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关于煤矿综机现状与发展趋势的研究
中国煤矿综合机械化，经过几十年的发展已有长足进步。就综合机械化的水平看，总体上已赶上或达到国际上上世纪九十年代初的水平。有些技术，如综采放顶煤开采技术还处于国际领先水平。目前，中国煤机自主开发、自主设计和制造的煤矿机电装备已经广泛地在中国各类煤矿中使用，成为中国煤矿工业技术装备的主体。同时，也在引进国外先进的技术和装备，这些都成为中国煤矿安全生产和高产高效矿井的建设提供了可靠的保证。 一、中国煤矿综机发展现状1.1 中国自主开发的综机装备 1.1.1 采煤机 上世纪八十年代，中国引进了德国、英国等采煤机生产技术，经过了技贸结合，合作生产到自主研制开 发等几个阶段，中国的煤机设计和制造部门已经能够自主制造适应中国不同的煤层条件的滚筒式采煤机 系列产品，并在九十年代中期初步完成了主导机型由液压牵引采煤机向电牵引采煤机升级换型的工作。 目前，中国煤机企业不仅能生产中、小功率的液压牵引采煤机（如MG-200、MG-375、AM500等）而且， 能够设计和制造出总装机功率在800～1200KW的各种型式的MG、MGTY、MWG系列电牵引采煤机。2000年兖 矿集团东滩矿使用了国产MGTY400/920-3.3D型电牵引采煤机和国产的ZFS6500/17.5/35型放顶煤支架和 SGZ960/750型重型刮板运输机，SZZ-100/44型带式输送机配套设备，取得了年生产原煤512.6万吨，工 作面效率达到246.2吨/工的优异成绩。 1.1.2 刮板运输机 1964年，中国自行设计和制造的第一台SGW-44型圆环链可弯曲刮板运输机，实现了工作面连续运输。七 十年代，由于煤矿大力发展机械化采煤的需要，促进了煤机企业投入更大力量研究新型的刮板运输机， 先后开发出SGW-150、180、250等产品。八十年代和九十年代，中国煤机行业吸收了国外先进设计思想 和工艺，不断提高刮板运输机的技术水平，特别是“八五一条龙”项目的实施，在国家经贸委和原煤炭 工业部的支持下，以技贸结合的方式，引进了JOY公司刮板运输机的设计与制造技术，并以此为核心， 对企业进行技术改造，实现了中国刮板运输机的设计和制造水平的快速发展，大幅度提升了中国刮板运 输机产品的技术含量和可靠性。目前中国煤机行业已经能够制造：功率从40KW到1400KW、槽宽由630至 1200mm，小时运量由100至2500吨，铺设长度由80至300m，中部槽过煤量由60至 800万吨的各种型号的 刮板运输机。特别是张家口煤机制造公司、西北奔牛集团公司（原西北煤机一厂）研制的SGZ系列重型 刮板运输机，最大装机功率已达1400KW，小时运量可达4000吨，铺设长度可达300m，中部槽的过煤量可 达800万吨以上，槽宽达1200mm，其主要技术指标已达到和接近国际先进水平。西北奔牛集团公司生产 的SGZ1000/1200和SGZ1200/1400重刮板运输机，2002年元月在兖州兴隆庄矿4326综放工作面分别作为前 、后部刮板运输机，取得了最高日产24047吨，最高月产631668吨，平均月产570532吨，平均工效313T/ 工的好成绩，满足年产600万吨工作面对刮板运输机的要求。 1.1.3 液压支架 中国煤机行业从六十年代末开始进行液压支架的研究和开发工作。七十年代，在原国务院领导同志关于 “引进、消化、吸收、提高”方针的指导下，和科研院所一起，共同研究国外液压支架的设计与制造技 术，并结合中国煤层地质条件的复杂性和多样性，和煤矿企业一起，先后研制了：适用于中厚煤层开采 的ZY、QY系列产品；适用于坚硬顶板的ZZ系列支架。随着放顶煤技术在煤矿推广应用，郑州煤机厂、北 京煤机厂和煤科总院北京开采所、太原分院及其他科研单位，又共同研制和开发了ZFS、ZFD系列放顶液 压支架产品；为适应厚煤层分层开采的实际需要，研制和开发了出ZZP、ZZPL、ZYP系列铺网支架等产品 。目前，以郑州煤机厂、北京开采所、太原分院和北京煤机厂为主要设计和制造力量的液压支架的科研 和制造企业已经能够根据中国煤矿企业的需要，设计和生产出支撑高度0.6~5m，工作阻力为1200- 10000KN，工作面倾角在30°～45°以下，移架速度在12～16s范围内的各种掩护式、支撑掩护式、放顶 煤和铺网液压支架。目前，国产液压支架在中国煤矿综采工作面液压支架总量的比例已达94%。 1.1.4 皮带运输机 中国生产制造的皮带运输机的品种和类型比较多，它不仅应用于煤矿和其他矿山企业，同时也广泛应用 于码头、电厂、冶金企业等。