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大功率采煤机的应用及技术发展展望 葛红兵 天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 200030 [摘 要 ] 阐述了为适应大型煤矿建设需要, 采煤机功率配置变化, 大功率采煤机已作为煤矿 高效开采的主要设备。介绍了大功率电牵引采煤机国内外当前应用情况, 分析了国内大功率采煤机在 总体技术、结构设计与传动技术、电气系统性能方面的差距及其今后发展趋势。 [关键词 ] 采煤机; 对比分析; 发展趋势 [中图分类号 ] TD42116 [文献标识码 ] A [文章编号 ] 1006 -6225 2010 01-0004-04 Application of Coal Cutter with Large Power and Its Technical DevelopmentProspect GE Hong-bing Shanghai Branch, T iandiSciencelarge colliery ;co mparative analysis; development tendency [收稿日期 ] 2009- 08- 31 [作者简介 ] 葛红兵 1966- , 男, 江苏扬州人, 高级工程师, 主管采掘机械技术管理与研发, 现任分公司常务副总工程师兼总工办主任。 当前,国家大力发展大型煤矿建设,作为煤矿 开采的核心设备之一的采煤机也迎来了一轮新的发 展机遇和挑战 [ 1]。 2006年国内使用进口大功率采 煤机的综采工作面,最高单产已超过 10 M t/a 。截 止目前, 据不完全统计,国内各大煤矿先后引进国 外大功率采煤机按装机功率 1600k W 以上 30 台以上, 而自 2005年起始,国内各主要采煤机制 造公司共生产大功率采煤机 30台以上。随着全球 煤矿开采装备技术水平及产能的不断提高, 国内煤 矿综合机械化开采水平也有长足发展。为满足大型 煤矿基地的生产需要,大功率采煤机于 2004年列 入国家科技部项目 / 4 5m 厚煤层综采关键技术 与成套装备 0 的子项,2006年列入国家发改委项 目 /年产 600万吨综采成套装备研制 0 的子项, 目前已结项。大功率采煤机作为煤矿井下高效开采 方法的主要设备, 对其结构、性能、参数等提出了 越来越高的要求。对于大功率采煤机, 这里指的是 总装机功率在 1600k W以上的电牵引采煤机。 1 国内外大功率采煤机的应用 目前能提供系列大功率采煤机的国外公司有德 国 Eickhoff公司、美国 JOY公司、美国 Bucyrus公 司收购德国 DBT 公司 等; 国内有天地科技上 海分公司、国际煤机收购鸡西煤矿机械有限公 司 、西安煤矿机械有限公司、太原矿山机械制造 有限公司等。 各采煤机供应商已开发出近 15种机型供市场 选择, 表 1所示为国内外典型大功率采煤机主要技 术参数,除此之外,还有 E ickhoff公司的 SL750 型;JOY的 7LS6 型;天地科技 MG750/1815 型、 MG900/2215型;西安的 MG650/1630型、MG900/ 2210型等典型机型。 目前, 国内各大煤炭生产基地普遍采用大功率 采煤机对 415 615m 煤层进行一次采全高安全高 效开采。生产能力普遍能达到日产 15 30kt [ 2]。 作为国家发改委项目 / 年产 600万吨综采成 套装备研制 0 的子项的工业性试验地点,神华集 团金烽公司昌汉沟煤矿采用天地科技上海分公司生 产的 MG750/1815- GWD型采煤机。 715103工作 面基本情况为, 煤层平均厚 418m,采高 413m,工 作面走向长 2032m,倾斜长 300m,倾角 1 3b , 2007年 6月份产量 620k, t7月份产量 670k, t8月 份产量 740k,t 最高日产 33k, t 平均工效达到 160t/ 工,接近国际引进综采机组的先进水平。特别是 2008年在矿井主运输改造后,产能得到释放,该 机组创造了最高日产 46k, t 最高月产 1108 M , t 年 4 第 15卷 第 1期总第 92期 2010年 2月 煤 矿 开 采 Coalm ining Technology Vo1115No 11 SeriesNo192 February 2010 产 10115 M t的国产设备最好纪录。表 2为该工作面配套情况。 