煤炭機械裝備國內外技術現狀及發展展望

綜述

煤炭機械裝備國內外技術現狀及發展展望

申寶宏，雷毅，劉見中，宋雪飛

(中國煤炭科工集團有限公司，北京100013)

[摘要]綜述了30多年特別是近10年以來，我國在礦井建設、巷道掘進、綜采設備、輔助運輸、露天開采、煤炭洗選等方面的裝備研發取得重要突破，但設備能力、可靠性、智能化和信息化等指標偏低，技術水平落后于國際同行近10年；分析了國內煤機產業發展現狀及趨勢；提出了國內急需攻克機械化鑿井裝備、巷道高效快速掘進支護技術裝備、工作面裝備智能化控制系統、薄煤層機械化開采裝備、大功率設備軟啟動技術與裝備、多功能低污染無軌輔助運輸裝備、大型露天煤礦成套裝備、智能化高效分選技術裝備方面的核心技術。

[關鍵詞]煤機裝備；技術現狀；發展展望

[中圖分類號]TD41/45[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-07-21

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.001

[基金項目]國家高技術研究發展計劃(863計劃)課題：綜采智能控制技術與裝備(2013AA06A410)

[作者簡介]申寶宏(1956-)，男，安徽鳳陽人，研究員，博士生導師，現任中國煤炭科工集團副總工程師兼科技發展部部長。

Current State and Development Prospect of Domestic and

Overseas Coal Machinery Equipment

SHEN Bao-hong, LEI Yi, LIU Jian-zhong, SONG Xue-fei

(China Coal Technical & Engineering Group, Beijing 100013, China)

Abstract:Equipments research and development in mine construction, roadway driving, full-mechanized mining equipment, auxiliary transportation, surface mining and coal washing of China has made important progress in recent 30 years, especially recent 10 years.But some indices including equipment ability, reliability, intelligentization and informatization has 10 years' technical gap from international level.Development state and tendency of domestic coal machinery industry was analyzed.Key technologies needed to be overcome for China was put forward which include mechanized shaft sinking equipments, high-efficiency and fast driving and supporting equipments, intelligent control system for mining face, mechanized mining equipments for thin coal-seam, soft-start technology and equipment with large power, multi-function and low-pollution trackless transportation equipment, large surface mine equipments, intelligent and high-efficiency washing equipment.

Keywords:coal machinery equipment; technical state; development prospect

[引用格式]申寶宏，雷毅，劉見中，等.煤炭機械裝備國內外技術現狀及發展展望[J].煤礦開采，2015，20(1)：1-4.

我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，2013年煤炭產量或超3.7Gt，約占世界煤炭產量的50%。煤炭工業的發展帶動了煤機裝備制造業的迅速發展，煤機裝備制造業也對提升煤炭工業競爭力和生產力水平發揮了重要作用。近30年來，通過引進、消化、吸收和再創新，我國重大煤機裝備水平顯著提高，自主創新能力顯著增強，與國外先進水平差距不斷縮小，部分裝備達到國際領先或先進水平。但我國煤機裝備總體水平仍然較低，在設備能力、可靠性、使用壽命、技術先進性等方面亟待進一步提升。

1煤機裝備國外技術水平現狀

當今發達國家煤機制造企業正向跨國、大型和多元化方向發展，經過不斷兼并和收購，國際上逐漸形成了德國德伯特(DBT)公司和美國久益國際(JOY)公司等占壟斷地位的煤機制造企業，其產品供應美國、澳大利亞和南非等世界主要產煤國，并出口到我國。國外先進煤機裝備在大功率、高強度、耐磨損、耐腐蝕、高可靠性等方面具有明顯優勢。

(1)設備能力方面國外煤機裝備不斷向大功率、高強度方向發展。國外采煤機最大裝機功率近3000kW，其中單截割功率1100kW，單牽引功率200kW，采用690V級交流變頻調速，最大牽引速度達到30m/min以上，最大開采高度達到7m，設備生產能力達到了5000t/h以上。國外長距離、大運量、高帶速大型帶式輸送機已成為發展的主要方向，最大運距大于20km，最大運量大于0.02Mt/h，最大帶速大于10m/s。國外掘進機采用多功能集成技術、自動控制技術、記憶截割技術、長壓短抽的混合通風除塵技術等先進技術，極大地提高了掘進安全性，實現了巖石硬度f≤10全巖巷的高效、快速、經濟掘進，月進尺達到150m以上。美、英、德、澳等國選煤裝備滿足年產10Mt及以上特大型選煤廠的要求，年生產運行時間在6000h以上。

