大功率、大采高電牽引采煤機(jī)的研制與應(yīng)用

吳海雁

(西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710032)

1 前言

我國是能源需求大國，其中煤炭占能源總需求量的70%以上。在我國，煤炭提供了78%的發(fā)電能源、70%的化工原料和60%的民用商品能源。在未來的幾十年內(nèi)，盡管新能源的發(fā)展和推廣將使煤炭在一次能源中的消費(fèi)比重逐年下降，但煤炭的主導(dǎo)地位不會改變。高產(chǎn)高效礦井技術(shù)是當(dāng)今世界采煤業(yè)發(fā)達(dá)國家普遍采用的一種較為先進(jìn)的現(xiàn)代化采煤技術(shù)和管理方式，也是衡量一個國家煤炭工業(yè)發(fā)達(dá)程度的主要標(biāo)志。我國自上世紀(jì)80年代高產(chǎn)高效礦井技術(shù)起步以來，煤炭工業(yè)得到迅速發(fā)展和推廣，采煤機(jī)作為高產(chǎn)高效礦井綜采設(shè)備的主要設(shè)備之一扮演了重要角色。

2 國內(nèi)外綜采設(shè)備現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的引進(jìn)技術(shù)、消化吸收和自主研發(fā)，我國煤礦綜合機(jī)械化采煤設(shè)備的研制水平已有長足進(jìn)步。國內(nèi)某些技術(shù)如綜采放頂煤支架技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，國產(chǎn)綜采設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平;國產(chǎn)綜采設(shè)備的機(jī)電一體化程度接近或達(dá)到20世紀(jì)90年代中期的國際先進(jìn)水平;國產(chǎn)綜采設(shè)備的可靠性接近或達(dá)到20世紀(jì)90年代初的國際先進(jìn)水平。國產(chǎn)設(shè)備的價格約是引進(jìn)設(shè)備的1/2，中國煤機(jī)制造企業(yè)設(shè)計(jì)制造的煤礦機(jī)電裝備已經(jīng)在國內(nèi)各類煤礦廣泛應(yīng)用，成為中國煤礦工業(yè)技術(shù)裝備的主體，為中國煤礦安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)提供了可靠的保證。

目前在我國陜北地區(qū)和內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)賦存著大量煤層厚度在6.5～7 m的優(yōu)良煤炭資源。神華集團(tuán)神東公司和陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神南公司正在生產(chǎn)的工作面平均厚度也多為6.5 m左右。由于對產(chǎn)量有著比較嚴(yán)格的要求，神東公司采高在6.5 m左右的工作面一直使用進(jìn)口Eickhoff SL1000型和JOY 7LS7型采煤機(jī)。陜煤集團(tuán)神南公司2008年為其紅柳林煤礦、張家峁煤礦、檸條塔煤礦分別安裝了西安煤礦機(jī)械有限公司研制的MG750/1910－WD型、MG900/2210－GWD型采煤機(jī)共三臺，特別是用于紅柳林1502工作面的MG900/2210－GWD型采煤機(jī)，是我國國產(chǎn)采煤機(jī)首次用于此類采高超過6 m、煤質(zhì)硬度達(dá)到f5的工作面。

3 國內(nèi)外大功率采煤機(jī)在6 m以上煤層工作面的使用情況

神華集團(tuán)神東公司布連塔煤礦22303工作面使用的JOY 7LS7改進(jìn)型大功率采煤機(jī)首次完成了7 m煤層首采工作，該工作面長度301 m，推進(jìn)長度4 971 m，煤層平均厚度7.55 m。工作面投產(chǎn)后，每刀可割煤2 600 t，較6.3 m采高綜采工作面單刀多產(chǎn)300 t，提高了13%，每天按18刀計(jì)可多出煤5 400 t，月單產(chǎn)達(dá)到140萬t左右，資源回收較6.3 m采高工作面多采煤炭183萬t，回收率提高10%以上，創(chuàng)造了世界記錄。