“八五”期间，由于国家一条龙“日产万吨综采设备”项目的实施，不仅 引进了相应的设计技术，煤机企业进行了重大的技术改造，使中国皮带运输机的设计理论和制造技术都 有了长足的进步。先后研制出了大倾角长距离、多点驱动的带式输送机和高产高效工作面顺槽伸缩式带 式输送机等系列产品，同时在许多关键技术环节上取得了突破。如研制出多种形式的软启动技术、PLC 可编程的电控装置，带可调速型液力耦合器的行星运输减速器及带速、温度、跑偏、烟雾、洒水等参数 的保护装置等。目前，中国能够自主设计和制造：运距～4000 m；带宽：500～1400 mm；带速2～4 m/s ；运量：400～2500吨/时；倾角：～25°；装机功率：～1500 KW的各种类型的井下及地面运输的皮带 运输机。 1.1.5 工作面供电 中国煤矿井下工作面供电电压经历了380V、660V、1140V的三个发展阶段，而且目前，中国绝大多数煤 矿井下工作面的供电电压仍然是1140V，并因此而配备了工作面供电设施和相应的装备，如移动变电站 ，高、低压开关电缆等。随着采煤机械化技术的发展，综采工作面设备装机容量的提高，1140V的供电 电压和相应的供、配电设备已经不能满足高产高效综采工作面的要求。“八五”期间，中国开始了“井 下采区3300伏供电系统”项目的研究工作，并取得了初步发展。1998年，国产的井下3300V采区供电系 统装备在晋城古书院矿进行工业性试验，获得比较满意的效果，同时，也暴露出不少问题，但经煤矿及 科研、制造单位共同努力下，到2003年已得到解决，当前采用3300V的供电系统已经成熟。 1.2. 引进的主要技术与装备情况 90年代以后，瞄准世界最新综采技术与装备，结合我国的几个主要矿区的煤层赋存条件，先后在兖州矿 区、晋城矿区、大同矿区，特别是神东矿区，引进有JOY及DBT等国际著名公司的大功率、高可靠性采煤机及液压支架、刮板运输机等单机或成套综采设备，并都产生了明显技术、经济效果。尤以神东矿区最 为突出，现以该矿区为重点进行阐述。 1.2.1技术经济指标创国内最高水平 自1997年以来，神东公司先后建成行业特级高产高效矿井7个。一井一面综采矿井四个，综采工作面所 使用的采煤机、液压支架、刮板运输机、转载机、破碎机、胶带输送机等配套泵站、电控等全部引进美 国JOY公司和德国DBT公司的最新产品。2001年，四支综采队平均单产585.78万吨，平均工效455.088吨/ 工，其中大柳塔煤矿，一综一连（连续采煤机）全年生产原煤934.59万吨，全员工效114.22吨/工。 1999年以来，刷新了煤炭行业七次新记录。即：每年煤炭产量递增1000万吨（1999年产原煤4770万 吨），发展速度世界领先；大柳塔煤矿一井一面生产原煤934万吨，在同类矿井中生产能力最大，世界领先；大柳塔煤矿综采工作面年产803万吨，世界领先；榆家梁煤矿不到10个月建成年产800万吨矿井， 建井速度世界领先；榆家梁煤矿吨煤投资49.35元，建设特大型矿井投资最少，世界领先；矿区主要生产矿井全部采用综合自动化控制技术，世界领先；百万吨死亡率0.026，安全生产国内领先，国际先进 。这些技术经济效果的取得是与引进国外先进综机技术与设备分不开的。1.2.2 “神东”公司引进的综机主要技术与设备 1.2.2.1 电牵引采煤机生产厂家：美国“JOY”公司 规格型号：6LS3，6LS5先以6LS5型的主要技术参数及特征说明如下： （1）采煤机使用条件：工作面采高： 2.5-5 m 煤层综合强度（MPa）：可切割1400Kg/cm2的岩层（即F14）（2）滚筒速度：15.3 m/min （3）生产能力：3480 t/h（4）采机尺寸及重量 摇臂水平对两滚筒中心距： 1315 mm过煤高度： 1070 mm 机体高度： 1943 mm总重： 75t （5）最大滚筒高度直径：Φ2.5m（6）总功率：1430 KW （7）牵引力：617 KW(8)有效截深：865 mm （9）截割部及滚筒寿命可达：500万吨（10）牵引速度：V=15m/min (11) 具有位置和速度的监控设备1.2.2.2 刮板运输机 生产厂家：德国“DBT”公司及美国JOY公司规格型号：2×700 KW 其主要技术参数及特征如下：（1）运输能力：2500 t/h （2）装机功率：1400 KW（3）总长度：255 m （4）总重量：约530 t（5）刮板类型：中双链42×146 mm （6）链速：1.28 m/s（7）链破断力：2300 KN （8）中部槽板尺寸：铸造槽帮钢尺寸L×W×H=1756×1000 (内边) ×341mm（JOY） =1756×1132×284 mm (DBT) (9)中板厚度：δ40 mm(10)链及刮板寿命：300–600万吨溜槽及中板过煤量：800万吨 （11）具有软启动系统和自动张紧装置。