第35卷第11期 2010年
11月
煤 炭 学 报J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETY
V o. l 35 N o . 11 N ov .
2010
文章编号:0253-9993(2010) 11-1815-06
我国综合机械化掘进技术发展40a
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40a 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:TD823 97 文献标志码:A
The 40years develop m ental revie w of the fully mechanized
m i ne roadway head i ng technology i n Chi na
WANG H ong
(China Coal Tec hn ology and E ng i n ee ring Group Cor pora tion, B eiji ng 100013, Ch i na )
Abst ract :Revie w ed the deve l o p m ent course o f China fu lly m echan ized m i n e r oadw ay head i n g in the passed 40years and summ arized the present stat u s of t h e fu ll y m echan ized coal m i n e roadw ay heading techno logy and equ ip m ent in
China . Summ arized the proble m s ex isted i n the f u ll y m echan ized m ine roadw ay head i n g techno logy and equipm ent in China underground m ines and po i n ted out that the factorsm ainly o f the ti m e to set up the suppor, t the dust control eff-i ciency at the head i n g face , the co mponent reliab ility and t h e auto m atic control techno logy w ould restrict the m i n e road -w ay headi n g speed . In co m parison w ith the overseas , analyzed the gap o f the cutting techno l o gy , the co m ponent re liab i-l ity , auto m atic control technology , the dust contr o l syste m and the syste m m atc h i n g technology of the do m estic roadhead -er . F i n ally prov ided the deve l o p m ent orientati o n of t h e boo m type roadheader and the fully m echan ized m i n e roadw ay heading technology i n China , it is i m prov ing the flex i b ility of t h e co m p leted m ach i n e and expanding the applicati o n scope , hav i n g the f u nda m ental techn i c al research , i m prov i n g the applicati o n perfor m ances o f the co m ponents and deve-l op i n g the m atch i n g techno l o gy of the fully m echan ized m ine roadw ay head i n g syste m.
K ey w ords :fully m echan ized m ine roadw ay head i n g techno logy ; boo m type r oadheader ; m atching 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
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 e:l 010-84262628, E -m ai:l w anghong @ccteg cn
世纪后期, 我国成功开发和推广使用锚杆支护技术
[2]
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AM 50、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1311台。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50~350k W 、机重在18~135t 系列掘进机的自主研制能力。
[4]
, 使掘进机掘进技术适应性大大加强, 推动了我
[3]
国综掘技术与配套装备的快速发展。
1 煤矿巷道综掘技术发展概况
1 1 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、EL M B -55、E M 1A -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
表1 技贸结合机型主要参数
T ab l e 1 Th e m ai n para m eters of the co mb i nat i on of techno l ogy and trade roadhead er s
型 号AM 50S100
断面/m2
20 322 0
截割硬度/MPa
60 60
机重/t2428
总功率/kW
163145
截割功率/kW
100100/60
适应坡度/( )
16 2 16 0
外形尺寸(长 宽 高) 7 5m 1 91m 1 65m 8 3m 2 5m 1 8m
表2 我国自主研发的几种代表机型的主要参数T ab le 2 Th e m ai n para m eter s of s ome roadh eaders by China
机 型最大截割断面/m2可截割硬度/M Pa
机重/t总功率/kW 截割功率/kW 适应坡度/( ) 系统压力/M Pa 外形尺寸(长 宽 高)
EB J-120TP
[**************]61 55m
EB J-160
[**************]61 50m
EB H [***********]6252 50m
S150J 238044 6205150/801616
9 0m 2 8m
1 8m
EBZ200H
[**************]31 9m
EB H [***********]6252 45m
8 60m 2 10m 10 95m 2 70m 12 95m 3 08m 11 5m 3 2m 12 28m 3 20m
1 2 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, 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
2
板条件复杂, 巷道断面22 4 5 5m 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
[5]
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315k W, 机重135, t 最大可掘高度5 8m, 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21m 的全岩巷道掘进中, 月进尺达到175m 。
(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]
2
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, 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 M 20掘锚机组为第一类。我国于2003最早引进AB M 20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1200m 。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。
[8]
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。
1 3 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50m 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2000m, 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50m 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20m, 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]