2008年，西安煤礦機(jī)械有限公司以原有MG750/1910－WD型采煤機(jī)為基礎(chǔ)，綜合該型采煤機(jī)在大同四老溝等地的使用情況和國外同類型采煤機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，成功研制了適用于6 m以上煤層的MG900/2210－GWD型采煤機(jī)。采煤機(jī)上置油缸、高低壓屏蔽等多項(xiàng)核心技術(shù)均已申請國家專利。該型采煤機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)(表1)均已接近或達(dá)到國外進(jìn)口采煤機(jī)的水平。2009年8月，該型采煤機(jī)在陜西煤化集團(tuán)紅柳林礦投入使用。

紅柳林煤礦采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。2010年7月該臺采煤機(jī)升井大修時共產(chǎn)原煤660萬t，平均月產(chǎn)55萬 t。2010年8月 JOY 7LS6型采煤機(jī)在相同煤層繼續(xù)生產(chǎn)。通過對JOY 7LS6型采煤機(jī)和西安煤礦機(jī)械有限公司MG900/2210－GWD型采煤機(jī)在相同地質(zhì)條件下使用情況比較，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外6 m以上采高的采煤機(jī)性能參差不齊。在平均采高6 m，煤質(zhì)硬度f5，割煤速度7 m/min的情況下，進(jìn)口JOY采煤機(jī)相對于國產(chǎn)采煤機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。國產(chǎn)采煤機(jī)在截割機(jī)構(gòu)行星頭、行走機(jī)構(gòu)齒軌輪的耐用性和可靠性上都有待進(jìn)一步提高。JOY 7LS6采煤機(jī)行走鏈輪過煤量為260萬t，國產(chǎn)2210－GWD型采煤機(jī)齒軌輪平均過煤量為120萬t，僅為進(jìn)口采煤機(jī)的一半。進(jìn)口JOY采煤機(jī)行星頭320萬t時第一次出現(xiàn)故障，國產(chǎn)采煤機(jī)為180萬 t左右出現(xiàn)故障。在電氣方面，JOY 7LS6型采煤機(jī)已在紅柳林實(shí)現(xiàn)順槽顯示系統(tǒng)，并在自動化(少人工作面)方面取得很大的突破。國產(chǎn)2210－GWD型采煤機(jī)僅實(shí)現(xiàn)了順槽顯示和部分?jǐn)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，在工作面自動化方面還比較落后。

表1 采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 針對6 m以上煤層大功率采煤機(jī)的技改措施

為了進(jìn)一步縮小與進(jìn)口采煤機(jī)的差距，更好的為煤礦企業(yè)服務(wù)，西安煤礦機(jī)械有限公司以神南地區(qū)采煤機(jī)實(shí)際應(yīng)用情況為依據(jù)，通過對采煤機(jī)整體機(jī)械、電氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以及提供更好的售前和售后服務(wù)來提高能夠適應(yīng)6 m以上大動率采煤機(jī)的可靠性和先進(jìn)性。

4.1 整體結(jié)構(gòu)調(diào)整及部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用先進(jìn)的Solidworks三維設(shè)計(jì)對采煤機(jī)整體進(jìn)行虛擬樣機(jī)重新設(shè)計(jì)，利用ABQUS有限元分析軟件對整機(jī)進(jìn)行受力分析。對采煤機(jī)在特殊工況下的受力情況進(jìn)行分析后，調(diào)整采煤機(jī)整體重心及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證采煤機(jī)在6 m大采高情況下的穩(wěn)定運(yùn)行;有針對性地重新設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)，改變行走齒軌輪齒形和模數(shù)、加長導(dǎo)向滑靴導(dǎo)向面，延長了行走機(jī)構(gòu)的使用壽命;改變截割機(jī)構(gòu)行星架軸承支承方式，使截割機(jī)構(gòu)對截割阻力和軸向力有更大的承載強(qiáng)度;重新設(shè)計(jì)滾筒，減小采煤機(jī)截割阻力，降低滾筒所受的軸向力。

4.2 材料熱處理及加工工藝的改進(jìn)