1.2.2.3 刮板转载机 型式：300KW、200KW、250KW、315KW。现以德国315KW为例，其主要技术参数和技术特征如下：（1）运输能力：3000 t/h （2）装机功率：315 KW（3）总长度： 30 m （4）溜槽尺寸：L×W×H=1500×1332×284 mm中板厚度：δ40 mm （5）链和链板型式：中双链34×126 mm（6）链速： 1.32 m/s （7）链破断力：1450 KN1.2.2.4 破碎机 型式：3.15 KW (美国JOY及德国DBT)（1）破碎方式：冲击式 （2）最大破碎能力：3300 t/h（3）总功率：315 KW （4）最大入料尺寸：1500×1500×X mm（5）最大物料硬度：2000 kg/cm2（F20） 1.2.2.5 顺槽胶带输送机有：3×315型澳大利亚ACE公司、2×400型英国FSW公司、3×315型美国LAD公司及BLT1400-3.5/3×375 美国LAD公司。 以BLT1400-3.5/3×375型为例的主要技术参数和特征如下：（1）运输能力：2500 t/h （2）带宽： 1400 mm（3）带速： V=3.5 m/s （4）总功率： 1125 KW（5）总长度：1600×3=4800 m （6）胶带：a.宽度：1400 mm b.横向抗拉强度：平均1930 KN/m2，最小1800 KN/m2。c.径向抗拉强度：平均630 KN/m2，最小350 KN/m2。 d.骨架结构：PVC固体编制结构带1+1 mm。整体PVC覆盖曾，上盖阻燃橡胶层。e.总厚度：16.5 mm，其中带体厚度11 mm。 （7）主要部件寿命：10年。1.2.2.6 液压支架 有：德国DBT公司产WS1.7型、2×3716KN型、2×4319KN型；美国JOY公司产2/7625KN型、2/8670KN型。现以德国DBT公司产2×4319KN液压支架为例，其主要技术参数和技术特征如下：（1）型式：两柱掩护式。 （2）型号：2×4319KN（3）使用数量：1500架（可布置262.5 m，实际使用144架，即252 m） （4）支护范围：2400~5000 mm（5）工作高度：4500 mm （6）中心距： 1750 mm（7）工作阻力：8638 KN（46.2 MPa） （8）初撑力： 5880KN （31.5 MPa, 等于工作阻力的68%）（9）立柱：双伸缩，大缸直径φ345 mm （10）底座：刚性（11）顶梁：带护帮板（可挑平）的正体顶梁 （12）侧护板：顶梁及掩护侧护板一侧液压操作可活动，而另一侧为焊接死侧护板，后连杆侧护板 两侧全为焊接死侧护板，后连杆间隙有密封板密封。（13）推移装置：反向安装推移千斤顶，行程900 mm，截深（步距）865 mm，缸径φ150 mm，杆径 φ100 mm，推力31.5 t，拉架力56.8 t （14）支护强度：106.5 t/m2。（15）带抬底座千斤顶，缸径φ110。 （16）支架控制：带采煤机红外线启动的支架电液控制PM4系统。（17）主进主回高压管为φ50 mm。 （18）重量：25 t（19）型式寿命试验按德国标准60000次。 其它配套泵站：电器、电控全套引进国外先进的技术与设备，其中在大柳塔煤矿创造了平均日产3万 吨的记录，即四班（每班6个小时）三运转，生产3个班，检修1个班，生产班在225 m长的工作面上，一 刀下来约1000 t煤。一个班割十刀，就是一万多吨，三个班三万吨，一年就是850~900万吨，属世界领 先水平。另外，晋城寺河煤矿也成套引进国外先进的综采设备，其采煤机是德国艾柯夫公司SL500交流电牵采煤 机。该机最大采高5.2 m，截深0.865 m，牵引速度0~31.8 m/min，供电电压3300伏，装机功率1715 KW ，控制系统采用世界先进的状态监测和故障诊断技术，具有自动化记忆功能。支架、刮板机、转载机、 破碎机从德国DBT公司引进。液压支架为二柱掩护式，支架高度2.55~5.5 m（过渡架高度为2.25~4.5 m ），中心距1.756 m工作阻力8638 KN，初支撑力5890 KN，支护强度0.91 MPa，重量28 t，采用先进的 PM4电液控制技术，可实现成组快速移架，移架速度6~8秒，并可通过采煤机红外线发射与支架上红外线 接收实现与采煤机联动。