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Si O 2含量>10%时, 总粉尘浓度不得超过2mg /m。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
[11]
条件多变, 掘进机截割时, 截割头载荷复杂, 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]
3[10]
, 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1380m 。
(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,
1818
煤 炭 学 报
组。
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84 15%, 工作面单产达到每月53474, t 但综掘机发展较慢, 综掘率仅由1980年的1 71%增加到2008年的36 85%
[13]
(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。4 2 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。4 2 1 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, 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。
4 2 2 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][15]
, 采掘工作面比例(采/掘) 近几年一直
维持在1 3 1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。
[14]
、高压
水辅助截割技术, 提高自动化程度和改进支护方式
图1 原国有重点煤矿综采率、综掘率对比F i g 1 T he com par ison o f full y m echan ized m i ning and
f u lly m echaniza tion excavati on from the
o ri g ina l state key coa lm i nes
。这种截齿在截割f =8
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10t 增加到135, t 截割功率也由20k W 增加到350k W 以上。4 1 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Co l o rado School ofM i n es 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
[18-19]
力, 而且还可以延长截割头的寿命。另外, 澳大利亚B risbane 的采掘技术与设备中心(C MTE ) 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,
第11期王 虹:我国综合机械化掘进技术发展40a
1819
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。
4 2 3 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。
4 2 4 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。
4 3 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Tab l e 3 Th e nor m al high efficiency op erating line
for roadway excavation
配套设备
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
特点及适应范围
适用于单巷掘进, 适应范围广, 掘锚不能平行作业
求。
4 3 2 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。4 3 3 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现其机载集成。
[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
5 结 语
经过40a 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:
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作业线二:掘进机机载锚杆机、
适用于单巷掘进, 适应范围广,
桥式转载机、带式输送机、机载
有利于提高支护效率
除尘设备
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
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
4 3 1 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
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第35卷第11期 2010年
11月
煤 炭 学 报J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETY
V o. l 35 N o . 11 N ov .
2010
文章编号:0253-9993(2010) 11-1815-06
我国综合机械化掘进技术发展40a
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40a 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:TD823 97 文献标志码:A
The 40years develop m ental revie w of the fully mechanized
m i ne roadway head i ng technology i n Chi na
WANG H ong
(China Coal Tec hn ology and E ng i n ee ring Group Cor pora tion, B eiji ng 100013, Ch i na )
Abst ract :Revie w ed the deve l o p m ent course o f China fu lly m echan ized m i n e r oadw ay head i n g in the passed 40years and summ arized the present stat u s of t h e fu ll y m echan ized coal m i n e roadw ay heading techno logy and equ ip m ent in
China . Summ arized the proble m s ex isted i n the f u ll y m echan ized m ine roadw ay head i n g techno logy and equipm ent in China underground m ines and po i n ted out that the factorsm ainly o f the ti m e to set up the suppor, t the dust control eff-i ciency at the head i n g face , the co mponent reliab ility and t h e auto m atic control techno logy w ould restrict the m i n e road -w ay headi n g speed . In co m parison w ith the overseas , analyzed the gap o f the cutting techno l o gy , the co m ponent re liab i-l ity , auto m atic control technology , the dust contr o l syste m and the syste m m atc h i n g technology of the do m estic roadhead -er . F i n ally prov ided the deve l o p m ent orientati o n of t h e boo m type roadheader and the fully m echan ized m i n e roadw ay heading technology i n China , it is i m prov ing the flex i b ility of t h e co m p leted m ach i n e and expanding the applicati o n scope , hav i n g the f u nda m ental techn i c al research , i m prov i n g the applicati o n perfor m ances o f the co m ponents and deve-l op i n g the m atch i n g techno l o gy of the fully m echan ized m ine roadw ay head i n g syste m.
