我国综合机械化掘进技术发展40a.pdf

第 35卷第 11期煤 炭 学 报Vo.l 35 No . 11 2010年11月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYNov . 2010 文章编号 0253- 9993 2010 11- 1815- 06 我国综合机械化掘进技术发展 40 a 王 虹 中国煤炭科工集团有限公司, 北京 100013 摘 要 回顾了我国综合机械化掘进 40 a的发展历程, 对我国煤矿巷道综掘技术与装备的现状进 行了总结, 对我国煤矿井下巷道综掘技术与装备存在的问题进行了概括, 指出制约我国巷道掘进速 度的因素主要有支护时间、 掘进工作面降尘效率、 元部件可靠性以及自动控制技术。分析了国内掘 进机在截割技术、 元部件可靠性、 自动控制技术、 除尘系统以及系统配套技术方面与国外相比存在 的差距。最后提出今后我国悬臂式掘进机及综掘技术的发展方向 提高整机适应性, 拓展使用范 围; 开展基础技术研究, 提高元部件使用性能; 发展综掘系统配套技术。 关键词 综合机械化掘进技术; 悬臂式掘进机; 配套技术 中图分类号 TD82397 文献标志码 A 收稿日期 2010-09-20 责任编辑 韩晋平 作者简介 王 虹 1959, 男, 江苏江阴人, 研究员, 硕士。T el 010- 84262628, E- mai l wanghong cctegcn The 40 years developmental review of the fully mechanized m ine roadway heading technology in China WANG Hong China Coal Technology and Engineering Group Cor poration, Beijing100013 , China Abstract Reviewed the develop m ent course of China fully mechanizedm ine roadway heading in the passed 40 years and summarized the present status of the fully mechanized coal m ine roadway heading technology and equip ment in China. Summ arized the problems existed in the fully m echanizedm ine roadway heading technology and equipment in China undergroundm ines and pointed out that the factorsm ainly of the ti me to set up the suppor, t the dust control eff- i ciency at the heading face, the component reliability and the automatic control technologywould restrict them ine road - way heading speed . In comparisonw ith the overseas , analyzed the gap of the cutting technology , the component reliabi- l ity, autom atic control technology , the dust control system and the syste m matching technology of the dom estic roadhead - er . F inally provided the develop m ent orientation of the