该套设备正在寺河煤矿成功运行。 以上是我国当前综机发展的基本情况。二、中国煤矿主要技术装备与国际先进水平的差距 国产的综采成套设备虽然已基本上能满足中国多数煤矿安全生产及高产高效（7000t/日）矿井建设 的需要，但和国际先进水平相比，和今后为实现中国煤矿的大型、高校及管理现代化的要求相比，仍然有较大的差距，而且比较集中的体现在设备的能力，可靠性和智能化方面。2.1 采煤机 国产采煤机与国外采煤机相比，主要有以下差距：技术性能方面突出表现为总装机功率偏低，切割能力较小。另外，可靠性方面和监控及保护系统方面都 存在不小的差距。具体可简化为下表说明： 序号 指标名称 国外采煤机 国产采煤机 差距 1 牵引方式 电牵引 液化牵引为主 国内电牵引 占30％左右 2 装机功率 1940kw(最大2200kw) 1200kw 为57% 3 截割功率 2×750(850)kw 2×500kw 为67% 4 牵引功率 2×110kw 2×55kw 为50% 5 最大牵引速度 54m/min 20m/min 为37% 6 滚筒截深 1000–1200mm,最大1500mm 800mm 为65% 7 滚筒转速 23–33转/min 28转/min 为85% 8 监控保护系统 智能化监控、监测、保护 简单监控、保护 落后8年 9 交流变频调速与控制专用变频器 通用变频器改造 落后5年 10 主要零部件寿命如齿轮和轴承 20000–30000小时 5000小时 为25％ 11 与整机无故障运行 12–18个月 平均6个月 为50％ 2.2 刮板运输机 近年来，中国刮板机生产企业在几次关键技术上取得了较大的突破，使得国产重型刮板运输机的技 术性能和整机运行可靠性等方面有了明显的提高，縮小了与国际同类产品的差距。但由于近几年国外刮板运输机在性能和可靠性快速发展，使其差距仍然不小，具体见下简表：序号 指标名称 国外刮板输送机 国产刮板输送机 差 距 1 运量 –5000t/h 200–2500t/h 为50% 2 使用长度 –430m 250–300m 为70% 3 装机功率 4×800kw 2×700kw 为44% 4 链条规格 ￠42–52m ￠38m 为93% 5 中部槽宽度 1000–1200mm 800–1200mm 为83%6 链速 1.3–1.54m/s 1.3m/s 为84% 7 整机过煤量 1200万吨 800万吨 为67%8 启动方式 CST软启动系统 调速耦合器 落后5年 9 整机系统监测 工况监控故障诊断 无 落后5年 2.3 液压支架 国产液压支架是中国综采工作面最主要的技术装备之一，也是国产综采工作面装备中生产量最大的产品 。专业煤机厂在90年代曾向印度出口了支撑掩护式ZZ7600/21/34强力支架，向俄罗斯出口了 ZY4800/26/50大采高支架及向土耳其出口了ZY4000/18/32、ZYD3800/18/32及过渡、端头高位放顶煤支 架等，并均取得较好的技术、经济效果。虽然，国产液压支架以其低廉的价格，同时又以较好的技术性 能满足了中国煤矿用户的基本要求而广受国内煤矿企业的欢迎和信赖，但与国际上液压支架先进水平相 比，与进一步发展中国高产高效矿井的要求相比较，仍有以下几方面明显的差距。 2.3.1设计理论与设计方法的差距2.3.1.1 支架与围岩相互作用机理的研究 国外相关的科研院所以液压支架制造商的研究开发中心对在复杂的受载条件下的力学特征，冲击载 荷对支架作用效应和内力计算方法等都有了新的理论和模拟计算方法，在中国包括专业研究所及制造商所属的研究机构则正在研究工作阶段。 2.3.1.2 在设计方法和手段方面 国外，从九十年代起已广泛采用三维仿真和光弹模拟技术，并通过建立液压支架的整体有限元模型 开发出计算机仿真软件系统对支架的受力进行分析，使支架设计与实际工况尽可能的相似，而中国目前上述技术正在研究阶段，对专业院所和专业制造商的研究机构也只对特殊支架，如国家重点攻关项目， 部分得采用这种技术而大批量常规设计并没有采用，如有限元分析及其软件的应用，在神东矿区引进的二柱强力6700～8600KN支架每种架型都作了详细的研究，因此，在同等条件和同样支架参数下的支架， 国外的支架重量要比国内轻12～18%。2.3.1.3 在支架的标准和试验要求方面 国际上发达国家对液压支架所使用的原材料主要工艺要求和关键部件在（如油缸、结构件）等都用 大量的标准加以规定，中国也相继制订了18项分项行业系列标准、企业标准，但要求都比较宽松，总体 讲低于国外标准。