K ey w ords :fully m echan ized m ine roadw ay head i n g techno logy ; boo m type r oadheader ; m atching 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
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 e:l 010-84262628, E -m ai:l w anghong @ccteg cn
世纪后期, 我国成功开发和推广使用锚杆支护技术
[2]
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AM 50、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1311台。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50~350k W 、机重在18~135t 系列掘进机的自主研制能力。
[4]
, 使掘进机掘进技术适应性大大加强, 推动了我
[3]
国综掘技术与配套装备的快速发展。
1 煤矿巷道综掘技术发展概况
1 1 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、EL M B -55、E M 1A -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
表1 技贸结合机型主要参数
T ab l e 1 Th e m ai n para m eters of the co mb i nat i on of techno l ogy and trade roadhead er s
型 号AM 50S100
断面/m2
20 322 0
截割硬度/MPa
60 60
机重/t2428
总功率/kW
163145
截割功率/kW
100100/60
适应坡度/( )
16 2 16 0
外形尺寸(长 宽 高) 7 5m 1 91m 1 65m 8 3m 2 5m 1 8m
表2 我国自主研发的几种代表机型的主要参数T ab le 2 Th e m ai n para m eter s of s ome roadh eaders by China
机 型最大截割断面/m2可截割硬度/M Pa
机重/t总功率/kW 截割功率/kW 适应坡度/( ) 系统压力/M Pa 外形尺寸(长 宽 高)
EB J-120TP
[**************]61 55m
EB J-160
[**************]61 50m
EB H [***********]6252 50m
S150J 238044 6205150/801616
9 0m 2 8m
1 8m
EBZ200H
[**************]31 9m
EB H [***********]6252 45m
8 60m 2 10m 10 95m 2 70m 12 95m 3 08m 11 5m 3 2m 12 28m 3 20m
1 2 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, 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
2
板条件复杂, 巷道断面22 4 5 5m 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
[5]
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315k W, 机重135, t 最大可掘高度5 8m, 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21m 的全岩巷道掘进中, 月进尺达到175m 。
(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]
2
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, 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 M 20掘锚机组为第一类。我国于2003最早引进AB M 20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1200m 。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。
[8]
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。
1 3 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50m 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2000m, 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50m 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20m, 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]
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Si O 2含量>10%时, 总粉尘浓度不得超过2mg /m。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
[11]
条件多变, 掘进机截割时, 截割头载荷复杂, 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]
3[10]
, 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1380m 。
(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,
1818
煤 炭 学 报
组。
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84 15%, 工作面单产达到每月53474, t 但综掘机发展较慢, 综掘率仅由1980年的1 71%增加到2008年的36 85%
[13]
(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。4 2 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。4 2 1 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, 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。
4 2 2 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][15]
, 采掘工作面比例(采/掘) 近几年一直
维持在1 3 1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。
[14]
、高压
水辅助截割技术, 提高自动化程度和改进支护方式
图1 原国有重点煤矿综采率、综掘率对比F i g 1 T he com par ison o f full y m echan ized m i ning and
f u lly m echaniza tion excavati on from the
o ri g ina l state key coa lm i nes
。这种截齿在截割f =8
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10t 增加到135, t 截割功率也由20k W 增加到350k W 以上。4 1 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Co l o rado School ofM i n es 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
[18-19]
力, 而且还可以延长截割头的寿命。另外, 澳大利亚B risbane 的采掘技术与设备中心(C MTE ) 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,
第11期王 虹:我国综合机械化掘进技术发展40a
1819
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。
4 2 3 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。
4 2 4 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。
4 3 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Tab l e 3 Th e nor m al high efficiency op erating line
for roadway excavation
配套设备
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
特点及适应范围
适用于单巷掘进, 适应范围广, 掘锚不能平行作业
求。
4 3 2 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。4 3 3 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现其机载集成。
[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
5 结 语
经过40a 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:
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作业线二:掘进机机载锚杆机、
适用于单巷掘进, 适应范围广,
桥式转载机、带式输送机、机载
有利于提高支护效率
除尘设备
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
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
4 3 1 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
1820
煤 炭 学 报
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