通過對 30CrMnTi、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W等材料的力學(xué)性能、實(shí)際工況使用結(jié)果進(jìn)行比較，針對行走機(jī)構(gòu)的獨(dú)有特征，選用耐磨性、抗彎強(qiáng)度更好的18Cr2Ni4W為采煤機(jī)材料。該種材料常用合金滲碳鋼，強(qiáng)度、韌性高，淬透性良好，在滲碳或調(diào)質(zhì)的情況下具有非常好的力學(xué)性能，一般用做截面較大、載荷較高且韌性良好，缺口敏感性低的重要零件。為了解決導(dǎo)向滑靴耐磨問題，采用了西安煤礦機(jī)械有限公司導(dǎo)向滑靴鑄滲專利技術(shù)。

4.3 采煤機(jī)電氣系統(tǒng)改進(jìn)

完善電氣系統(tǒng)的重載反饋減速功能，減小緩沖。當(dāng)采煤機(jī)由于牽引速度過大，或者煤機(jī)突然遇到夾矸、過硬的煤層，導(dǎo)致牽引過程中所受的載荷突然增加的時候，采煤機(jī)會自然的減緩牽引速度，防止由于機(jī)組收到過大的沖擊載荷，對煤機(jī)的機(jī)械件及電氣件造成損壞。這樣就會避免出現(xiàn)機(jī)組剛到一個新面后由于工作面條件不成熟和工人的操作而對采煤機(jī)造成的損壞;設(shè)計(jì)具有顯示功能的手持遙控設(shè)備，讓工人在安全的前提下了解采煤機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)。基于西安煤礦機(jī)械有限公司MG900/2210－GWD改進(jìn)型采煤機(jī)在河北金牛能源東龐礦大采高工作面使用2×150 kW牽引電機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)，對6 m以上大采高、大功率采煤機(jī)進(jìn)行牽引功率升級。

4.4 提供完整的6 m以上大采高工作面的綜采工藝售后服務(wù)

(1)在綜采設(shè)備訂購前，為用戶提供選型及全工作面采煤工藝方案，這可以使用戶在訂購采煤機(jī)前就對以后的使用情況有一個比較清晰的認(rèn)識，同時避免因?yàn)橛脩魧Σ擅簷C(jī)性能及適應(yīng)采煤工藝的了解不充分而導(dǎo)致使用初期的大量誤操作。

(2)針對6 m以上煤層的特殊情況，增派服務(wù)工程師對用戶進(jìn)行24 h的跟蹤服務(wù)，這樣可以實(shí)時了解采煤機(jī)運(yùn)行情況，及時處理采煤機(jī)出現(xiàn)的故障，保證開機(jī)率。

(3)在6 m以上煤層賦存比較集中的陜北、鄂爾多斯地區(qū)建立強(qiáng)大的代儲備品備件庫，保證用戶24 h內(nèi)得到所需備件。

5 大功率采煤機(jī)發(fā)展趨勢及應(yīng)用情況

根據(jù)國家年產(chǎn)千萬t煤礦建設(shè)的要求，綜采工作面的高產(chǎn)高效是關(guān)鍵。根據(jù)進(jìn)口采煤機(jī)近年來的發(fā)展動態(tài)及用戶反饋可知，綜采工作面自動化技術(shù)是采煤機(jī)今后的發(fā)展趨勢。

工作面自動化技術(shù)是指工作面的各種設(shè)備按預(yù)先設(shè)定的程序，互相配合自動運(yùn)行。同時，把各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)實(shí)時地傳輸?shù)较锏乐械摹爸醒肟刂婆_”或地面的“中央控制區(qū)室”，并采取“視頻監(jiān)控”或其它技術(shù)手段對地面的地質(zhì)情況的變化和“突然事故”進(jìn)行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件發(fā)生變化或各設(shè)備之間不協(xié)調(diào)，操作人員可以在巷道中或地面進(jìn)行“遠(yuǎn)程的人工干預(yù)”。這樣，一般情況下，不需要人員跟隨采煤機(jī)、支架進(jìn)行“跟機(jī)操作”。但設(shè)備不能智能的按地質(zhì)條件的變化來自動調(diào)整運(yùn)行參數(shù)與程序，目前國內(nèi)外對“工作面自動化”進(jìn)行過嘗試、進(jìn)行過“試驗(yàn)、試用”的煤礦，均屬于這種類型的“集中、遠(yuǎn)程、程序控制”。

