从专利角度看我国煤矿液压支护技术发展

耿 谦

(国家知识产权局专利局，北京 100088)

液压支护设备可用来实现采煤工作面、巷道等的临时支护，是煤矿机械成套化设备的重要组成部分。多年以来，我国的液压支护设备从靠国外进口逐步发展成自主研发，并且开始向国外出口，取得了不俗的发展成果[1]。本文从液压支护设备的相关专利申请情况入手，梳理我国液压支护设备的技术发展脉络，对技术发展的热点和难点进行分析，给中国的液压支护设备生产企业的技术研发提供参考。

1 液压支护设备的技术构成与申请趋势

1.1 技术构成

液压支护设备包括液压支架、液压支柱和顶梁，液压支架一般用于综采工作面，液压支柱通常与顶梁配合用于一般机械化采煤工作面，或为综采工作面端头或掘进头做临时支护[2]。随着煤矿机械的自动化程度越来越高，我国开始越来越多地使用液压支架。根据对液压支架相关专利申请的研究可以发现，相关申请主要集中在整体结构、支护装置、控制、辅助装置和前移机构几个领域。对整体结构的创新可以满足不同煤矿的需要，支护装置作为支撑的重要部件也是研究的热点，控制对于提高整个液压支架的可靠性和自动化是至关重要的，一些辅助的装置，例如喷雾装置、防倒防滑装置、互帮装置等的作用也不容小觑，对前移机构的改进可以使前移更方便可靠。

1.2 专利申请趋势

通过对煤矿机械液压支护设备的各分类领域进行检索，获取相关中国专利申请数据，液压支护设备领域主要部件专利申请量统计如图1所示。经过统计分析可以看出，虽然液压支架的占比最高，但液压支柱所占比重仍然较高，这是由于我国尚有一些煤矿未实现综采，还需要使用大量的液压支柱。随着技术进步，液压支柱应用将会逐步减少、液压支架的应用将会越来越多。近些年来，液压支架进一步发展出大采高液压支架、放顶煤液压支架、大倾角液压支架、薄煤层液压支架等多个技术分支，而从所获得的专利数据来看，液压支架整体结构的申请量所占比例偏大，我国液压支架的发展还处在对架型的改进阶段，对核心部件的改进不多，对其中比较重要的控制技术的改进也相对不足[3]。从对相关专利文献的内容分析结果来看，对控制方法的改进占比较高，对控制部件的改进则较少。液压支护设备领域主要部件专利申请趋势如图2所示，从申请量上来看，液压支护设备领域各技术分支的中国专利申请量从04年开始快速增长，其中，除顶梁外，液压支架和液压支柱的逐年增长速度都很快，尤其是液压支架，随着液压支架的大规模应用，申请量增加明显，虽然近年略有波动，但每年申请量仍然在200件以上。

图2 液压支护设备领域主要部件专利申请趋势

2 液压支架的技术需求与功效

2.1 看液压支架技术需求

在液压支护设备的各技术分支中，液压支架作为成套开采的主要设备，在市场上占有很大比重，是煤矿综采工作面中不可缺少的配套设备，是保证综合机械化采煤工作面安全的关键[4]。液压支架移架速度快，并且能够充分支护顶板、推动工作面设备前移，可以有效提高采煤效率[5]。液压支架专利申请数据分析如图3所示，从液压支架的专利申请数据分析中可以看出，在2004年之后，我国对液压支架的研发开始持续增长，并且专利申请主要集中在液压支架的整体结构和控制两个主要领域，煤矿机械企业已经意识到液压支架的控制系统与控制方法是制约我国煤矿开采技术可持续发展的瓶颈，因此已经着力开展相关技术的研究，并且从专利申请的情况来看，已经取得了一定的进展。

图3 液压支架专利申请数据分析

2.2 液压支架技术功效

在中国专利申请中，液压支架的自动化、可靠性都是申请人最关注的，液压支架专利技术与功效矩阵如图4所示，这也能够解释为何随着技术的发展，创新主体对煤矿液压支架的控制领域的研发越来越多。随着液压支架的发展以及中国煤炭产量的不断增长，企业对高强度和大型化的液压支架的需求也逐渐增多，我国对于自动化和可靠性的要求相对其他国家来说更加突出[6，7]。

图4 液压支架专利技术与功效矩阵

从对我国专利申请的分析来看，对整体结构的改进主要是为了满足可靠性、高强度、大型化的需求，而对控制系统的改进主要是为了满足自动化和可靠性的要求[8]。对于我国企业来说，控制领域的研究既是一个热点，也是一个难点，这是因为我国在控制领域的整体研究基础比较薄弱，尤其是控制系统的核心部件领域较西方先进国家有一定差距，但是不在控制领域有所突破，我国就很难实现煤矿开采的自动化和智能化。为了进一步增强我国煤矿井下机械设备的智能化水平[9]，引导煤矿企业向高效和绿色化的方向发展，煤矿机械控制技术的研究需要继续作为我国煤矿机械领域研究的重中之重[10]。

3 液压支架技术发展路线

我国煤矿开始实施综采的时间并不长，对大倾角长壁综采和液压支架进行了研究，形成了大倾角支架防倒防滑、安全防护和端头锚固等新结构和新技术，液压支架作为综采的主要设备，不仅需求量大，技术上也更有代表性[11]。

通过对专利数据的筛选，初步整理出液压支架的发展技术路线，并选择具有代表性的一些专利申请进行说明，液压支架技术发展路线如图5所示。发展综采液压支架以来，从普通的液压支架开始，最初是从对液压支架的尾梁、伸缩梁和材料改进入手，随后对液压支架的架型改进、大采高支架以及三级护帮支架展开了研究[12]，在意识到电液控制是提高液压支架水平的重要因素之后，开始对液压支架的电液控制进行自主研发，加速电液控制的国产化，近些年则进一步对大采高液压支架[13]进行研究[14]，并且初步尝试煤矿机械的成套化。通过专利数据获取的技术路线可以看出，除了对液压支架不断进行改善外，未来对液压支架的自动化控制[15]，以及液压支架的成套化是以后煤机企业的发展趋势。

图5 液压支架技术发展路线

4 结论及建议

液压支护设备是煤矿机械成套化设备的重要组成部分，我国的液压支护设备从靠国外进口逐步发展成自主研发，并且逐步向国外出口，发展速度很快。液压支护设备涉及的技术较多，包括机械、电液控制、通信多个领域，其发展也受到全球整体技术发展的影响。从专利申请来看，随着我国液压支护设备研发的不断投入，申请量不断提升，并且随着电液控制的发展，研发重心在从整体结构的研究逐渐向大型化和自动化方向转移。从专利申请的具体内容来看，未来的液压支架技术应该以进一步提高效率和可靠性为目标，可靠性、高强度、自动化、大型化是未来的发展重点，大型化或者高强度的液压支架需要专门设计其控制系统，前移机构的设计需要考虑自动化和可靠性；整体结构的架型改进需要适应大型化、高强度的应用，支护装置的可靠性是其需要考虑的重点，要从保证它的高强度的角度考虑。从这些突破点入手，作为我国煤矿开采的主要设备，液压支护设备的研发将会取得长足的进步，全面实现煤炭开采的全面现代化。