表 1 国内外大功率采煤机主要技术参数对比 采煤机型号 SL500SL10006LS57LS7EL3000 MG650 /1620 MG900 /2245 MG800 /2040 MG750 /1910 MGTY750 /1800 制造公司E ickhoffEickhoffJOYJOYDBT天地天地鸡西西安太原 截高范围 /m218 5 15215 613212 415218 615212 610217 513310 612217 515 217 512 216 5 15 总装功率 /kW1815239015002345219016202245204019101800 截割功率 /kW2 7502 9002 6102 8602 8502 6502 9002 8002 7502 750 行走功率 /kW2 902 1502 702 1502 1252 902 1252 1202 1102 90 泵站功率 /kW352 453055404035404035 破碎功率 /kW10020011027020010016016015090 牵引速度 /mmin- 113/3216 16 /331419 /2110 1212/2610 1316 /271251014 /211012 /2010/161115/23 1014/2418 重 量 / t 112 125 73 138 90 85 128 120 115 96 表 2 配套设备及技术特征 名称型号主要技术参数生产厂家 采煤机MG750/1815- GWD装机功率 1815kW, 最大生产能力 3000t/h天地科技股份有限公司上海分公司 刮板输送机SGZ1000 /3 700运输能力 3000t/h宁夏天地奔牛 巷道转载机SZZ1200/400运输能力 3500t/h宁夏天地奔牛 中部液压支架ZY8600/24/50D中心距 1750mm郑州煤机厂 过渡支架ZYG8600 /24/45D中心距 1750mm郑州煤机厂 2006年, 美国著名的二十英里矿 The Twen - tym ile longwall coal m ine 某工作面,采高 216 219m,工作面长度 305m, 走向 316 415km,最大 工作面倾角 10b ,埋深 300 400m。主运胶带带宽 118m,运量 5000t/h ,带速 4m /s 。采用 EL3000采 煤机,配 U2000行走系统, 截深 900mm,行走速 度 40m /m in ,平均产能 2700t/h ,达到日产最高 46340t 。 2008年, 神华集团神东公司某工作面采高 115 210m, 平均采高 118m,通过应用自动化技术, 达到平均日产 9310, t 日产最高 9730, t 月产最高 300kt 。采用的采煤机为美国 JOY 公司 7LS1A型, 装机功率 1162k W, 截割功率 2 480k W,牵引功 率 2 90k W, 泵站功率 2 11k W,截深 1m,牵引 速度 0 22 32m /m in 。 此外,对于 6m 以上特厚煤层,神东矿区配置 进口机组一次采全高达到 615m,而神宁集团配置 国产设备,采煤机采用天地科技 MG900/2245型, 一次采全高达到 610m,摇臂首次故障过煤量达 412 M t 。目前,神东矿区正积极攻关一次采全高近 7m 的工作面开采, 需配置更大功率采煤机。 2 国内外大功率采煤机对比分析 与目前国外最先进的大功率采煤机相比, 国内 大功率采煤机在总体技术、结构设计与传动技术、 电气系统性能方面尚有一定差距 [ 3]。 211 总体技术 国外大功率采煤机总体技术, 目前处于行业国 际领先地位。与之相比, 国内大功率采煤机在整机 结构、性能、参数及可靠性、先进性、适应性等方 面都存在一定的差距。表 3显示了在总体参数、结 构、可靠性等方面的主要指标对比。 表 3 大功率采煤机配置主要指标对比 参数国外国内 最大适应采高 /m615610 实际应用 最大装机功率 /k W23902245 在研 2300 最大截割功率 /k W2 9002 900 最大牵引功率 /k W2 1502 125 2 150试验中 最大破碎功率 /k W270160 最大泵站功率 /k W1 55甚至 2451 40 摇臂长度 /mm32963100 适应工作面长度 /m 450 300 实际应用 最大牵引速度 / m min- 1 17 12 调速系统交流变频调速交流变频调速 控制系统 计算机控制、记忆 截割、高级通讯功能 计算机控制、记忆 截割、高级通讯功能 牵引系统U2000U2000 整机重量 / t 150 130 理论最大生产能 力 / t h- 1 50005000 大修周期 /M t 6需进一步研究 设计寿命 /M t 30需进一步研究 212 结构设计与传动技术 国内采煤机某些关键部件的适应性、可靠性还 5 葛红兵 大功率采煤机的应用及技术发展展望2010年第 1期 有待完善和提高, 尤其是壳体材料强度、齿轮传动 制造技术、电机制造技术、密封结构可靠性等。 