神華集團(tuán)神東公司榆家梁煤礦從2004年開始進(jìn)行“工作面自動化”的研究和試驗(yàn)，取得了一些積極的成果。工作面上主要設(shè)備為JOY公司的7LS－1A采煤機(jī)一臺，裝機(jī)功率1 162 kW，采用FACEBOSS控制，變頻牽引技術(shù)牽引速度22/32 m/min，采用“記憶切割”，在煤層比較穩(wěn)定、頂?shù)装鍡l件比較好時，可以實(shí)現(xiàn)“自動割煤的循環(huán)運(yùn)行”，無需操作人員跟機(jī)操作;支架采用紅外線裝置，實(shí)現(xiàn)跟隨采煤機(jī)的成組運(yùn)行，自動實(shí)現(xiàn)“程序操作”;再輔之以采用攝像頭的“視頻監(jiān)控”，及時發(fā)現(xiàn)工作面的地質(zhì)情況變化和“意外事故”，由工作人員及時加以干預(yù)。另外，不少煤礦近年來對工作設(shè)備的運(yùn)行狀況監(jiān)測，安全情況的監(jiān)視方面做了很多工作，有了較普遍的應(yīng)用，但都只是“單向信息傳輸”。而采用國產(chǎn)采煤設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“雙向信息傳輸”遠(yuǎn)程、集中地對工作面設(shè)備進(jìn)行“狀況監(jiān)視”和“運(yùn)行狀況控制”的“采煤機(jī)自動化工作面”還沒有。

2010年7月，西安煤礦機(jī)械有限公司與中國礦業(yè)大學(xué)合作開發(fā)的國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“煤炭井下采掘設(shè)備遙控技術(shù)”攻關(guān)項(xiàng)目已通過中期驗(yàn)收，該項(xiàng)目承載機(jī)型MG900/2210－GWD型采煤機(jī)在內(nèi)蒙古碾盤梁礦進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段。該項(xiàng)目完成后，MG900/2210－GWD將完全具備以下功能:①采煤機(jī)順槽集中控制功能;②通過綜采工作面無線以太網(wǎng)和煤礦工業(yè)以太網(wǎng)連接，將采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)傳送至地面監(jiān)控中心，在地面操控中心能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)控制參數(shù)的設(shè)置;③采煤機(jī)記憶截割功能及記憶截割的遠(yuǎn)程修正功能;④采煤機(jī)的虛擬3D監(jiān)控功能，即以3D模式提供綜采工作面采煤機(jī)的實(shí)時工作畫面;⑤采煤機(jī)的傳感融合功能，即對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和截割路徑傳感參數(shù)、變頻牽引單元的傳感參數(shù)進(jìn)行在線綜合分析，在多傳感融合的基礎(chǔ)上，提供采煤機(jī)邏輯運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測與評估功能。

6 結(jié)束語

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)有高速發(fā)展，煤炭行業(yè)也在進(jìn)行跨越式的發(fā)展。通過2006年列入國家發(fā)改委“年產(chǎn)600萬t綜采成套裝備研制”項(xiàng)目，2009年1月啟動的國家863計(jì)劃“采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)”重點(diǎn)項(xiàng)目等，極大地推動了國產(chǎn)大功率采煤機(jī)的技術(shù)改革和創(chuàng)新。相信在以“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目為代表的一系列科技項(xiàng)目順利完成后，國產(chǎn)大功率、大采高采煤機(jī)將可以更好的為煤礦用戶服務(wù)，為建設(shè)年產(chǎn)千萬噸本安型煤礦作出更大的貢獻(xiàn)。

［1］ 馮涇若，楊健康，米朝陽．國內(nèi)外大功率厚煤層采煤機(jī)技術(shù)與發(fā)展動向［J］．煤礦開采，2007，(2)．

［2］ 馮涇若，伍麗婭，趙勛蓋．國內(nèi)外大功率厚煤層電牽引采煤機(jī)機(jī)電一體化新技術(shù)［J］．煤礦機(jī)電，2003，(6)．