿傾斜面由上至下運(yùn)輸時(shí)，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(jī)作業(yè)時(shí)，需注重在使用前安裝防滑裝置，降低作業(yè)過程中的危險(xiǎn)性。

1.4 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)主要包含機(jī)架、輸送帶與滾動(dòng)等裝置，我國(guó)帶式輸送機(jī)多運(yùn)用中壓變頻驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)低速平穩(wěn)啟動(dòng)與帶速連續(xù)可調(diào)，配合液壓自控張緊裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶張力、張緊行程平衡的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的軟啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前我國(guó)帶式輸送機(jī)的輸送帶寬最大值可達(dá)2000 mm，帶速約為4.5 m/s，每小時(shí)運(yùn)量4500 t，且增設(shè)卸載驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，單機(jī)長(zhǎng)度可達(dá)6000 m，裝機(jī)功率為3×1250 kW。

2 未來煤炭機(jī)械裝備的發(fā)展導(dǎo)向探討

2.1 煤炭機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

鑒于煤礦開采作業(yè)的工況環(huán)境較為復(fù)雜，煤炭機(jī)械裝備長(zhǎng)期處于潮濕、渾濁的空氣條件下極易產(chǎn)生零部件或裝置銹蝕問題，影響到煤機(jī)裝備的使用性能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先應(yīng)從機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)入手，增加產(chǎn)品測(cè)試與檢驗(yàn)頻次，針對(duì)測(cè)試過程中出現(xiàn)的隨機(jī)變量進(jìn)行全面記錄與科學(xué)統(tǒng)計(jì)，便于甄選出最優(yōu)改進(jìn)方案，降低機(jī)械故障發(fā)生幾率，提升機(jī)械裝備生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

2.1.2 外觀造型設(shè)計(jì)

由于煤炭機(jī)械裝備的外觀形態(tài)、按鈕位置、外表顏色等因素均會(huì)影響到操作者的使用體驗(yàn)，因此需基于舒適度和美觀性原則進(jìn)行產(chǎn)品外觀造型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為技術(shù)人員營(yíng)造舒適的工作氛圍，便于提高技術(shù)操作的精確度與靈活性。

2.1.3 摩擦學(xué)設(shè)計(jì)

通常煤礦開采作業(yè)具有強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)等特點(diǎn)，煤炭機(jī)械裝備在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的摩擦力將加劇機(jī)械磨損與設(shè)備老化，引發(fā)安全事故、降低裝備使用壽命。對(duì)此需基于摩擦學(xué)原理進(jìn)行煤機(jī)裝備的合理設(shè)計(jì)，優(yōu)選抗摩擦性能強(qiáng)的元部件，并定期進(jìn)行受損部件的更換，提高裝備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全保障[2]。

2.1.4 人體工程設(shè)計(jì)

雖然當(dāng)前自動(dòng)化、智能化已成為機(jī)械裝備制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中仍不可避免涉及到人工操作與技術(shù)管理。因此應(yīng)基于人體工程設(shè)計(jì)原理進(jìn)行裝備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少技術(shù)操作人員在操作過程中的體能消耗、降低生產(chǎn)失誤發(fā)生幾率，借助人機(jī)協(xié)調(diào)配合提高生產(chǎn)效率。

2.2 自動(dòng)化控制技術(shù)

2.2.1 全自動(dòng)化電液控制

在液壓支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，應(yīng)注重完善電液控制系統(tǒng)的功能性設(shè)計(jì)，包括支架自動(dòng)升降、輸送機(jī)自動(dòng)推移、遠(yuǎn)程控制、跟機(jī)自動(dòng)化作業(yè)等，實(shí)現(xiàn)電液控制的全自動(dòng)化。同時(shí)，結(jié)合不同作業(yè)需求進(jìn)行液壓支架的個(gè)性化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有薄煤層、中厚煤層、放頂煤的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤層厚度的精細(xì)化區(qū)分，搭配支架高度測(cè)量、姿態(tài)控制、護(hù)幫板圍巖耦合控制技術(shù)，使支架移架速度縮短至10 s 以內(nèi)。