boom type roadheader and the fully mechanizedm ine roadway heading technology in China, it is i mproving the flexibility of the completed machine and expanding the application scope , having the fundamental technical research , i mproving the application perancesof the components and deve- l oping them atching technology of the fully mechanizedm ine roadway heading system. Key words fully mechanizedm ine roadway heading technology ; boom type roadheader ; matching technology 我国煤炭生产以地下开采为主, 随着综合机械化 开采技术的推广和普及, 至今已成为主要采煤方法。 随着综采技术的提高, 生产能力不断增大, 每年开拓 的煤和半煤岩巷道超过 850余万米。伴随着综采的 发展, 综合机械化掘进技术应运而生。综掘技术与装 备的快速发展, 推动了综采技术的进一步发展。巷道 开拓起始阶段主要以人工、 炮采为主, 后来逐渐形成 了以掘进机为主的 3种类型的机械化掘进工艺 [ 1] 第 1种是综合机械化掘进, 主要掘进机械为悬臂式掘进 机 以下简称掘进机 ; 第 2种是连续采煤机与锚杆 钻车配套作业线, 主要掘进机械为连续采煤机; 第 3 种为掘锚一体化掘进, 主要掘进机械为掘锚机组。 20 煤 炭 学 报 2010年第 35卷 世纪后期, 我国成功开发和推广使用锚杆支护技 术 [ 2], 使掘进机掘进技术适应性大大加强, 推动了我 国综掘技术与配套装备 [ 3]的快速发展。 1 煤矿巷道综掘技术发展概况 11 掘进机发展概况 我国煤矿掘进机的发展主要经历了引进、 仿制、 消化吸收和自主研制两个阶段。 1引进、 仿制及消化吸收阶段。 20世纪 60年 代初期到 70年代末为引进和仿制阶段。这一阶段主 要是以引进国外掘进机为主, 同时技术人员开始尝试 对引进的机型进行仿制, 开发了 EL- 90 、 ELMB- 55 、 EM1A- 30等掘进机, 但研究水平较低, 主要以煤巷 掘进机为主。 20世纪 70年代末到 90年代初, 我国 从英国、 奥地利、 日本、 德国等国家引进了 16种、 近 200台掘进设备, 对我国煤矿掘进机的推广使用起到 了推动作用。20世纪 80年代, 我国对矿井设计进行 了改革, 减少岩石集中巷布置方式, 将开拓巷道和采 准巷布置在煤层中, 为掘进机的推广使用创造了条 件。20世纪 80年度初, 我国在煤矿采掘设备 一条 龙 项目引进中, 采用技贸合作方式, 引进了奥地利 阿尔卑尼公司的 AM50 、 日本三井三池公司的 S100 型掘进机 表 1制造技术和先进的加工设备, 使我国 具有了批量生产掘进机的能力, 基本上结束了中小型 掘进机依赖进口的局面。 2自主研发阶段。 20世纪 90年代中期至今为 自主研发阶段。这一阶段中型掘进机发展日趋成熟, 重型掘进机大批出现, 具备了根据矿井条件实现个性 化设计的能力, 形成了煤炭科学研究总院太原分院、 佳木斯煤机公司、 三一重装、 石家庄煤机公司、 煤炭科 学研究总院上海研究院等多个具备掘进机自主研制 能力的掘进机生产企业。据不完全统计, 我国掘进机 的年销售量由 1999 年的 72 台增加至 2009 年的 1 311 台 [ 4]。自主研发阶段, 我国掘进机的设计水平 和机器可靠性大幅提高, 功能日趋完善, 自主研发的 几种代表机型的主要参数见表 2 。目前, 我国已经具 备了截割功率在 50 350 k W、 机重在 18 135 t系列 掘进机的自主研制能力。 