大功率采煤机的应用及技术发展展望

葛红兵

(天地科技股份有限公司上海分公司,上海 200030)

大功率采煤机的应用及技术发展展望

葛红兵

(天地科技股份有限公司上海分公司,上海 200030)

阐述了为适应大型煤矿建设需要,采煤机功率配置变化,大功率采煤机已作为煤矿高效开采的主要设备。介绍了大功率电牵引采煤机国内外当前应用情况,分析了国内大功率采煤机在总体技术、结构设计与传动技术、电气系统性能方面的差距及其今后发展趋势。

采煤机;对比分析;发展趋势

当前,国家大力发展大型煤矿建设,作为煤矿开采的核心设备之一的采煤机也迎来了一轮新的发展机遇和挑战[1]。2006年国内使用进口大功率采煤机的综采工作面,最高单产已超过 10Mt/a。截止目前,据不完全统计,国内各大煤矿先后引进国外大功率采煤机 (按装机功率 1600kW以上)30台以上,而自 2005年起始,国内各主要采煤机制造公司共生产大功率采煤机 30台以上。随着全球煤矿开采装备技术水平及产能的不断提高,国内煤矿综合机械化开采水平也有长足发展。为满足大型煤矿基地的生产需要,大功率采煤机于 2004年列入国家科技部项目“4～5m厚煤层综采关键技术与成套装备”的子项,2006年列入国家发改委项目“年产 600万吨综采成套装备研制”的子项,目前已结项。大功率采煤机作为煤矿井下高效开采方法的主要设备,对其结构、性能、参数等提出了越来越高的要求。对于大功率采煤机,这里指的是总装机功率在 1600kW以上的电牵引采煤机。

1 国内外大功率采煤机的应用

目前能提供系列大功率采煤机的国外公司有德国 Eickhoff公司、美国 JOY公司、美国 Bucyrus公司 (收购德国 DBT公司)等;国内有天地科技上海分公司、国际煤机 (收购鸡西煤矿机械有限公司)、西安煤矿机械有限公司、太原矿山机械制造有限公司等。

各采煤机供应商已开发出近 15种机型供市场选择,表 1所示为国内外典型大功率采煤机主要技术参数,除此之外,还有 Eickhoff公司的 SL750型;JOY的 7LS6型;天地科技 MG750/1815型、MG900/2215型;西安的 MG650/1630型、MG900/2210型等典型机型。

目前,国内各大煤炭生产基地普遍采用大功率采煤机对 4.5～6.5m煤层进行一次采全高安全高效开采。生产能力普遍能达到日产 15～30kt[2]。

作为国家发改委项目 “年产 600万吨综采成套装备研制”的子项的工业性试验地点,神华集团金烽公司昌汉沟煤矿采用天地科技上海分公司生产的MG750/1815-G WD型采煤机。715103工作面基本情况为,煤层平均厚 4.8m,采高 4.3m,工作面走向长 2032m,倾斜长 300m,倾角 1～3°,2007年 6月份产量 620kt,7月份产量 670kt,8月份产量 740kt,最高日产 33kt,平均工效达到 160t/工,接近国际引进综采机组的先进水平。特别是2008年在矿井主运输改造后,产能得到释放,该机组创造了最高日产 46kt,最高月产 1.08Mt,年产 10.15Mt的国产设备最好纪录。表 2为该工作面 配套情况。

表1 国内外大功率采煤机主要技术参数对比

表2 配套设备及技术特征

2006年,美国著名的二十英里矿 (The Twentymile longwall coal mine)某工作面,采高 2.6～2.9m,工作面长度 305m,走向 3.6～4.5km,最大工作面倾角 10°,埋深 300～400m。主运胶带带宽1.8m,运量 5000t/h,带速 4m/s。采用 EL3000采煤机,配 U2000行走系统,截深 900mm,行走速度 40m/min,平均产能 2700t/h,达到日产最高46340t。

2008年,神华集团神东公司某工作面采高 1.5～2.0m,平均采高 1.8m,通过应用自动化技术,达到平均日产 9310t,日产最高 9730t,月产最高300kt。采用的采煤机为美国 JOY公司 7LS1A型,装机功率 1162kW,截割功率 2×480kW,牵引功率 2×90kW,泵站功率 2×11kW,截深 1m,牵引速度 0～22～32m/min。

此外,对于 6m以上特厚煤层,神东矿区配置进口机组一次采全高达到 6.5m,而神宁集团配置国产设备,采煤机采用天地科技MG900/2245型,一次采全高达到 6.0m,摇臂首次故障过煤量达4.2Mt。目前,神东矿区正积极攻关一次采全高近7m的工作面开采,需配置更大功率采煤机。

2 国内外大功率采煤机对比分析

与目前国外最先进的大功率采煤机相比,国内大功率采煤机在总体技术、结构设计与传动技术、电气系统性能方面尚有一定差距[3]。

2.1 总体技术

国外大功率采煤机总体技术,目前处于行业国际领先地位。与之相比,国内大功率采煤机在整机结构、性能、参数及可靠性、先进性、适应性等方面都存在一定的差距。表 3显示了在总体参数、结构、可靠性等方面的主要指标对比。