2.2.2 智能采煤機(jī)自動(dòng)控制

當(dāng)前智能采煤機(jī)已陸續(xù)投入到煤礦開采作業(yè)中，為保障智能采煤機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)得到有效發(fā)揮，還需圍繞采煤記憶割煤、機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)、機(jī)身水平控制等層面加強(qiáng)自動(dòng)化控制技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，保障在不同厚度煤層工作面上均可實(shí)現(xiàn)無人控制作業(yè)。

2.2.3 刮板輸送機(jī)自動(dòng)控制

在刮板輸送機(jī)的自動(dòng)化控制優(yōu)化上，應(yīng)加大對(duì)溫度監(jiān)測(cè)、集成控制等先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)力度，同時(shí)結(jié)合刮板輸送機(jī)的運(yùn)行特性實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)化，例如采用鏈條張力監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)尾伸縮的自動(dòng)控制，引入潤(rùn)滑油在線鐵譜分析技術(shù)，增加軸承在線振動(dòng)檢測(cè)功能等，進(jìn)一步提高刮板輸送機(jī)的自動(dòng)化控制水平。

在此基礎(chǔ)上，注重將以太網(wǎng)、無線、通信等技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶割煤、液壓機(jī)跟隨自動(dòng)動(dòng)作與人工遠(yuǎn)程干預(yù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)綜采運(yùn)輸設(shè)備自動(dòng)化控制、智能感知與就地控制、視頻監(jiān)控的有機(jī)結(jié)合，更好地達(dá)成綜采工作面的無人化目標(biāo)。

2.3 綜合機(jī)械化采煤技術(shù)優(yōu)化

2.3.1 電牽引采煤機(jī)

當(dāng)前我國(guó)電牽引采煤機(jī)可適用于0.8～7 m 的割煤高度與0°～60°的傾斜角度，總裝機(jī)功率達(dá)到238～2500 kW，牽引速度超過20 m/min，每小時(shí)可落煤6000 t。從技術(shù)優(yōu)化視角入手，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電牽引采煤機(jī)設(shè)計(jì)的改造與升級(jí)，例如針對(duì)普采工作面采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、生產(chǎn)能力、功率等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)出性能存在明顯優(yōu)勢(shì)的雙滾動(dòng)采煤機(jī)，進(jìn)一步提高實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)效率。

2.3.2 巷道快速掘進(jìn)機(jī)

當(dāng)前我國(guó)已形成了綜合機(jī)械化采煤技術(shù)體系，利用多種機(jī)械裝備的配合使巷道快速掘進(jìn)機(jī)的功率、連續(xù)性、速度等指標(biāo)得到顯著提升，有效增強(qiáng)采煤生產(chǎn)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(jìn)、工作面回采需求進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化與裝備更新，例如由我國(guó)自行研制的薄煤層電牽引采煤機(jī)的可截割單軸抗壓強(qiáng)度便達(dá)到100 MPa，可適用于半煤半巖巷道進(jìn)行作業(yè)，在不移位截割斷面上達(dá)到35～42 m2的作業(yè)范圍，截割功率、總功率分別可達(dá)350 kW 與597 kW[3]。

2.3.3 現(xiàn)代化機(jī)械采煤工藝

在機(jī)械裝備制造技術(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)機(jī)械采煤工藝的研發(fā)：①斷臂綜合機(jī)械化采煤工藝在當(dāng)前不規(guī)則塊段煤礦開采作業(yè)中，可有效適用于較短工作面的作業(yè)需求，利用后退式采煤工藝完成煤礦開采作業(yè)；②雙滾筒采煤機(jī)在采煤過程中沿工作面中部斜切進(jìn)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(jī)擴(kuò)大截深，使割煤效率得到顯著提升；③利用端卸、側(cè)卸、直角拐彎等方式優(yōu)化布置，可實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)、裝載機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，搭配輕型采煤、支架、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備，進(jìn)一步提高安裝、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)過程中的便捷程度，有效提高采煤作業(yè)效率。

