煤矿井下掘进设备现状及发展

[摘 要]掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，采掘并重，掘进先行。煤矿巷道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。

[关键词]掘进；回采；煤矿

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0293-01

掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，采掘并重，掘进先行。煤矿巷道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。

1 掘进机研究与发展概述

1.1 掘进机发展的4个阶段

掘进机的发展历程可以划分为4个阶段。

（1）上世纪40年代中末期到60年代中期，掘进机从无到有，形成了集切割、装运和行走为一体的结构雏形，其特征主要是用于软煤巷道掘进，机重15t左右。

（2）上世纪60年代中期到70年代末期，煤巷掘进机得到了大量应用。其特征是适应范围扩大，部分大断面机型有过断层、切割夹岩的能力，切割硬度60MPa以下，机重大部分在20～40t左右。

（3）上世纪70年代末到80年代末期，半煤岩掘进机开始成熟，煤巷掘进功能齐全，可靠性大幅度提高。重型机大批涌现，机重50t左右。

（4）上世纪80年代后期至今，机重进一步增加，一般在70t以上，切割硬度100MPa以上，功能更加完善，采用高新技术、计算机自控装置较成熟，掘进机正向岩巷进军。煤巷掘进出现了切割支护平行作业的掘锚综合机组，掘装锚平行作业，掘进速度大幅提高。

1.2 国外掘进机研究

国外掘进机设备可分为两类：一类是欧洲国家普遍使用的掘进机，它适应范围广，但掘进、支护不能平行作业，掘进效率低，开机率低；另一类是以美国和澳大利亚为代表的连续采煤机和掘锚综合机组，两者均可实现煤巷的快速掘进，开机率较高，掘进效率高。

1.3 国内掘进机研究

中国已成为全球最大的掘进机制造基地和应用市场，国产掘进机也在国际市场形成一定的竞争力。我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机。三一研发的EBH418掘进机是目前国内最大功率掘进机，整机重量155t，适应半煤、厚岩巷掘进。近年来，国内掘进机企业在满足国内煤矿需求的同时，已经向国外市场进军。2012年9月，北方交通重工集团首次将国产掘进机出口到欧盟国家，标志着北方交通研制生产的掘进机已达到国际先进水平。2013年1月，石煤机公司与冀中股份共同研发成功国内首台锚护式掘进机，将掘进与支护有机结合起来，该机除具备传统掘进机的全部功能外，还能够完成不同高度、不同角度的锚杆、锚索孔的机械化施工，减少了掘进与支护设备的换位作业时间，能有效提高井下巷道锚护速度，降低工人劳动强度，是行业内首台集截割、装运、行走和锚护于一体的高效掘进装备。

随着煤炭行业的发展，煤机产业也得到了更多的重视。国家批准了我国煤炭机电装备制造领域的首个863重点项目“掘进机远程控制技术及监测系统”，2012年该项目验收成功。项目研制开发的掘进机远程控制技术及监测系统，实现了500～1000米外掘进机掘进过程的定向、定位和定形的可视化远程控制，以及对掘进机的远程控制、遥控和状态监测。该重点项目的验收成功标志着我国掘进机在智能化和遥控关键技术方面居于国际领先水平，有些研究开辟了掘进机研究新领域，引领了技术研发新方向，对于推动我国掘进机的技术发展具有里程碑作用。

2 掘进机研发中存在的问题

目前我国掘进机研发过程中也存在一些亟待解决的问题：

（1）产品设计理念、设计手段相对落后，无论是研究院所还是制造厂，更多重视追求应用技术，轻视基础理论的研究。

（2）产品制造工艺、检测实验手段、加工设备相对落后。

（3）主要产品的核心技术并没有完全掌握，我国掘进机的开发主要是引进、跟踪仿制，缺少创新和自主的知识产权，如液压阀的核心技术靠外国公司提供。

（4）产品使用寿命、可靠性相对进口产品较差，对产品的可靠性和工艺研究不够。国内技术攻关只侧重于设计结构研究，很少进行可靠性理论、工艺方法研究。主机用原材料、关键部件如轴承、密封、机电、电气元件、液压元部件等，在使用寿命和可靠性上都存在较大的差距。

3 掘进机发展趋势

（1）重型化

目前，国内重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在我国处于试验阶段，但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向发展，煤矿技术设备正在向重型化、大型化、强力化、大功率发展。虽然国内企业对重型掘进机的研究进展迅速，但国产重型掘进机与国外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术以及截割方式、除尘系统等核心技术方面有较大差距。

目前，国内最大功率掘进机为三一生产的EBH418型岩巷掘进机，截割电机功率为418kW，额定输出功率619kW，整机重量155t，定位截割高度3.5～6.1m，定位截割宽度4.0～8.4m，适用于岩巷掘进。

（2）自动化与智能化

巷道掘进正由传统意义上的掘、装、运机械化转向现代意义的掘、装、运、支护机械化及自动化、智能化。从技术层面看，现阶段正处于掘、装、运与支护及遥控的整合阶段。掘进机的自动控制及远程遥控的最终目标是实现井下自动化无人值守机掘工作面。

在掘进机远程或自动控制方面，国外发展较快，研究的新型掘进机可实现掘进方向监控、电机功率自动调节、截割路径循环程控、离机遥控、切割断面监控等。其中英国Dosco某重型机上配备了截割头定位装置，德国Eickhoff和奥地利Voest-Alpine分别研制了截割断面和方向控制装置，日本三井三池研制了切割功率自动调节系统，但由于国内煤质赋存差异较大，进口的掘进机因难以正常发挥作用其上述装置常被拆除而作为普通机型使用。国家863计划项目“薄煤层半煤岩掘进机关键技术研究”将对掘进机的数字化控制自动截割技术以及半煤岩掘进机可视化控制技术进行研究，通过开发配装自主研发的控制系统，实现掘进机的自动化截割，从而提高半煤岩巷道掘进的效率和安全性。

（3）薄煤层半煤岩掘进机

随着我国煤炭采掘业的不断发展，中厚煤层将逐步减少，煤矿巷道必然趋于薄煤层、半煤岩巷道，如山东、贵州、四川、河南等地。因此，有一定的破岩能力、机身矮或窄、功率大的机型会成为今后市场主要机型。目前国内所生产的掘进机大多针对中厚煤层，其体积较大，不适用于薄煤层巷道的掘进；小功率掘进机由于受到功率限制，截割性能差，掘进效率低，不能满足薄煤层复杂煤岩截割要求。因此，发展薄煤层及半煤岩掘进机将具有良好的市场前景。

针对目前薄煤层半煤岩掘进机存在的体积偏大、截割能力弱、远程操控困难、安全性差以及功能单一等系列问题，以创新设计技术、水射流辅助截割技术、数字化控制技术、可视化控制技术等为核心，研究适应我国薄煤层半煤岩地质条件的巷道掘进机型，以满足我国薄煤层半煤岩掘进机自动截割、远程操控、监测和安全作业的需要。在硬岩掘进时，为了避免刀具发热量大、刀头磨损严重，采用高压水射流辅助切割的思想，使用机械刀具破岩，水射流作为辅助进行切割。利用水射流辅助切割能有效的增强掘进机的切割能力，扑灭粉尘的同时又扑灭火花，保证了工作面工作环境，提高了掘进效率。

作者简介

王汝维（1976年--），男，江苏徐州人，助理工程师，1998年毕业于彭城职业大学，现从事矿山设备设计工作。