煤礦綜采工作面快速搬家成套裝備及其可靠性分析

張福祥

（1.太原理工大學 礦業工程學院， 山西 太原 030024； 2.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

關健詞： 煤礦綜采工作面； 快速搬家； 可靠性； 無軌膠輪車

0 引言

目前國內現代化煤炭礦井超過70%采用綜合機械化采煤[1]。 綜采工作面搬家期間處于完全停產狀態，搬家時間的時長是影響煤炭產量的一項重要因素。 因此快速搬家的研究一直是煤礦和煤機裝備制造企業高度重視的一項工作。

現階段國外和國內煤礦綜采工作面搬家設備形式基本相當，主要分為單軌吊、卡軌車、齒軌車和無軌膠輪車四個大類。 傳統的綜采工作面搬家時間大約需要50天左右，而無軌膠輪車快速搬家時間大約7 天左右。 我國從20 世紀90 年代開始逐步引進重型搬家設備[2-3]，隨著無軌膠輪車在煤礦的廣泛應用，目前大型化煤礦礦井的綜采工作面搬家普遍采用了無軌膠輪車的快速成套裝備。

煤礦綜采工作面快速搬家成套裝備的可靠性直接決定了綜采工作面搬家的安全性和效率， 已成為制約綜采工作面安全和搬家速度的重要因素。 本文以無軌膠輪車快速搬家成套裝備為研究對象， 通過分析成套裝備的任務和組成， 從單機裝備可靠性和使用可靠性2 個方面進行成套裝備可靠性的研究。

1 綜采工作面介紹及主要設備組成

綜采工作面一般是指綜合機械化回采工作面， 上世紀70 年代， 我國采煤方法及其工藝進入了第三個階段， 開始推行綜合機械化采煤，實現了落煤、裝煤、運煤、支護和放頂的綜合機械化[4]。

隨著采煤裝備和信息化技術的發展，綜采工作面正在由機械化逐步向自動化、智能化方向的升級，以實現煤炭工業高質量發展的要求[5]。特別是近幾年，智能化工作面的建設開始快速推進。 2020 年，國家發展改革委、國家能源局、應急部、國家煤礦安監局、工業和信息化部、財政部、科技部、教育部研究制定了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》。 意見的發布，加快了煤礦智能化水平提升的步伐，智能化綜采工作面首當其沖，各省市根據意見要求進一步明確了智能化工作面的建設規劃。

綜采工作面設備通常主要包括“三機”及其附屬設備。其中，“三機”分別為采煤機、刮板輸送機和自移式液壓支架。隨著煤礦采煤技術的不斷提高，工作面“三機”正在不斷向重型化發展。 智能化綜采工作面又增加了工作面集中控制系統、工作面視頻監控系統、支架和采煤機等設備姿態測系統等多項智能化設備。

2 無軌膠輪車快速搬家成套裝備

綜采工作面目前主要的設備包括： 采煤機、 液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、移變、智能化設備等[6]。

根據以上物料運輸和安撤需求， 目前主流的無軌膠輪車快速搬家成套裝備（以下簡稱“快速搬家成套裝備”）包括：框架式支架搬運車、鏟板式支架搬運車、蓄電池鏟板車、輕型材料車等，其噸位、配置數量和主要工作任務詳見表1。

表1 快速搬家成套裝備配置

3 快速搬家成套裝備可靠性

根據可靠性“三定”的規則，將快速搬家成套裝備的可靠性定義為在規定的礦井搬家條件下和規定的搬家時間內完成規定的搬家任務的能力。 快速搬家成套裝備可靠性可以反映在兩方面：單機裝備可靠性和使用可靠性。

單機設備固有可靠性， 是指快速搬家成套裝備中每種設備在設計、制造中賦予的一種固有特性。 它是成套裝備可靠性的基礎。單機設備主要包括動力系統、機架組件、傳動系統、電氣控制系統、液壓系統、啟動系統、輔助駕駛系統等部分組成，每個系統的可靠性直接決定了單機設備的可靠性。

使用可靠性， 是指快速搬家成套裝備在煤礦井下實際使用過程中表現出的搬運保持能力的特性， 它除了考慮單機設備的固有可靠性， 還要考慮在井下操作使用和維修保障等方面的因素。 煤礦井下地質條件復雜，路面、環境多變，司機和維修人員整體素質不一。諸多因素都要求快速搬家成套裝備現場的使用、維護都需要強化。

基于上述分析， 將快速搬家成套裝備可靠性的指標體系分為防爆柴油機系統可靠性、蓄電池系統可靠性、鋰電池系統可靠性、機械傳動系統可靠性、液力傳動系統可靠性、液壓系統可靠性、電氣系統可靠性、智能化系統可靠性、系統使用可靠性9 個方面，具體指標見表2。

表2 快速搬家成套裝備可靠性的指標體系

4 快速搬家成套裝備可靠性提升研究方向

4.1 防爆柴油機系統可靠性

國Ⅱ以下防爆柴油機在國內發展已趨于成熟， 受限于煤礦使用環境及防爆要求， 當前最大的問題是尾氣污染問題。 因此，2018 年國家煤礦安監局關于發布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄（第四批）的通知中明確禁用排氣標準在國Ⅱ以下的防爆柴油機， 使用國Ⅲ標準以上產品替代。對標地面非道路排放標準，煤礦防爆柴油機排氣標準必將進一步提高， 升級為國Ⅳ甚至于更高的要求。 因此，防爆柴油機系統可靠性主要從以下方面突破：①柴油機周邊防爆系統結構優化和工藝控制技術； ②電控燃油噴射系統MAP 圖優化、ECU 和傳感器等硬件可靠性提升； ③DOC、EGR、DPF、SCR 等尾氣凈化技術防爆改造可靠性技術研究。

4.2 蓄電池系統可靠性

鉛酸蓄電池目前主要應用于煤礦重型搬運車輛，電池一般采用快換結構，使用相對穩定，單臺配置3 塊電池（1 用1 充1 冷卻）[7]，需要專業團隊進行電池維護，工作量較大。 因此，蓄電池系統可靠性主要從以下方面突破：①蓄電池本身可靠性提升研究；②電池免維護技術研究；③快速充電技術研究。

4.3 鋰電池系統可靠性

鋰離子蓄電池目前主要應用于煤礦運人和輕型運料車，應用推廣的主要問題是安全問題和續航里程[8-9]。 因此，鋰離子蓄電池系統可靠性主要從以下方面突破：①鋰離子蓄電池本身可靠性提升研究；②鋰離子蓄電池防爆輕量化技術研究；③鋰離子蓄電池管理系統優化研究；④快速安全充電技術研究。

4.4 系統使用可靠性

國內綜采工作面快速搬家無軌膠輪車，經過20 余年的國產應用，設備技術已趨于穩定，搬家工藝不斷優化。因此，系統使用可靠性主要從以下方面突破：①綜采工作面快速搬家工藝技術研究；②裝備大型化研究；③售后配件儲備和維修技術研究；④產品定期保養技術研究。

5 結論

（1）根據快速搬家成套裝備特點，將可靠性的指標分為防爆柴油機系統可靠性、蓄電池系統可靠性、鋰電池系統可靠性、機械傳動系統可靠性、液力傳動系統可靠性、液壓系統可靠性、電氣系統可靠性、智能化系統可靠性、系統使用可靠性9 個方面，確定了具體指標項。

（2）從防爆柴油機系統可靠性、蓄電池系統可靠性、鋰電池系統可靠性、系統使用可靠性四個方面分析了提高快速搬家成套裝備可靠性需要突破的技術和研究的方向。