特别是液压支架通用技术条件，即整架试验规范中中国支架加载试验项目少，次数和要求较低。以耐久 试验为例：原MT312-92为8000次，后提高为MT312-2000为12000次，加试后为16000次。而印度标准为 35000次，美国要求45000次，德国要求60000次。又如，液压阀的耐久试验国内一般为50000次，国外一 般要求200000次；高压胶管压力循环试验，国内一般为150000次，国外达到250000～300000次。 2.3.2 操作与控制技术 由于多种因素的影响，国产液压支架采用手动操作，其移架速度为12～20秒，部分采用支架电液控制系 统的，如兖州兴隆庄矿600万吨高产高效工作面；铁法薄煤层都是引进国外的系统，中国自二十世纪九 十年代，北京、太原、上海专业煤研院所和郑州、北京等煤机厂都投入相当的物力、人力开发支架电液 控制系统，并通过了阶段性井下工业性试验。然而，其功能、准确度，特别是可靠性方面都不能实现批 量工业性生产的投入。至此，不得不采用引进的模式，满足中国高产高效矿井愈来愈发展的需求。目前 ，国外支架在液压控制技术上已配置故障诊断的预警装置，可实现液压支架和采煤机、刮板机的联动和 远程控制。 2.3.3 在制造工艺方面2.3.3.1 在深孔油缸加工工艺方面 a.缸径：国外已达到Φ400～Φ500mm 中国目前最大为Φ320mmb.工艺方法：国外对Φ200以内深孔为实现10m长一次加工，并根据需要切割而成。 中国目前最长为3m 国外可采用热镦技术加工油缸，即把金属加热至比流动状态低50～100℃时，用万吨水压机沿轴向反复镦冲加工。成型的缸筒有完整的缸底（不需再焊），同时对缸口一般扩孔成型，给缸口加工创造条件。国内基本上采用推镗珩磨或滚压加工缸筒而后焊接缸底的工艺方法，当然国外也有相当一部分与中国采用的传统方法一致。c.加工精度 国外一般比国内高一到二级。2.3.3.2 在结构件加工工艺方面 由于国外支架的结构件选材已普遍使用优质板，其屈服强度σs=70～110kg/mm2，因此，采用预热后 用高强度氩弧焊接施焊，焊后再进行回火工序。为了减少数控钢板的下料变形，多采用水下切割技术。同时，钢板本身的综合性能也高于中国。 中国目前选用钢板的屈服强度最高为σs=80kg/mm2，大量采用σs=40～60kg/mm2级别，采用CO2气体保 护焊接。国外对大批量定型结构采用机器人焊接，提高效率，保证质量，减少工人的体力劳动。 2.3.3.3 在阀类的加工技术方面 国外基本采用不锈钢材质，在加工中心和数控机床上完成零件的各道加工工艺过程，而且能自动测试。 特别是在阀的测试方面具有独立的多台阀试验台，并能自动由计算机控制，表示和打印出各种参数及测 试结果。 关于大型箱体加工，如采煤机机壳，早在上世纪八十年代就已经采用“FMS”即柔性加工系统。国外先进液压支架与国内液压支架主要技术指标对比详见下表： 序号 指标名称 国外液压支架 国内液压支架 差距 备 注1 支架工作阻力 14000KN （二柱） 6400KN （二柱） 为46% ZY6400/12/28用于兖州，寺河引进为8800KN 2 支架支护强度 1.4～1.5MPa 0.95～1.05MPa 为67% 国内大同用ZZ9900KN支护强度 为1.0MPa 3 支架最大高度 6m 5m 为83% 大同用ZZ9900及出口俄罗斯ZY4800 5m高，大同 ZZ9900间距为1.75m 4 架间距 1.75～2.0m 1.5m，个别1.75m 为86% 大同ZZ9900间距为1.75m 5 移架速度 8～10秒 15～20秒空载测定可达12秒 为53% 兖州ZFS6800引进国外电液控为14秒6 供液方式 环形供液 多为单回路供液 落后5年 只有兖州ZFS6800为双回路供液 7 进回液胶管 进液Φ60～Φ65，回液Φ72 进液Φ32～Φ38，回液Φ50 为 63% 兖州600万吨“十五”攻关项目为Φ38～Φ518 控制系统 电液控制系统 手动操作 落5～7年 国内正采用的5套电液控都是引进的9 液体过滤精度 25μm 150μm 为17% 今后发展电液控支架，精度必须提高10 立柱缸径 Φ480 Φ320 为67% 国内Φ360则刚刚研制 11 阀加工精度及材质部分采用无密封配合柱塞式结构。不锈钢材质 全部有密封 结构，用合金钢及碳钢 落后5～7年 少数支架如开滦，采用不锈钢 12 密封件材质及结构 高分子复合材料，内软外硬，补偿能力强 以橡胶为主，部分聚胺酯，多为蕾形及鼓形 落后5～7年 高分复合材料国内正在研制 13 大流量安全阀 机械式1000升/分用得很多，并采用3000升/分阀 大量用100升/分，少量用200升/分 为20% 原大同TZ10000支架用10000升/分充气，现国外已不采用。 