表 1 技贸结合机型主要参数 Table 1Them ain param eters of the combination of technology and trade roadheaders 型 号 断面 /m2 截割硬度 /MPa机重 /t总功率 /k W截割功率 /k W适应坡度 / 外形尺寸 长 宽 高 AM50203 6024163100 16275 m 1 91 m 165 m S100220 6028145100/60 16083 m 25 m 18 m 表 2 我国自主研发的几种代表机型的主要参数 Table 2 Them ain param eters of some roadheaders by China 机 型EBJ- 120TPEBJ- 160EB H315S150JEBZ200HEB H300 最大截割断面 /m2 182440232648 可截割硬度 /MPa60801208080120 机重 /t366013544678125 总功率 /k W190280533205332561 截割功率 /k W120160315150/80200300 适应坡度 / 161616161616 系统压力 /MPa161625162325 外形尺寸 长 宽 高 860 m 210m 155m 1095 m 270 m 150 m 1295 m 308 m 250 m 90m 28m 18m 115 m 32 m 19 m 1228 m 320m 245 m 12 国家十一五 期间掘进技术与装备创新概况 十一五 期间, 在 国家科技支撑计划 和 863 计划的支持下, 我国煤机制造企业加大了科研投 入, 围绕大断面岩巷掘进机研制技术、 掘进机自动控 制技术、 掘进巷道综合除尘技术以及掘进机多功能一 体化技术展开了科技攻关, 取得了一批重要成果。 1大断面煤巷掘进机的研究。为解决特厚煤 层大采高综放开采中采准巷道的快速掘进问题, 十 一五期间进行了大断面煤巷快速掘进技术及装备 研发 国家十一五 科技支撑计划重大项目 的课题 研究工作。研制出的大断面掘进机机重 110 , t 在顶 板条件复杂, 巷道断面 224 55 m 2的煤巷中, 通过 掘进及支护一体化施工, 月进尺可达到 600m。 2 超重型岩巷掘进机的研制。半煤岩及岩巷 快速掘进与装备的研制 国家 十一五 科技支撑计 划重点项目 [ 5] 重点解决了全岩巷的综合机械化掘 1816 第 11期王 虹 我国综合机械化掘进技术发展 40 a 进及巷道粉尘治理技术难题。该项目研制的掘进机 截割功率达到 315 k W, 机重 135 , t 最大可掘高度 58m, 具有了离机遥控、 截割断面监视和故障诊断 等功能。该掘进机配套综合除尘系统通过在神华集 团神东煤炭分公司和山东新汶矿业集团的井下试验 表明, 该掘进机具备了截割 硬度 f 8 10 , 部分 f 12全岩巷道的能力, 在巷道断面 21 m 2 的全岩巷道 掘进中, 月进尺达到 175 m。 3 掘进机自动控制技术的研究。发展采掘装 备自动化和远程监控 [ 6] 核心技术, 提高掘进机的自 动化水平是国内外采煤行业追求的目标。国家 863 计划掘进机远程控制技术及监测系统 以突破掘进 过程中遥控设备的关键技术为核心, 重点进行了可视 化遥控和远距离控制掘进机的技术攻关, 并已经投入 使用。 13 连续采煤机及掘锚机组快速掘进技术发展现状 随着综采技术的发展, 国内已形成了年产千万吨 级工作面, 使年消耗回采巷道数量大幅度增加。为满 足日产 3万 t采煤工作面推进速度的要求, 日进尺须 达到 50 m以上。目前, 我国掘进机月平均进尺一般 在 400m 左右, 这已很难满足高产高效和 一矿一井 一面集约化生产速度的要求。神东矿区使用连续 采煤机进行煤巷多巷掘进, 平均月进尺达到 2 000m, 并创造了多项全国纪录。 1 连续采煤机快速掘进。我国引进连续采煤 机始于 20世纪 70年代, 迄今为止大体经历了单机和 成套设备引进两个阶段。