213 交流变频电牵引技术 目前采煤机变频调速系统已从一拖二 1台变 频器拖动 2台电动机 发展到一拖一 2台变频器 分别拖动 2台电动机 。1999 2001年国家科技部 / 电牵引采煤机四象限运行变频调速及控制系统 0 项目的完成, 使我国能量回馈型四象限运行的交流 变频电牵引采煤机技术处在国际领先地位。 JOY电牵引采煤机牵引功率已达 2 150k W, 变频器电压 575V。Eickhoff电牵引采煤机牵引功率 已达 2 150k W,变频器电压 460V。目前国内电牵 引采煤机 牵引功率已达 2 125k W,在研 2 150k W,变频器电压 380V。国内交流变频电牵引 采煤机自动调速技术都已相当成熟,能够实现额定 转速以下恒扭矩调速, 额定转速以上恒功率调速, 及 2台变频器之间的主从控制和转矩平衡。 214 电气控制系统及自动化技术 随着电子科技的进步, 国内外大功率采煤机都 对控制系统进行了升级。但是与进口机组相比, 国 产采煤机在主控制技术、工况检测和故障诊断技 术、远程通讯和集中控制技术、少人工作面控制技 术等方面仍有较大差距。国产电气控制系统可实现 的功能有截割电机恒功率控制; 牵引电机负荷控 制; 各电机及变频调速箱温度显示和热保护;变频 调速系统超频、过载、过流、短路及漏电保护; 简 单的电气系统的故障诊断等。此外,在电控防爆箱 体的结构布置、元件的体积控制、连线布置等细节 方面也有着明显的差距。 1 采煤机主控制系统 近年来,美国 JOY 公司的 7LS、德国 Eickhoff公司的 SL500等采煤机 在主控制系统上都进行了升级换代,JOY公司推出 了改进型 JNA 控制系统,E ickhoff公司将 M ICOS 68矿用微机系统升级为基于 IPC 装有 AMD、 166 MH z处理器 的控制系统,在检测和显示等方 面具有许多共同的特点, 诸如检测用的传感器多, 采用多个处理单元,相互间以串行总线形式通讯, 连线少, 处理速度快, 能够显示瞬间变化的工况参 数。人机交互界面非常直观、方便、且功能强大。 国内采煤机生产厂家一般采用大屏幕工控一体 机加进口可编程序控制器的控制系统, 也采用了多 传感器, 多个处理单元,相互间以串行 R485总线 通讯的分布式结构,但存在总线速度低, 传感器、 处理单元质量不够稳定的问题。天地公司上海分公 司 1815采煤机则采用了 DSP 芯片嵌入式主控系 统,处理速度快,升级空间大。 2 工况检测、故障诊断技术 比较而言, 国外的大功率电牵引采煤机检测点位多, 故障诊断 软件功能强大, 输出显示信息量大, 带有数字和文 字、图形、曲线显示,具有强大服务功能和非常直 观的人机交互功能。 根据主控系统平台的不同,国内采煤机工况检 测、故障诊断存在检测参数少、信息处理内容少、 显示服务有待完善等不足,也用大屏幕显示。以天 地科技主控系统为例,其数字化嵌入式系统平台与 进口机组功能接近, 处理速度快, 但由于传感器应 用不足和信息处理服务有待提高等问题, 仍与进口 机组功能存在一定差距。其监测系统主要功能有 开机操作步骤中文提示、故障中文显示及记忆、 22 种运行状态信息实时显示、最新运行状态及故障信 息、故障信息闪烁提示等。 3 远程通讯和集中控制技术 引进的 JOY 6LS5 ,7LS6,Eickhoff SL500 ,Eickhoff SL1000 采 煤机都实现了数据远程传输、集中监控和部分集中 控制。巷道集中控制站与采煤机、液压支架控制系 统、刮板输送机、转载机相连。通过中继站可与距 离大于 5km 的地面数据转换器连接,后者把信号 传给矿井地面站。通过上述系统, 可以在巷道集中 控制站实现工作面设备和巷道设备的远程通讯和集 中控制,但由于井下条件多变,及配套管理等种种 原因, 目前实际还只能实现远程通讯和集中监控或 局部意义上的集中控制, 也有的是在特定的一段时 期试用一下。 SL500 ,SL1000 ,6LS5 和 7LS6采煤机机身上 还装备有红外线发射器, 支架接到信号后,通过电 液阀系统可自动收放护帮板、移架、推溜。这就要 求液压支架带有接收控制器以及电液控制系统。 比较而言, 这方面与国外的差距较大,目前天 地科技大功率采煤机可以实现采煤机与巷道控制箱 的数据载波通讯,提供数字化矿山常用通讯数字接 口,能实现采煤机定位检测, 具备了实现工作面三 机联动自动化的基础。 4 少人工作面控制技术 近几年,以记忆 截割技术为代表的少人工作面控制技术得到关注和 大力地应用研究。该技术是一种基于位置传感器和 计算机程序控制的技术, 引进大功率采煤机上一般 都配置有该功能,通过结合采煤机倾角传感器、同 步位置传感器、油缸行程传感器等的信息检测,主 控系统计算机进行记忆储存及按模式程序控制,实 现采煤机滚筒的自动调高和定位。 