14 密封件寿命复合聚胺酯寿命大于5年 橡胶及聚胺酯寿命3年 为60% 已发展聚胺酯但性能不稳定 15 结构件材质 Bs=110kg/mm2 Bs=70～80 kg/mm2 68% 国内主要仍为16Mn， 部分高强度占30%～50 16 试验标准 德国近60000次 MT312-2000新标最多30000次 50% 中国出口支架达到4～5万次 17 支架寿命即可靠性 大安全富余度，高可靠性 8年，部分10年 67% 从出煤量看 ，国外可出煤总量为5000万～7000万，国内为2000万～4000万 《DBT材质》 1 铸件 GS-18NiM0Cr36 σb=780～930N/mm2 σs=780～930N/mm2 δs=12% AK=40J GS-24Mn650V GS-GradeⅡ σs=700N/mm2 σb=800～1000N/mm2 σs≥700N/mm2 δs≥10% AK=41J 2 棒料 42GrM04V σb=800～1000N/mm2 (980～1180N/mm2) σs=635N/mm2 (765N/mm2)3 板材 XSCrNi134V St70 St52-3 σb=1150N/mm2 σs≥885N/mm2 σs=700N/mm2 σs=520N/mm2 三、中国煤矿机械主要技术装备（特别是液压支架）发展趋势及建议 根据“在新世纪、新阶段，发展要有新思路，改革要有新突破，开放要有新局面”的指导思想，中 国煤机行业应该抓住当前的大好时机，充分发挥自己的主动性，在实事求是地总结中国煤矿主要技术装备几十年发展进程中的成功经验和失败教训的基础上，紧紧围绕中国煤炭工业的发展方向和高产高效矿 井建设的实际需要，瞄准国际先进水平，找准差距，注重引进与吸收国外先进的步伐，尽可能快、尽可能好地将国际上机电一体化、智能化、自动化的控制技术、产品可靠性技术、数字集成技术与计算机辅 助技术应用于中国煤矿主要技术装备上。为达此目标，近期要重点解决下列关键性技术问题：3.1. 全面提高综采工作面主要技术装备的性能指标和系统运行的可靠性，为高产高效矿井建设与 发展提供有效的技术保障。 研究并开发出拥有自主知识产权的液压支架电液控制系统，实现液压支架运动过程的自动控制或程 序控制，使液压支架与采煤机、刮板机联动。液压支架的移架速度≤10秒，支架耐久性试验≥3.5万次 ，液压支架大修周期间的产煤量≥800～1000万吨，或无故障运行12～18个月。 开发交流电牵引采煤机的“一拖一”、四象限运行及DTC直接扭矩控制技术；开发采煤机专用的变频调 速器、采煤机运行参数监测、故障显示和预警系统，实现采煤机的自动控制，并全面提升采煤机的性能 指标，使采煤机总装机功率≥1500～1800KW，截深达800～1000mm，牵引速度≥25m/分。 研制和开发长运距、大运量、高可靠性、带有自动紧链装置和运行工况监测、故障预警系统的刮板 输送机成套设备，其主要性能指标达到：运量2500～3000t/h，运距≥250～300m，过煤量≥800～1000 万吨，装机总功率2×800～1000KW，并能和架间支架联动。 研制带有可调速软启动装置和功率平衡装置的顺槽皮带运输机，其主要性能指标达到：带宽≥1.2～ 1.4m，带速4～5m/s，运量4000吨/h，装机功率可达1500KW，并具有自动监测和故障预警系统。 开发3.3 KV的工作面供电系统，其具体指标应达到：移动变电站容量≥1600KVA～2500KVA；组合开 关；8个控制回路；研制综采工作面的配套设施，包括：大功率的3 KV的电动机，3.3 KV的供电电缆及 相应的控制、监测系统等产品。 通过上述新产品的开发，使中国新型的综采工作面装备具有日产2～3万吨，年产600～800万吨的能力， 达到或接近国际先进水平。 3.2 以提高日产6000～10000吨综采工作面主要技术装备的可靠性和运行效能为主要目标，大力推 广应用已开发成功的新技术、新工艺，满足中国不同煤矿生产发展的需要。由于煤层地质条件等因素的限制，中国许多煤矿迫切需要煤机行业为其提供可靠性高，运行效果好的中 档综采工作面装备。为实现这一目标，各煤机企业必须组织力量，把目前国内已开发成功的新技术、新 工艺尽快地应用到中等功率的采煤机、刮板机、皮带运输机和液压支架的设计和制造。 