目前我国神东煤炭分公司、 陕煤集团、 晋城煤业集团等矿区使用连续采煤机近 100余台。掘进时, 连续采煤机与锚杆钻车采用交叉 换位、 平行作业的方式, 连续采煤机在运输巷道掘进 时, 锚杆钻车在回风巷道进行锚杆支护作业, 当连续 采煤机完成一个掘进循环时, 与锚杆钻车交换位置。 为满足机器调动和运输的要求, 两条巷道之间每隔 50 m掘 1条联络巷。由于实现了掘进与支护的平行 作业, 掘进速度大幅提高, 但这种工艺对地质条件的 要求非常严格, 一般空顶距为 20 m, 而且只适合于多 巷掘进, 适应范围有限。 我国对连续采煤机的开发工作起步较晚 [ 7] , 技 术相对落后, 还有许多核心技术需要攻关。国家 十 一五科技支撑计划项目 煤炭资源高效采选关键技 术与装备研发子课题 煤柱及不规则块段开采关键 技术研制完成了我国第 1台连续采煤机, 目前已在 铁法、 神东、 陕煤、 中煤平朔等矿区推广应用, 在神东 月进尺为 1 380m。 2 掘锚机组掘锚一体化掘进。掘锚机组是适 用于高产高效矿井煤巷单巷快速掘进的掘锚一体化 设备, 是在连续采煤机和悬臂式掘进机的基础上发展 的一种新型掘进机型。掘锚机组将掘进与支护有机 地组合起来, 减少掘进与支护设备的换位作业时间, 在同一台设备上完成掘进和支护工艺。目前, 掘锚机 组主要有两种 一种是以连续采煤机为基础的掘锚机 组; 另一种是悬臂式掘进机加装机载锚杆机的掘锚 机。掘锚机组与连续采煤机作业相比具有掘锚平行 作业、 单巷快速掘进及顶板及时支护等优点。掘锚机 组在我国已有一定的研究 [ 8], 但是起步较晚。掘锚 机组按作业方式可划分为两类 一类是同时实现掘锚 作业的掘锚机组; 另一类是先截割后支护的掘锚机 组。AB M20掘锚机组为第一类。我国于 2003最早 引进 ABM20掘锚机在晋城煤业集团成庄煤矿使用, 目前国内已有 22台掘锚机组。掘锚机组在我国的试 验取得了初步的成功, 月进尺可达到 1 200 m。由于 机器庞大、 价格昂贵, 对巷道条件要求高及适应范围 较小等原因, 目前还处于推广应用阶段。 2 我国煤矿巷道综掘存在的主要问题 目前, 单机成巷速度慢是我国煤矿巷道综掘存在 的主要问题, 制约巷道掘进速度的因素很多, 主要表 现在以下 4个方面 1支护时间过长。以单巷为主的开拓布置方 式, 掘进、 支护不能平行作业, 由于在一个掘进循环 中, 支护时间是掘进时间的 2 3倍 [ 9], 因而严重限制 了进尺的提高。 2掘进工作面降尘效率低。我国 煤矿安全规 程 规定, 煤矿井下粉尘中游离 SiO2含量 10 时, 总粉尘浓度不得超过 2 mg /m 3 [ 10]。目前普遍采用的 内、 外喷雾降尘方式无法满足井下对掘进工作面的环 境要求。 2006年国家安全生产监督管理总局立项, 由煤炭科学研究总院太原研究院与德国 CFT 公司共 同开发了一套适合中国煤矿井下掘进工作面的高效 除尘系统, 在潞安、 神东矿区井下使用中取得了良好 效果。 3元部件可靠性有待提高。掘进工作面地质 条件多变, 掘进机截割时, 截割头载荷复杂 [ 11], 严重 影响产品的可靠性和寿命, 尽管国产掘进机在整机设 计参数方面已经达到国外先进机型的标准, 但可靠性 和寿命仍需攻关研究。 4自动控制技术 [ 12] 尚需完善。 十一五 期 间, 我国在掘进机自动控制方面取得了一定进展, 实 现了整机全功能遥控, 并在掘进机定向、 智能监测方 面实现了突破, 但总体水平仍然偏低。 1817 煤 炭 学 报 2010年第 35卷 3 我国掘进机的发展思路 截止 2008年, 原国有重点煤矿综采程度达到 8415 , 工作面单产达到每月 53 474 , t 但综掘机发 展较慢, 综掘率仅由 1980年的 171 增加到 2008年 的 3685 [ 13], 采掘工作面比例 采 /掘 近几年一直 维持在 1 31左右。采掘比例失调是困扰我国煤矿 高产高效的主要因素, 原国有重点煤矿综采率、 综掘 率对比如图 1所示, 而国外发达国家的综掘率和综采 率基本保持一致。