表3 大功率采煤机配置主要指标对比

2.2 结构设计与传动技术

国内采煤机某些关键部件的适应性、可靠性还有待完善和提高,尤其是壳体材料强度、齿轮传动制造技术、电机制造技术、密封结构可靠性等。

2.3 交流变频电牵引技术

目前采煤机变频调速系统已从一拖二 (1台变频器拖动 2台电动机)发展到一拖一 (2台变频器分别拖动 2台电动机)。1999～2001年国家科技部“电牵引采煤机四象限运行变频调速及控制系统”项目的完成,使我国能量回馈型四象限运行的交流变频电牵引采煤机技术处在国际领先地位。

JOY电牵引采煤机牵引功率已达 2×150kW,变频器电压 575V。Eickhoff电牵引采煤机牵引功率已达 2×150kW,变频器电压 460V。目前国内电牵引采煤机牵引功率已达 2×125kW,在研 2×150kW,变频器电压 380V。国内交流变频电牵引采煤机自动调速技术都已相当成熟,能够实现额定转速以下恒扭矩调速,额定转速以上恒功率调速,及 2台变频器之间的主从控制和转矩平衡。

2.4 电气控制系统及自动化技术

随着电子科技的进步,国内外大功率采煤机都对控制系统进行了升级。但是与进口机组相比,国产采煤机在主控制技术、工况检测和故障诊断技术、远程通讯和集中控制技术、少人工作面控制技术等方面仍有较大差距。国产电气控制系统可实现的功能有：截割电机恒功率控制;牵引电机负荷控制;各电机及变频调速箱温度显示和热保护;变频调速系统超频、过载、过流、短路及漏电保护;简单的电气系统的故障诊断等。此外,在电控防爆箱体的结构布置、元件的体积控制、连线布置等细节方面也有着明显的差距。

(1)采煤机主控制系统 近年来,美国 JOY公司的 7LS、德国 Eickhoff公司的 SL500等采煤机在主控制系统上都进行了升级换代,JOY公司推出了改进型 JNA控制系统,Eickhoff公司将 M ICOS 68矿用微机系统升级为基于 IPC(装有 AMD、166MHz处理器)的控制系统,在检测和显示等方面具有许多共同的特点,诸如检测用的传感器多,采用多个处理单元,相互间以串行总线形式通讯,连线少,处理速度快,能够显示瞬间变化的工况参数。人机交互界面非常直观、方便、且功能强大。

国内采煤机生产厂家一般采用大屏幕工控一体机加进口可编程序控制器的控制系统,也采用了多传感器,多个处理单元,相互间以串行 R485总线通讯的分布式结构,但存在总线速度低,传感器、处理单元质量不够稳定的问题。天地公司上海分公司 1815采煤机则采用了 DSP芯片嵌入式主控系统,处理速度快,升级空间大。

(2)工况检测、故障诊断技术 比较而言,国外的大功率电牵引采煤机检测点位多,故障诊断软件功能强大,输出显示信息量大,带有数字和文字、图形、曲线显示,具有强大服务功能和非常直观的人机交互功能。

根据主控系统平台的不同,国内采煤机工况检测、故障诊断存在检测参数少、信息处理内容少、显示服务有待完善等不足,也用大屏幕显示。以天地科技主控系统为例,其数字化嵌入式系统平台与进口机组功能接近,处理速度快,但由于传感器应用不足和信息处理服务有待提高等问题,仍与进口机组功能存在一定差距。其监测系统主要功能有：开机操作步骤中文提示、故障中文显示及记忆、22种运行状态信息实时显示、最新运行状态及故障信息、故障信息闪烁提示等。

(3)远程通讯和集中控制技术 引进的 JOY 6LS5,7LS6,Eickhoff SL500,Eickhoff SL1000采煤机都实现了数据远程传输、集中监控和部分集中控制。巷道集中控制站与采煤机、液压支架控制系统、刮板输送机、转载机相连。通过中继站可与距离大于 5km的地面数据转换器连接,后者把信号传给矿井地面站。通过上述系统,可以在巷道集中控制站实现工作面设备和巷道设备的远程通讯和集中控制,但由于井下条件多变,及配套管理等种种原因,目前实际还只能实现远程通讯和集中监控或局部意义上的集中控制,也有的是在特定的一段时期试用一下。

SL500,SL1000,6LS5和 7LS6采煤机机身上还装备有红外线发射器,支架接到信号后,通过电液阀系统可自动收放护帮板、移架、推溜。这就要求液压支架带有接收控制器以及电液控制系统。

比较而言,这方面与国外的差距较大,目前天地科技大功率采煤机可以实现采煤机与巷道控制箱的数据载波通讯,提供数字化矿山常用通讯数字接口,能实现采煤机定位检测,具备了实现工作面三机联动自动化的基础。