3.3 液压支架技术与装备的发展思路和建议3.3.1液压支架技术发展方向 3.3.1.1设计理论与设计方法要进一步研究复杂条件下支架与围岩的相互作用机理，支架在复杂条件下的力学特征，冲击载荷对支架 的作用效应和内力计算方法，要进一步研究现代设计理论在支架设计中的应用。开展动态参数优化设计 /参数化/智能化设计方法的研究，应用CAD技术成果，开发三维设计软件系统实现支架的运动学和动力 学仿真。 3.3.1.2大工作阻力、高可靠性随着高产高效矿井建设的不断发展，对综采设备生产能力和可靠性要求越来越高，支架向着大配套、大 工作阻力、高可靠性方向发展。自2001年起将强制执行新MT312-2000《液压支架通用技术条件》，对支 架的强度和耐久性的试验要求显著提高，这必将促进液压支架可靠性提高。 3.3.1.3材料的升级换代中国的液压支架长期以来一直广泛采用16Mn钢板，σs =320～350MPa。随着液压支架工作阻力和可靠性 要求的提高，支架重量在不断提高，给运输和搬家造成困难，因此，支架结构制造用材料的升级换代已 势在必行。主要材料将以=450～800MPa级的不同等级低合金钢结构逐步取代16Mn。材料升级换代的同时 ，要使制造工艺实现全面的技术进步。 从引进设备国产化及产品出口发展看：还应着眼于研究和开发900～1000 MPa优质钢板的新品种及其 工艺研究。3.3.1.4新架型新结构 架型继续向着简化结构提高可靠性的方向发展，一次采全高普通支架向两柱掩护式发展，并将进一 步扩大使用范围；放顶煤支架将继续向四柱式的方向发展，根据其适用条件的不同，将继续发展多种结构形式的放顶煤支架；综采的适用范围将不断扩大，薄煤层支架、大倾角支架等不同用途的支架将不断 发展新结构；适用端头支护技术发展，特别是铺网支护下新型端头支架和过渡支架等特殊支架也将有较大的发展。3.3.1.5当务之急是加快发展支架电液控制技术 早在20世纪80年代初，发达采煤国家已开发并把支架电液控制技术应用到井下，为减人提效和推出 高产高效采煤工作面创造了条件。中国八十年代到九十年代初，北京开采所、上海煤研分院、太原煤研分院及郑州、北京等煤机厂都相继开发和研究这一技术，但都没能获得在井下投入可靠性运行的水平。 近四年来，铁法矿务局薄煤层、兖州矿区放顶煤采用引进电液控制系统组装在本国设计和制造的支架上已经获得成功。开滦钱家营煤矿、西山矿务局、晋城矿务局等也在按上述模式装备电液控制支架，2004 年大同矿务局、沈阳局红阳三矿也装备和正在装备薄煤层自动化支架电液控制系统的设备。因此，研究和开发具有自主知识产权和支架电液控制系统已经摆在中国的面前。在引进国外先进技术的基础上，有 国内科研院所及支架制造专业厂的共同合作及努力下，相信在支架电液控制技术方面，在3～5年内就会有一个突破。3.3.1.6大流量控制与电液控制 在推广发展支架电液控制系统的同时，大流量手动控制系统仍将进一步得到发展，400升/min大流量 控制系统将广泛使用，提高元件的可靠性是一项重要任务。3.3.2新型液压支架的发展方向 3.3.2.1发展薄煤层支架近年来，先后为平顶山、华蓥山、邢台、开滦、淄博等矿区应用了ZY1800/05/14、ZY2200/06/17、 ZY2400/10/20、ZY2600/10/22、ZY2800/10/23等多种薄煤层支架，在支架结构设计上进行了一些创新， 支架使用效果显著改善，受到用户的欢迎。 3.3.2.2中厚煤层和大采高支架 近年来研制开发了几十种中厚煤层支架，在提高支架结构可靠性和完善支架性能方面进行了技术创新。 如ZY6200/13.5/28型掩护支架就是一种新研制的高可靠性支架，用于兖州济宁2号矿高产高效工作面。 近年来研制的多种4～5m大采高支架如ZZ6000/25/50、ZZ6400/24/47在铁法、双鸭山、沈阳等矿区均取 得成功。ZZ990/29.5/50、ZY6400/18/38分别在兖州和大同矿区投入运行，效果良好。特别是随着引进 支架国产化的进程，还研究和开发ZY8000/22/45及ZY9600/24/50的两柱掩护式高可靠性的大采高支架。 放顶煤支架可分为3大类：一类是顶梁四连杆大插板低位放顶煤支架；二类是掩护梁正四连杆低位放 顶煤支架；三类是小配套紧凑型放顶煤支架。A．顶梁四连杆大插板低位放顶煤支架 ZF4800/17/28H型放顶煤支架是反向四连杆大插板低位放顶煤支架，与其它架型相比，这种支架主要 的优点是：①稳定型好；②连杆力小（可减小30%～50%）；③后部放煤空间大，尤其适合硬煤放顶煤，可显著提高放顶效率和回收率；④底座对底板比压分布合理，移架顺利；⑤前后立柱工作阻力较均衡， 结构紧凑。