因此, 我国掘进机今后发展的思路 必然是以提高效率、 加快成巷速度为主, 具体的应从 4个方面进行考虑 1采用新型截割技术如扭振截割技术 [ 14]、 高压 水辅助截割技术, 提高自动化程度和改进支护方式 等, 提高新型掘进机的适应性; 2提高机器的可靠性; 3加强对转运等配套的研究, 提高整机与生产 系统的配套性; 4通过掘锚一体化、 掘锚同步作业技术研究, 提高单机成巷速度。 图 1 原国有重点煤矿综采率、 综掘率对比 Fig1 The comparison of fully mechanizedm ining and fullymechanization excavation from the original state key coalm ines 4 我国掘进机的发展方向 从国外掘进机半个多世纪的发展过程来看, 截割 功率大型化、 整机重型化、 提高元部件可靠性、 提高综 合自动化程度和整机适应性是一个必然的趋势。我 国掘进机的发展过程也是如此, 从我国研制成功第 1 台掘进机到现在, 机重由 10 t增加到 135 , t 截割功率 也由 20 k W 增加到 350 k W 以上。 41 提高整机适应性, 拓展使用范围 1在现有掘进机的基础上进行变型设计或二 次开发, 使其在适应性、 功能性上得到延展。 2开发满足高产高效矿井发展要求的快速综 合掘进设备, 发展集掘、 锚功能于一体的综合掘进机 组。 3研制能满足特殊地质条件要求的综合机械 化掘进设备。 4开发结构紧凑, 外形尺寸小的低矮型掘进 机。 5设计各种非煤矿用掘进机。 目前, 我国掘进机已经在地铁、 磷矿、 石膏矿和金 矿等领域获得使用。根据国外掘进机发展历程来看, 掘进机在非煤领域的使用有着广阔的前景。 42 开展基础技术研究, 提高元部件使用性能 利用现代工业设计技术, 采用先进的设计分析软 件, 开展产品性能的工程分析计算, 提高系统可靠性 和产品设计性能的验证分析能力, 使国产掘进机在可 靠性和使用性上有质的变化。 十一五 期间建设了 煤矿采掘机械装备国家工程实验室 , 该实验室的 建成将极大地推动我国采掘装备的基础试验研究。 421 综掘自动化的研究 综掘自动化研究的重点是掘进机自动控制系统。 掘进机自动控制系统是对掘进机推进方向监控、 全功 能遥控、 智能监测、 预报型故障诊断、 记忆截割及数据 远程传输等系统的总称。掘进机自动控制技术还包 括故障的远程会诊技术 [ 15], 井下人员可以通过摄像 机和通话耳机向地面发送摄像内容并进行及时交流, 从而获得地面专家的技术支持。综掘自动化是建设 数字化矿山的重要环节。通过数字化矿山建设, 可以 实现煤炭企业控制、 优化、 调度、 管理、 经营一体化, 提 高生产效率, 创造效益, 减轻工人劳动强度, 促进煤矿 企业的安全高效发展。 422 截割技术研究 1截割刀具的研究。目前, 掘进机上主要使用 的是带合金头的镐形截齿 [ 16]。这种截齿在截割 f 8 以上硬度岩石时经济性会迅速下降。各国学者为了 寻求更高效的截割刀具而进行了深入的研究。美国 Colorado School ofM ines地质机械研究院开发出一种 新型刀具 圆盘截割刀 [ 17], 这种圆盘截割刀具采 用滚压破岩原理, 不仅可以提高掘进机截割硬岩的能 力, 而且还可以延长截割头 [ 18- 19]的寿命。另外, 澳大 利亚 Brisbane的采掘技术与设备中心 CMTE也研 究出一种新的岩石采掘方法, 利用一种振动圆盘刀对 岩石进行掏槽截割来引起岩石的拉伸断裂, 由于岩石 抗拉强度远小于其抗压强度, 因此其截割岩石的效率 也更高。 2辅助截割技术研究。目前, 较成功的辅助截 割技术有高压水和冲击振动两种方式。高压水辅助 截割具有冷却截齿, 减轻截齿磨损量 约 30 , 减小 1818 第 11期王 虹 我国综合机械化掘进技术发展 40 a 截割力 约 25 及粉尘生成量等优点。