(2)設備可靠性方面國外煤機裝備在穩定性、可靠性、長壽命方面具有明顯優勢。國產采煤機的齒輪壽命和軸承壽命僅為5000h，而國外采煤機齒輪和軸承壽命已分別提高到20000h和30000h以上，達國內同類產品的4倍以上。采煤機整機大修周期達到10Mt過煤量，行走系統大修周期5Mt過煤量，遠超國內同類產品。國外重型輸送機減速器大修前無故障使用時間通常在過煤3～4Mt以上，鏈輪、鏈條大修前的無故障使用時間可達過煤2～3Mt。國產重型刮板輸送機的減速器、鏈輪、鏈條大修前的無故障使用時間為過煤1～3Mt。國產液壓支架耐久性試驗次數一般為8000～10000次，而國外企業則要求支架耐久性試驗在35000次以上，國內安全閥、操縱閥等主要液壓元件的耐久性試驗一般要求為5000次，而國外要求20000次以上。

(3)技術先進性方面國外煤機裝備在自動化、智能化控制等方面具有先進性。先進采煤國家的礦山數字化主要從開采過程的自動化、智能化入手，以求最大限度改善礦工的勞動條件，提高開采效率。采煤機電控系統應用嵌入式計算機及工業網絡技術，結合先進的傳感與信號處理技術，實現高性能運行控制、與配套設備的自動協同控制、故障自診斷、自動記憶截割和遠程監控功能。開發應用了帶式輸送機動態分析技術，為帶式輸送機的起、停、張緊的控制提供了依據，優化了輸送機的運行性能，同時也開展了軟啟動、軟制動和動態張緊等裝備的研制。

2煤機裝備國內技術水平

改革開放30多年特別是近10年以來，我國煤機裝備取得了長足進展，在礦井建設、巷道掘進、綜采設備、輔助運輸、露天開采、煤炭洗選等方面的裝備研發取得了重要突破。但目前我國煤機裝備仍總體落后于國際先進水平，裝備可靠性、智能化和信息化等指標偏低，相當于國際同行業2005年左右的水平，相差近10年。

(1)礦井建設和巷道掘進方面我國形成適合不同地層條件，覆蓋不同類型礦山豎井、斜井工程配套的鉆井裝備體系，豎井鉆機達到國際領先水平，反井鉆機達到國際先進水平，千米深井鑿井技術及裝備施工最大立井深度1300m，5m大直徑反井鉆井技術及裝備施工井筒最大深度562m，但機械化鑿井技術總體水平仍低于國際先進水平。研制的掘進機的截割功率達到300kW以上，可以滿足巖石硬度f≤10的全巖巷道掘進，具有了離機遙控、截割斷面監視和故障診斷等功能，但在破巖能力、破巖效率、適應性及可靠性方面還存在一定的差距。研制成功煤巷大斷面掘錨聯合機組，具備一次截割成形的高效截割技術和機載全液壓導軌式錨桿機技術。

(2)綜采裝備方面主要設備已基本替代進口。我國電牽引采煤機形成了割煤高度0.8～7m、適應傾角0～60°、總裝機功率最大達2700kW的系列產品，牽引速度超過20m/min，最大落煤能力達6000t/h。自主研發了支護高度0.5～7.2m、工作阻力2000～17000kN、支架寬度最寬2.05m、立柱缸徑最大500mm、適應傾角0～60°等500多種不同類型與支護參數的系列化液壓支架。自主研發了最大中部槽槽寬1400mm、最大中部槽長度2050mm、最大裝機功率3×1500kW的刮板輸送機；最大槽寬1600mm，最大裝機功率700kW的轉載機；最大破碎能力6000t/h、裝機功率700kW的破碎機。研制成功的7m厚煤層大采高綜采成套技術與裝備，適應煤層厚度3～6m，工作面年產量達到10.25Mt，創造了新記錄。研發成功的14~20m特厚煤層大采高綜放開采成套技術與裝備在大同塔山礦年產煤10.391Mt，刷新綜放工作面年產世界記錄。研發成功國內首套裝機功率最大、開采高度最高、生產效率最高的綜采工作面智能化成套裝備，在陜煤集團紅柳林煤礦成功應用。

(3)礦井運輸方面研發的煤礦帶式輸送機帶寬可達2m，運力達4500t/h，固定膠帶機帶速可達6m/s，單條運輸距離達6000m以上，保證了單一工作面年產10.0Mt的運力要求。在煤礦輔助運輸裝備方面，我國已成功自主開發出鏟板式支架搬運車類、框架式支架搬運車類、多功能作業車類、輔助運輸與施工類4個大類近20余種煤礦綜采工作面快速搬家使用的特種車輛，搬運能力已達80t，多項產品達到國際領先、國際先進水平。