(4)少人工作面控制技术 近几年,以记忆截割技术为代表的少人工作面控制技术得到关注和大力地应用研究。该技术是一种基于位置传感器和计算机程序控制的技术,引进大功率采煤机上一般都配置有该功能,通过结合采煤机倾角传感器、同步位置传感器、油缸行程传感器等的信息检测,主控系统计算机进行记忆储存及按模式程序控制,实现采煤机滚筒的自动调高和定位。

记忆截割方法是一种可以人工远程干预的自动化操纵方式,具有实用价值。目前在神东矿区试验多次,最近在 2m左右采高的较薄煤层高效开采项目上取得一定成效。国产的机组也已开发配置了该记忆截割功能,但都没有进行工业性试验。随着位置传感器、机身倾角传感器、摇臂倾角传感器等技术完善,记忆截割技术的推广应用将会有所突破。

3 发展趋势

大功率采煤机的开发不仅仅是通过增大装机功率和调整结构尺寸来适应一次采全高的需要,还要有提高其先进性和可靠性,以满足大型煤矿建设增产提效安全开采的需要。因此,随着国际采煤自动化程度的快速发展,采煤机必须能满足井下少人工作面发展的需要,未来开发的大功率电牵引采煤机一定是安全高效、高可靠性、高度自动化、具有很强适应性、能远程控制的产品。

根据我国煤炭生产远景规划及采煤机技术发展趋势,今后国内大功率采煤机的主要发展趋势及研究方向有：

(1)提高产品技术标准,从而促进提高设计水平、制造工艺水平,进而提高可靠性。如新制定的行业标准“MT/T1003.1-2006滚筒采煤机大修规范第 1部分：总则和整机部分”规定了整机和部件大修周期和寿命。

(2)提高产品设计理论。要加强基础理论研究,不能只重视引进消化的仿形设计,还要深入研究相应的理论和手段,提高元部件的性能指标。例如采煤机整体结构动力学分析、高电压采煤机供电系统前瞻性研究等。

(3)研究掌握核心技术。通过挖掘产品的核心技术,从跟踪仿制到自主创新,掌握核心技术,以提高产品核心竞争力。例如加速研制基于记忆截割技术的自适应控制系统;网络化模块化分布式电气控制系统的完善;高牵引力行走系统等。

(4)应用可靠性开发理论。可以提高产品整机到元部件的寿命;在规定条件下,提高首次故障时间,平均故障时间,平均修复时间;通过结合机构设计的安全系数法、管理上的概率分析法和信息技术上的 CAD/CAE虚拟制造等,进而提高单设备和系统开机率,降低维修成本乃至吨煤成本。

(5)提高产品制造工艺。通过更新加工设备和深入研究工艺,严格执行质量管理要求,保证设计指标,进而降低生产成本和制造引起的故障率。

(6)提升牵引速度和加大装机功率。这是增产增效的必要手段,例如,在较薄和中厚煤层的开采中,为提高产能,采煤机通过加大牵引功率、提高牵引速度、配置更宽刮板输送机等措施,对已有机型系列化或更新,达到相对大功率配置。如天地科技的MG320/710型、MG500/1300型,美国 JOY的 7LS1A型,德国 Eickhoff的 SL300加强型等。

4 结束语

当前,国内外大功率电牵引采煤机的适应性、先进性、可靠性都得到极大提高,能满足现代化大型煤矿建设所需。尤其是国产大功率采煤机的推广使用,意味着国内采煤机装备整体研制水平上了一个新台阶,同时极大地提高了采煤工作面生产能力,改善安全生产环境,满足大型煤矿建设安全高产高效煤炭生产的需要,对我国国民经济可持续发展具有一定的推动作用。

[1]张世洪,等 .电牵引采煤机的技术现状和发展趋势 [J].煤矿机电,2000(5).

[2]高志明,等 .MG750/1815-G WD系列大功率厚煤层采煤机[J].煤矿开采,2008,13(6)：58-60.

[3]高志明 .大功率采煤机的技术现状及研究方向 [J].煤矿机电,2007(4).

Application of Coal Cutter with Large Power and Its Techn icalDevelopment Prospect

GE Hong-bing
(ShanghaiBranch,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Shanghai 200030,China)

For adapting construction need of large colliery,power configuration of coal cuttermust change and those with large power have become main equipment for high-efficiencymining.This paper introduced current application situation of coal cutterwith electric traction and large power in domestic and overseas.It also analyzed technical gap of domestic coal cutterwith large power from abroad in whole technology,structure design,trans mission technology and electric system performance and its develop tendency.

coal cutter;large colliery;comparative analysis;development tendency

TD421.6

A

1006-6225(2010)01-0004-04

2009-08-31

葛红兵(1966-),男,江苏扬州人,高级工程师,主管采掘机械技术管理与研发,现任分公司常务副总工程师兼总工办主任。

邹正立]