冲击振动辅 助截割是一种利用惯性原理, 通过在普通的掘进机截 割机构部分增加一激震部件, 利用一定频率和振幅的 冲击来改善截割效果。通过在 ELMB- 75C型掘进 机上的使用表明, 该机构可使掘进机的破岩效率提高 30以上。 423 双速截割技术 半煤岩掘进中, 当截割煤层时, 因截割阻力较小, 这时需要提高截割速度来提高生产率; 当截割岩石 时, 截割阻力较大, 为避免截割电机过载, 同时也为减 少截齿损耗, 这时应降低截割速度, 并增大截割单刀 力。目前, 掘进机采用的截割调速方式有 3种 一是 恒扭矩双速电机变速; 二是机械变速; 三是恒功率双 速截割电机变速。 424 负载反馈调速技术 截割牵引速度是掘进机的一个重要工况参数, 负 载反馈调速技术就是利用机、 电、 液综合技术, 根据截 割工况合理调整截割牵引速度, 提高掘进机截割效 率。 43 发展综掘系统配套技术 巷道的综合机械化掘进是一项系统工程, 制约综 掘技术发展的因素很多, 除掘进机性能外, 综掘系统 配套技术的发展也至关重要。常用的巷道掘进高效 作业线设备配置见表 3 。 表 3 常用的巷道掘进高效作业线设备配置 Table 3The nor m al high efficiency operating line for roadway excavation 配套设备特点及适应范围 作业线一 掘进机、 单体锚杆钻 机、 桥式转载机、 带式输送机、 机 载除尘设备 适用于单巷掘进, 适应范围广, 掘锚不能平行作业 作业线二 掘进机机载锚杆机、 桥式转载机、 带式输送机、 机载 除尘设备 适用于单巷掘进, 适应范围广, 有利于提高支护效率 作业线三 连续采煤机、 梭车、 给 料破碎机、 带式输送机、 四臂锚 杆钻车、 铲车 适用于巷道条件较好的大断面 双巷或多巷掘进, 掘锚交叉作 业, 掘进速度快, 成本高, 对地 质条件要求严格 作业线四 掘锚机组、 桥式转载 机、 转载破碎一体机、 带式输送 机 适用于巷道断面大的单巷掘 进, 掘锚平 行作业, 掘进速度 快, 成本高, 使用维护水平要求 高 431 转载技术 目前, 国内掘进机通过采用桥式转载机与带式输 送机的配套使用, 实现了掘进机的连续性工作。另 外, 通过自移式转载机的研究, 实现连续运输和间断 运输两个基本配套运输模式, 以满足不同的运输要 求。 432 锚杆支护技术 可根据不同的地质条件, 发展不同类型的锚杆支 护技术, 在条件适合的地区大力推广使用连续采煤机 的多巷掘进工艺, 也可使用掘锚机组实现掘进支护的 同步作业。在条件较差地区, 采用机载锚杆钻机, 实 现掘进与支护的一体化作业, 也可通过技术创新, 改 进掘进机综掘配套作业线。煤炭科学研究总院太原 研究院最近开发出了运锚机, 对悬臂式掘进机综掘配 套作业进行了改进。 433 综合除尘技术 目前, 我国掘进工作面采用的除尘方式主要是喷 雾除尘, 这种方式可靠性差、 效果不理想。煤炭科学 研究总院太原研究院与德国 CFT公司共同开发的掘 进工作面高效除尘系统, 为煤矿井下巷道除尘提供了 一种新方式, 本系统利用气流的附壁效应 [ 20]和气幕 控尘原理实现了技术突破。今后的研究重点将是实 现其机载集成。 5 结 语 经过 40 a的发展, 综采已形成高产高效生产模 式, 并向着数字化矿山、 无人工作面、 资源效益最大化 的方向快速发展。综采的发展客观上促进了综掘技 术的进步, 对掘进成巷速度和综掘自动化提出了更高 要求。支护速度慢仍是制约综掘技术发展的主要问 题, 只有通过技术创新实现掘进支护的并行作业, 大 幅提高掘进速度, 使之与综采发展相适应, 才能促进 煤炭生产高效、 安全、 快速发展。此外, 我国在硬岩截 割技术、 自动控制技术以及多功能一体化技术等方面 仍将是攻关方向。 参考文献 [ 1] 王 虹. 我国煤矿巷道掘进技术和装备的现状与发展 [ J]. 煤炭 科学技术, 2010, 38 1 57- 62 . 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