(4)短壁開采裝備方面我國自主研發的短壁機械化連續系統設備與工藝總體達到國際先進水平，并相繼研制出XZ系列履帶行走式液壓支架、LY 系列連續運輸系統、CMM 系列四臂錨桿鉆車、GP 系列給料破碎機、WD13 梭車、CLX3 鏟車和 EBH/J-132型掘采一體機、EML340 連續采煤機等，目前已經具備生產成套短壁機械化開采裝備的能力。

(5)露天開采裝備方面從成套水平上看，從年產500×104t級發展到1000×104t級和2000×104t級，發展迅猛。但裝備的研發制造主要集中在小型及輔助設備，如礦用挖掘機、自卸卡車、鉆機等設備。而大型電鏟、卡車等設備市場份額小，關鍵部件仍然依賴進口。同時國內的工程技術研究設計、加工制造水平相對落后，產品在關鍵零部件技術性能、智能化水平、成套設備的配套性、工作可靠性和使用壽命等方面仍落后于國際先進水平。

(6)煤炭洗選裝備方面年產4.0Mt選煤成套裝備實現了國產化。自行研發的重介質旋流器選煤工藝技術國際領先，直徑達1.5m、處理能力550～650t/h；SKT型跳汰機國際先進，面積達36m2、處理能力500～600t/h；XJM-S型浮選機技術國際先進，容積達45m3，處理能力1000～1200m3/h；3000t/h分級破碎機基本替代了進口；寬度3.0～3.6m的香蕉篩、直徑1.2～1.4m離心機已研制成功；加壓過濾機智能化控制取得一定進展；快速隔膜壓濾機國際領先。選煤自動化水平低，全廠啟停車基本實現集中控制，但生產工藝參數自動控制不足20%；大型設備可靠性低，僅有70%。

3國內煤機產業發展現狀及趨勢

煤機市場需求主要由新開工礦井的生產需求、在用設備的更新、機械化開采率提高帶來的技術改造需求以及零配件更新維護等4個需求因素驅動。近年來煤機產值不斷增長，2010年為879億元，2011年為1121億元，2012年為1346億元，中國煤機市場規模占全國機械行業20%左右。目前到“十二五”末煤機市場容量超過2000億元。預計2020年我國煤炭產量將超過4.8Gt，比2013年增加1.1Gt，若按新建礦井噸煤平均投入1000元計算，煤炭工業新增投資將超過10000億元。若按70%屬于固定資產投資、煤炭機械設備投資占其中的50%概算，新增產能需要的煤機裝備投資約為3500億元；同時設備更新改造規模可望達到1500億元。兩者相加，煤機裝備制造業目前到2020年的市場份額將達到5000億元。目前國內煤礦主要采用國內煤礦機械設備，因為價格具競爭力、質量與技術水平不斷提升，并能提供及時服務，因此我國煤機裝備制造業前景可期。

為適應煤炭工業安全、高效、綠色的發展需求，提高煤機裝備技術先進性和市場競爭力，未來煤機裝備的發展呈現以下趨勢：

(1)設備大型化、成套化煤炭開發重心向西部轉移，為滿足安全高效的需求，需要研發針對西部條件下煤礦高產高效集約化生產的大功率、高強度裝備，包括年產10Mt以上厚煤層綜采成套技術裝備、年產1.5～2.0Mt薄煤層自動化綜采成套技術裝備、年產1.0Mt以上短壁綜采成套技術裝備、巷道快速綜掘成套技術裝備以及年產10Mt煤炭洗選大型成套技術裝備研制等，進而提高我國煤機行業技術水平的同時，為我國能源安全提供有力保障。同時煤機應由“單機”制造轉向“成套裝備”，提高產品彼此之間的配套能力，以此提升煤機制造業競爭能力。

(2)設備高可靠性、長壽命由于原材料、關鍵部件，如軸承、密封、機電、電氣元件、液壓元部件等在使用壽命和可靠性上都存在較大的差距，這些問題嚴重影響了整機產品的可靠性和使用壽命，急需改進制造工藝技術，改善加工設備。

(3)設備自動化、智能化未來煤機裝備除安全高效和高可靠性外，高度自動化、具有很強適應性、能遠程控制是重要趨勢。國內部分礦井已實現了綜合自動化，在3DGIS、無人開采、企業管理ERP等方面進行有益的嘗試，并取得了部分成果，但是目前數字化礦山建設還處于初級階段。