6 总第 92期煤 矿 开 采2010年第 1期 记忆截割方法是一种可以人工远程干预的自动 化操纵方式, 具有实用价值。目前在神东矿区试验 多次,最近在 2m左右采高的较薄煤层高效开采项 目上取得一定成效。国产的机组也已开发配置了该 记忆截割功能,但都没有进行工业性试验。随着位 置传感器、机身倾角传感器、摇臂倾角传感器等技 术完善, 记忆截割技术的推广应用将会有所突破。 3 发展趋势 大功率采煤机的开发不仅仅是通过增大装机功 率和调整结构尺寸来适应一次采全高的需要,还要 有提高其先进性和可靠性, 以满足大型煤矿建设增 产提效安全开采的需要。因此, 随着国际采煤自动 化程度的快速发展,采煤机必须能满足井下少人工 作面发展的需要, 未来开发的大功率电牵引采煤机 一定是安全高效、高可靠性、高度自动化、具有很 强适应性、能远程控制的产品。 根据我国煤炭生产远景规划及采煤机技术发展 趋势,今后国内大功率采煤机的主要发展趋势及研 究方向有 1 提高产品技术标准,从而促进提高设计 水平、制造工艺水平, 进而提高可靠性。如新制定 的行业标准 /MT /T100311- 2006滚筒采煤机 大修 规范 第 1部分总则和整机部分 0 规定了整机和 部件大修周期和寿命。 2 提高产品设计理论。要加强基础理论研 究, 不能只重视引进消化的仿形设计, 还要深入研 究相应的理论和手段, 提高元部件的性能指标。例 如采煤机整体结构动力学分析、高电压采煤机供电 系统前瞻性研究等。 3 研究掌握核心技术。通过挖掘产品的核 心技术, 从跟踪仿制到自主创新,掌握核心技术, 以提高产品核心竞争力。例如加速研制基于记忆截 割技术的自适应控制系统; 网络化模块化分布式电 气控制系统的完善;高牵引力行走系统等。 4 应用可靠性开发理论。可以提高产品整 机到元部件的寿命; 在规定条件下, 提高首次故障 时间, 平均故障时间,平均修复时间;通过结合机 构设计的安全系数法、管理上的概率分析法和信息 技术上的 CAD/CAE虚拟制造等, 进而提高单设备 和系统开机率, 降低维修成本乃至吨煤成本。 5 提高产品制造工艺。通过更新加工设备 和深入研究工艺,严格执行质量管理要求,保证设 计指标,进而降低生产成本和制造引起的故障率。 6 提升牵引速度和加大装机功率。这是增 产增效的必要手段, 例如,在较薄和中厚煤层的开 采中, 为提高产能, 采煤机通过加大牵引功率、提 高牵引速度、配置更宽刮板输送机等措施,对已有 机型系列化或更新, 达到相对大功率配置。如天地 科技的 MG320/710型、MG500/1300型,美国 JOY 的 7LS1A型,德国 E ickhoff的 SL300加强型等。 4 结束语 当前, 国内外大功率电牵引采煤机的适应性、 先进性、可靠性都得到极大提高, 能满足现代化大 型煤矿建设所需。尤其是国产大功率采煤机的推广 使用, 意味着国内采煤机装备整体研制水平上了一 个新台阶,同时极大地提高了采煤工作面生产能 力,改善安全生产环境, 满足大型煤矿建设安全高 产高效煤炭生产的需要, 对我国国民经济可持续发 展具有一定的推动作用。 [参考文献 ] [ 1] 张世洪, 等 1 电牵引采煤机的技术现状和发展趋势[ J] 1 煤 矿机电,2000 5 1 [ 2] 高志明, 等 1MG750 /1815- GWD 系列大功率厚煤层采煤机 [ J] 1 煤矿开采,2008,13 658- 601 [ 3] 高志明 1大功率采煤机的技术现状及研究方向[ J] 1 煤矿机 电,2007 4 1 [责任编辑 邹正立 ] 上接 3页 [参考文献 ] [ 1] 齐庆新, 窦林名 1冲击地压理论与技术[M ] 1徐州中国矿 业大学出版社,20081 [ 2] 国家煤炭工业局 1MT /T 174- 2000 , 煤岩冲击倾向性分类及指 数的测定方法[ S] 1 [ 3] 姜福兴, 王存文, 叶根喜, 等 1 采煤工作面冲击地压发生的 可能性评价方法研究[ A] 1 全国冲击地压研讨会 - 煤矿高效 开采与冲击地压新技术[ C] 1 徐州 中国矿业大学出版社, 20081 [ 4] 窦林名, 何学秋,Bernard Drzezla1 冲击地压危险性评价的地 音法[ J] 1中国矿业大学学报,2000,29 185- 881 [ 5] 毛德兵 1 冲击矿压发生危险性评价方法[ J] 1 煤矿开采, 2000 0451- 521 [ 6] 张开智, 夏均民 1 冲击危险性综合评价的变权识别模型 [ J] 1 岩石力学与工程学报,2004 ,23 203480- 34831 [责任编辑 邹正立 ] 7 葛红兵 大功率采煤机的应用及技术发展展望2010年第 1期