2.4 智能煤礦機(jī)器人技術(shù)

2.4.1 掘進(jìn)類機(jī)器人

掘進(jìn)類機(jī)器人包含掘進(jìn)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、噴漿機(jī)器人等幾種類型，未來應(yīng)集成不同類型的掘進(jìn)類機(jī)器人建立掘進(jìn)工作面智能機(jī)組，實(shí)現(xiàn)截割、支護(hù)、錨固、裝運(yùn)、行走等系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，通過操縱掘進(jìn)工作面機(jī)器人群提供掘錨平行作業(yè)、多臂鉆錨支護(hù)、連續(xù)破碎運(yùn)輸、位姿自動(dòng)檢測(cè)、軌跡優(yōu)化、自主糾偏等功能，以此突破以往支護(hù)作業(yè)過程中的時(shí)長(zhǎng)局限，提高掘進(jìn)、支護(hù)工作效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨固作業(yè)的無人化目標(biāo)。

2.4.2 采煤類機(jī)器人

采煤類機(jī)器人主要包含智能采煤機(jī)、支護(hù)機(jī)器人等類型，對(duì)此應(yīng)建立采煤工作面機(jī)器人群，實(shí)現(xiàn)截割、支護(hù)、導(dǎo)運(yùn)、轉(zhuǎn)運(yùn)等機(jī)組的一體化設(shè)計(jì)，既要保障液壓支架、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等機(jī)械裝備的單機(jī)智能運(yùn)行，同時(shí)還應(yīng)利用采煤工作面機(jī)器人群實(shí)現(xiàn)對(duì)各單機(jī)的智能協(xié)同控制，通過地面遠(yuǎn)程監(jiān)控獲取機(jī)器人群的工作狀態(tài)。

2.4.3 運(yùn)輸類機(jī)器人

運(yùn)輸類機(jī)器人主要包含礦井提升機(jī)、主運(yùn)帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、無人駕駛礦用運(yùn)輸車等機(jī)械裝備，對(duì)此應(yīng)注重建立“三機(jī)”協(xié)同控制器，完善傳感信息集成、工作參數(shù)匹配、協(xié)調(diào)控制決策、環(huán)境參數(shù)集成等模塊的功能設(shè)計(jì)，依靠無人駕駛礦車自主完成倒車入位、軌跡運(yùn)行、自動(dòng)傾卸、自主避障等任務(wù)要求，基于5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制與定位，更好地提高煤礦運(yùn)輸過程的智能化水平。

2.4.4 救援類機(jī)器人

救援類機(jī)器人的主要用途涵蓋井下?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)、礦井救援兩種類型，其中井下?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人可適用于巷道塌方類事故發(fā)生的狹小作業(yè)空間，自動(dòng)完成行走、定位、環(huán)境識(shí)別、挖掘、運(yùn)輸?shù)炔僮魅蝿?wù)，代替以往人工清淤、清堵作業(yè)，有效保障搶險(xiǎn)作業(yè)安全、提高搶險(xiǎn)效率；礦井救援機(jī)器人則適用于井下發(fā)生火災(zāi)、水災(zāi)、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(shí)現(xiàn)自主行走、定位、探測(cè)生命跡象、運(yùn)輸緊急物資等，在井下發(fā)生意外災(zāi)害的情況下可實(shí)現(xiàn)高效、安全搜救，提高搜救實(shí)效性[4]。

3 結(jié)論

據(jù)WIND 資訊統(tǒng)計(jì)，煤礦機(jī)械化水平的提高對(duì)煤炭機(jī)械裝備的需求在煤礦機(jī)械總需求中占比約為11%。當(dāng)前“中國(guó)制造2025”目標(biāo)的提出為我國(guó)煤炭機(jī)械裝備制造業(yè)發(fā)展指引了明確導(dǎo)向，對(duì)此應(yīng)積極引入技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)煤機(jī)裝備的改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)煤機(jī)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程可視化與智能化，達(dá)成優(yōu)質(zhì)、高效、安全的生產(chǎn)目標(biāo)。