4急需突破的核心技術

目前，國產煤機裝備與國際領先水平相比存在的差距主要有：產品技術標準差距較大，產品設計理論落后，軟啟動等核心技術尚未完全掌握，產品使用壽命短、可靠性差，產品制造工藝、檢測手段和加工設備較落后。需要繼續突破的核心技術包括：

(1)礦井建設機械化鑿井裝備開展泥漿排渣豎井鉆井、反井鉆井、反井正鉆鉆井、無鉆桿全斷面鉆井、下溜渣全斷面鉆井、上排渣全斷面鉆井裝備的研制。

(2)巷道高效快速掘進支護技術裝備突破煤巷快速掘進、支護、粉塵防治和超前探測等關鍵技術，開發煤巷快速掘進成套技術與裝備。開發掘進支護同步作業技術與裝備、基于新型破巖機理的巖巷掘進技術與裝備、掘進超前探測技術等關鍵技術，形成井巷掘進生產智能化體系，實現巖石巷道的快速掘進。

(3)工作面裝備智能化控制系統以云計算、物聯網、3D虛擬現實技術為核心，重點攻克采煤機的煤巖界面識別技術、采煤機空間姿態定位技術、基于視覺感知的控制技術、設備故障自診斷及早期故障預警技術、機器人人工智能技術、高速圖像識別技術、三維可視化控制技術、自動化系統可靠性技術，打造基礎信息數字化、生產過程虛擬化、管理控制一體化、決策處理集成化的數字化礦井平臺，建立礦井數字化生產系統，最終實現在礦井生產作業現場無人化，達到安全高效生產。

(4)薄煤層機械化開采裝備研發0.6m薄煤層全自動化開采裝備，包括單滾筒大功率矮機身采煤機、刨運機、刨煤機、螺旋鉆采煤機，以及矮槽幫刮板輸送機，超大伸縮比薄煤層自動控制液壓支架等。攻克有效過煤空間與低矮機身協調設計技術、采煤機高效裝煤技術、刮板輸送機高耐磨中部槽新材料等關鍵技術及難題，適應薄煤層工作面自動化開采，實現支護、落煤、裝煤和運輸的自動化，工作面巷道和地面集中控制。

(5)大功率設備軟啟動技術與裝備通過引進消化吸收再創新，對空間受限環境下的高壓變頻器主電路、隔爆封閉空間內的電力電子器件散熱、高壓防爆變頻器小型化設計、深部礦井變頻器冷卻水等關鍵技術的研究。突破循環圓為650mm的特大功率閥控調速型液力偶合器(覆蓋功率范圍：1200～2000kW)的開發技術，突破大功率永磁耦合傳動技術，研制開發700kW以上的大功率永磁耦合軟起動裝置。

(6)多功能低污染無軌輔助運輸裝備隨著我國煤礦廣泛采用防爆柴油機無軌膠輪車，在使用中逐步暴露出一些問題，需要開展薄煤層用無軌輔助運輸車輛，防爆電噴柴油機發動機，發動機高效尾氣處理，防爆電驅動車輛，防爆大容量、高能量密度電池及其管理，以及整車可靠性及故障診斷技術研究。

(7)大型露天煤礦成套裝備加快單斗-自移式破碎機半連續開采工藝系統關鍵技術的研究，包括自移式破碎機、移動式轉載機、半固定式轉載機、大型排土機、大型可移置式帶式輸送機、管狀帶式輸送機、大型露天運輸車等其關鍵裝備的核心技術研究。攻克各單元設備關鍵部件的設計與試制，研制達到國際先進水平的大型露天煤礦全電驅動半連續開采成套裝備。

(8)煤炭智能化高效分選技術裝備集成開發灰水熱實時檢測儀器儀表，研發機電一體化大型重介、跳汰、浮選等分選設備，構建自動化生產和信息化管理技術平臺，實現生產工藝參數智能化控制；突破大型振動部件穩靜結構設計、高離心因數轉鼓制造工藝等關鍵技術，提高振動篩、離心機等大型裝備可靠性，全面提升國產裝備大型化、自動化、節能技術水平。

5結束語

通過強化技術裝備研發，提高自主創新能力，我國煤機裝備科技創新成果豐碩，采掘重大技術裝備基本實現了國產化，為煤炭安全高效潔凈開采提供了重要技術裝備支撐。與此同時，煤機裝備領域仍然要實施創新驅動發展戰略，加快裝備現代化建設進程，爭取在設備能力、可靠性、智能化水平等方面取得重要突破，到2020年形成完整的煤礦裝備制造體系，總體達到國際先進水平。

[參考文獻]

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[責任編輯：鄒正立]