從專利角度看我國煤礦液壓支護技術發展

耿 謙

(國家知識產權局專利局，北京 100088)

液壓支護設備可用來實現采煤工作面、巷道等的臨時支護，是煤礦機械成套化設備的重要組成部分。多年以來，我國的液壓支護設備從靠國外進口逐步發展成自主研發，并且開始向國外出口，取得了不俗的發展成果[1]。本文從液壓支護設備的相關專利申請情況入手，梳理我國液壓支護設備的技術發展脈絡，對技術發展的熱點和難點進行分析，給中國的液壓支護設備生產企業的技術研發提供參考。

1 液壓支護設備的技術構成與申請趨勢

1.1 技術構成

液壓支護設備包括液壓支架、液壓支柱和頂梁，液壓支架一般用于綜采工作面，液壓支柱通常與頂梁配合用于一般機械化采煤工作面，或為綜采工作面端頭或掘進頭做臨時支護[2]。隨著煤礦機械的自動化程度越來越高，我國開始越來越多地使用液壓支架。根據對液壓支架相關專利申請的研究可以發現，相關申請主要集中在整體結構、支護裝置、控制、輔助裝置和前移機構幾個領域。對整體結構的創新可以滿足不同煤礦的需要，支護裝置作為支撐的重要部件也是研究的熱點，控制對于提高整個液壓支架的可靠性和自動化是至關重要的，一些輔助的裝置，例如噴霧裝置、防倒防滑裝置、互幫裝置等的作用也不容小覷，對前移機構的改進可以使前移更方便可靠。

1.2 專利申請趨勢

通過對煤礦機械液壓支護設備的各分類領域進行檢索，獲取相關中國專利申請數據，液壓支護設備領域主要部件專利申請量統計如圖1所示。經過統計分析可以看出，雖然液壓支架的占比最高，但液壓支柱所占比重仍然較高，這是由于我國尚有一些煤礦未實現綜采，還需要使用大量的液壓支柱。隨著技術進步，液壓支柱應用將會逐步減少、液壓支架的應用將會越來越多。近些年來，液壓支架進一步發展出大采高液壓支架、放頂煤液壓支架、大傾角液壓支架、薄煤層液壓支架等多個技術分支，而從所獲得的專利數據來看，液壓支架整體結構的申請量所占比例偏大，我國液壓支架的發展還處在對架型的改進階段，對核心部件的改進不多，對其中比較重要的控制技術的改進也相對不足[3]。從對相關專利文獻的內容分析結果來看，對控制方法的改進占比較高，對控制部件的改進則較少。液壓支護設備領域主要部件專利申請趨勢如圖2所示，從申請量上來看，液壓支護設備領域各技術分支的中國專利申請量從04年開始快速增長，其中，除頂梁外，液壓支架和液壓支柱的逐年增長速度都很快，尤其是液壓支架，隨著液壓支架的大規模應用，申請量增加明顯，雖然近年略有波動，但每年申請量仍然在200件以上。

圖2 液壓支護設備領域主要部件專利申請趨勢

2 液壓支架的技術需求與功效

2.1 看液壓支架技術需求

在液壓支護設備的各技術分支中，液壓支架作為成套開采的主要設備，在市場上占有很大比重，是煤礦綜采工作面中不可缺少的配套設備，是保證綜合機械化采煤工作面安全的關鍵[4]。液壓支架移架速度快，并且能夠充分支護頂板、推動工作面設備前移，可以有效提高采煤效率[5]。液壓支架專利申請數據分析如圖3所示，從液壓支架的專利申請數據分析中可以看出，在2004年之后，我國對液壓支架的研發開始持續增長，并且專利申請主要集中在液壓支架的整體結構和控制兩個主要領域，煤礦機械企業已經意識到液壓支架的控制系統與控制方法是制約我國煤礦開采技術可持續發展的瓶頸，因此已經著力開展相關技術的研究，并且從專利申請的情況來看，已經取得了一定的進展。

圖3 液壓支架專利申請數據分析

2.2 液壓支架技術功效

在中國專利申請中，液壓支架的自動化、可靠性都是申請人最關注的，液壓支架專利技術與功效矩陣如圖4所示，這也能夠解釋為何隨著技術的發展，創新主體對煤礦液壓支架的控制領域的研發越來越多。隨著液壓支架的發展以及中國煤炭產量的不斷增長，企業對高強度和大型化的液壓支架的需求也逐漸增多，我國對于自動化和可靠性的要求相對其他國家來說更加突出[6，7]。

圖4 液壓支架專利技術與功效矩陣

從對我國專利申請的分析來看，對整體結構的改進主要是為了滿足可靠性、高強度、大型化的需求，而對控制系統的改進主要是為了滿足自動化和可靠性的要求[8]。對于我國企業來說，控制領域的研究既是一個熱點，也是一個難點，這是因為我國在控制領域的整體研究基礎比較薄弱，尤其是控制系統的核心部件領域較西方先進國家有一定差距，但是不在控制領域有所突破，我國就很難實現煤礦開采的自動化和智能化。為了進一步增強我國煤礦井下機械設備的智能化水平[9]，引導煤礦企業向高效和綠色化的方向發展，煤礦機械控制技術的研究需要繼續作為我國煤礦機械領域研究的重中之重[10]。

3 液壓支架技術發展路線

我國煤礦開始實施綜采的時間并不長，對大傾角長壁綜采和液壓支架進行了研究，形成了大傾角支架防倒防滑、安全防護和端頭錨固等新結構和新技術，液壓支架作為綜采的主要設備，不僅需求量大，技術上也更有代表性[11]。

通過對專利數據的篩選，初步整理出液壓支架的發展技術路線，并選擇具有代表性的一些專利申請進行說明，液壓支架技術發展路線如圖5所示。發展綜采液壓支架以來，從普通的液壓支架開始，最初是從對液壓支架的尾梁、伸縮梁和材料改進入手，隨后對液壓支架的架型改進、大采高支架以及三級護幫支架展開了研究[12]，在意識到電液控制是提高液壓支架水平的重要因素之后，開始對液壓支架的電液控制進行自主研發，加速電液控制的國產化，近些年則進一步對大采高液壓支架[13]進行研究[14]，并且初步嘗試煤礦機械的成套化。通過專利數據獲取的技術路線可以看出，除了對液壓支架不斷進行改善外，未來對液壓支架的自動化控制[15]，以及液壓支架的成套化是以后煤機企業的發展趨勢。

圖5 液壓支架技術發展路線

4 結論及建議

液壓支護設備是煤礦機械成套化設備的重要組成部分，我國的液壓支護設備從靠國外進口逐步發展成自主研發，并且逐步向國外出口，發展速度很快。液壓支護設備涉及的技術較多，包括機械、電液控制、通信多個領域，其發展也受到全球整體技術發展的影響。從專利申請來看，隨著我國液壓支護設備研發的不斷投入，申請量不斷提升，并且隨著電液控制的發展，研發重心在從整體結構的研究逐漸向大型化和自動化方向轉移。從專利申請的具體內容來看，未來的液壓支架技術應該以進一步提高效率和可靠性為目標，可靠性、高強度、自動化、大型化是未來的發展重點，大型化或者高強度的液壓支架需要專門設計其控制系統，前移機構的設計需要考慮自動化和可靠性；整體結構的架型改進需要適應大型化、高強度的應用，支護裝置的可靠性是其需要考慮的重點，要從保證它的高強度的角度考慮。從這些突破點入手，作為我國煤礦開采的主要設備，液壓支護設備的研發將會取得長足的進步，全面實現煤炭開采的全面現代化。