这种架型目前已在阳泉、靖远、铜川、韩城、淮南、大屯、徐州、龙口、华亭、陕西、宁夏等矿区推广 使用4000多架，30多个工作面，取得重大经济效益和社会效益。从发展看顶梁正四连杆支架 ZF4000/18/28将会有更大的发展潜力，该支架在阳泉二矿将投入使用。 B.正四连杆新型高效放顶煤支架 这种支架采用以兖矿集团“九五”和“十五”攻关项目的ZFS6200/18/35和ZFS6800/18/35支架为代表。 这种支架采用正四连杆机构，大配套和较大的机采高度，保证了后部有较大的放煤空间，支架行人 通道宽敞。这种支架是目前中国国内高产高效放煤工作面的主导架型之一。C.小配套紧凑型放顶煤支架 为适应小煤矿厚煤层开采需要，已开发研制了单摆式和正四连杆两个系列的小配套紧凑型放顶煤支 架系列。单摆杆式放顶煤支架自1991年首次问世，经过十几年的发展，ZFS3300/17/28型放顶煤支架是 四连杆式小配套紧凑型放顶煤支架。2001年研制成功，在淄博、邢台、兰花等矿区已推出10多套，受到了用户的广泛欢迎。该类支架适用于矿压较小，倾角<20°的煤层地质条件。四、中国当前煤矿工作面成套采煤设备市场现状 中国国内制造的煤矿机械市场(采煤机，运输机，液压支架和掘进机及配件和维修) 营业额在2003 年达到95亿元人民币 (11.5亿美元)。同时从三家西方供应商 (JOY，DBT 和EICHHOOF) 进口16 亿元人 民币的长壁采煤设备及配件和技术服务约占10%。 应当注意到下面列出的国内设备市场的数字包括目前销往国外的设备( 目前估计占总额的5%或少于5%。 ) 但不包括国外市场的增长，如果售后服务作好，还有很大的增长潜力。 4.1 液压支架 (市场规模 27 亿人民币，+10%)： 液压支架的寿命取决于质量和维护，一般为5 -8 年。2003年有824个综采工作面，每年更新110套，每年要新增70 套.平均每个支架的价格为 175，000 元人民币，每个典型总采工作面需要140 架。4.2 单体液压支柱 (市场规模5 亿人民币，+10% ) ： 需要量每年 400，000个，其寿命平均3 年 。 4.3 采煤机 (市场规模 10 亿人民币，+10%) ：每年需要300台包括更新和市场的增长需求.其寿命 可达5 年，但切割滚筒每两年必须更换，采煤机必须每年大修一次。每台单机的平均价格约为330 万人 民币 ( 40万美元)。4.4 掘进机 (市场规模 10 亿人民币，+10% ) ： 作为开挖和掘进机械化的主要设备，掘进机主要用 于煤巷掘进。目前需要量每年500 台(佳木斯厂每年卖给煤炭系统120台。) 在总需要量中一半来自煤炭 系统，一半来自其他采矿业.其寿命平均5年，但和采煤机一样，切割滚筒必须每两年更换一次.平均价 格每台200万人民币。 4.5 铠装运输机 (市场规模 34 亿人民币，+10% ) ：重型运输机每年更新需要量估计为16 亿人民 币，新添的需要量为8 亿人民币.正常维护条件下设备寿命平均为两年。平均每年销往每个矿井的销售 额为450万人民币。4.7 皮带运输机 (市场规模 48 亿人民币，+10% ) ： 综合计械化和部分机械化矿井 的年需要量估计 为32 亿人民币，其他的需要量每年约为16 亿人民币.中国有许多皮带运输机的生产厂，我们目前认为 没有必要包括在我们的成套设备方案之中。 4.8 井下配电站，泵站和其他附属件 (市场规模 10 亿人民币，+10% )： 年销售量估计为10 亿人 民币。综合设备需求部分中对长壁采煤设备的需求，由国际采矿设备公司提供的估计为95 亿元人民币( 11.5 亿美元)，约为整个国内采煤设备市场144亿人民币( 11.5 亿美元) 的60%。 通过上述中国国内煤矿工作面重点技术装备应用的现状和发展趋势的分析，我们可以看出：中国煤机行业已有一个良好的技术基础，正处在引进、消化国外先进技术和设备向独立自主地在综采设备的关键技术方面进行研制与开发的转轨时期。我们必须从现在起紧紧抓住这个关键时期，将我国煤机行业的研究、开发和生产企业的主力军整合在一起，把分散的力量集中在一起，将目前国际上的先进综采技术和设备作为我们的起点，以中国巨大的煤矿市场作为我们飞快壮大的坚强后盾，紧紧围绕提高煤矿技术装备的技术性能、可靠性和加快机电一体化、智能化步伐等重点，加快缩短与国外技术与设备的差距，加快推进自身的技术创新与技术进步工作的力度，实现跨越发展。同时，也将有利于保证和促进中国煤矿高产高效矿井的建设和发展，并带动中等综采工作面设备水平及技术的提高。
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