我国悬臂式巷道掘进机技术的现状与发展

陈同宝,钱沛云,陶峥
(煤炭科学研究总院上海分院,上海200030)

摘要：概述我国悬臂式巷道掘进机技术的发展进程及技术开发成果,介绍我国从1985年到1999年间自主研制的煤和半煤岩掘进机两个系列、十多个品种的基本机型。通过技术引进和自主开发而生产的掘进机已达600多台,国产掘进机的国产化率有了大幅度的提高。在实际应用方面,我国统配煤矿的综掘程度已从1985年的3.16%提高到1999年的12.61%,15年间增幅显著。同时,从技术发展的角度概略地提出了悬臂式掘进机技术完善、提高、再发展的思路,阐述了目前我国悬臂式巷道掘进机技术的发展重点。

关键词：悬臂式掘进机;综掘;新技术

悬臂式巷道掘进机技术是发展综合机械化掘进、提高掘进效率、保障安全生产、降低劳动强度的重要一环。我国对悬臂式掘进机技术的研究始于60年代中期,通过对引进ПК-3型掘进机的消化吸收和国产化工作,积累了一些设计悬臂式掘进机的初步经验,但当时研制规模较小,成效甚微。我国煤矿真正推广应用悬臂式掘进机则是在1979年引进了100余台国外产品以后。在此后的20年中,我国在引进悬臂式掘进机产品及制造技术的同时,翻开了自主开发研制、规模生产的一页,随着掘进机的广泛应用,使我国综合机械化掘进程度逐年提高。

随着综采技术的发展,如何提高综掘水平,跟上综采发展速度,以适应我国煤炭企业技术进步的要求已越来越为人们所重视。从“六五”到“九五”的20年间,我国在悬臂式掘进机技术科学研究、产品制造和实际应用等方面均取得了长足的进步。

(1)我国悬臂式掘进机的科研成果

“六五”以前,我国悬臂式掘进机的研究水平还停留在轻型掘进机上,以切割煤为主,与国外同期产品相比技术水平很低。通过“六五”、“七五”和“八五”的技术攻关,掘进机从轻型发展到了中、重型,切割对象从煤拓展到了岩石,掘进机的使用范围产生了质的变化。目前,悬臂式掘进机技术已跃上了一个新的台阶,总体水平已接近国外同行。在产品的开发方面,掘进机的切割功率从30kW提高到160kW,机重从13t上升到53t,切割对象从煤扩展到半煤岩,并逐步形成了煤及半煤岩掘进两大系列、十多个品种。尤其是在“八五”后期至“九五”初期研制成功的EBJ系列半煤岩掘进机,其技术性能达到并部分超过了某些进口的同类产品,具有良好的性能价格比。

代表我国煤巷掘进机设计水平的主要机型有:上海分院研制的ELMA-40型、ELMB-55型、ELMB-75型系列、EBJ-100型等掘进机,太原分院研制的EMA-30型、EL-90型、EBJ-110型、EBJ-65/48型等掘进机和唐山分院研制的EBZ-75型掘进机。其中上海分院研制的ELMB-75型系列掘进机与引进技术生产的AM-50型、S100型掘进机已逐渐成为我国煤巷掘进设备的主力机型。

主要的国产半煤岩掘进机有:上海分院研制的EBJ-160HN型、EBJ-132型、EBJ-132A型掘进机,太原分院研制的EBJ-160掘进机和淮南煤机厂研制的EBH-132型掘进机。其中由上海分院研制的EBJ-160HN型掘进机在大同矿务局井下工业性试验取得良好使用效果:在掘进煤岩含量1:1的半煤岩巷道中,3个月总进尺1207m,最高月进503.2m。稳定切割时,顶板岩石平均抗压强度和底板岩石平均硬度可达80MPa,迄今已掘巷1.3万m,且仍在井下作业。这标志着我国悬臂式掘进机技术已跨入切割比较坚硬岩石的世界先进行列。表1列举我国通过自主研制开发的、已形成较大批量并具有市场潜力的悬臂式掘进机产品的主要技术参数。

表1　我国煤矿常用的几种自主开发的悬臂式煤及半煤岩掘进机主要技术参数

(2)我国悬臂式掘进机的生产制造状况

我国开始小批量制造悬臂式掘进机是在70年代中期和80年代初,当时煤机制造厂的生产能力落后,产品水平较低。佳木斯煤机厂生产的EMA-30型煤巷掘进机(1976～1992年合计生产30台)及南京晨光机器厂生产的ELMA-40型煤巷掘进机(1979～1985年合计生产54台)因功率偏小、生产能力偏低而逐渐被淘汰。从1986年开始,通过“六五”技术引进和自主开发,我国各掘进机制造厂形成了较大的生产规模,具备了一定的竞争能力。表2为我国各悬臂式掘进机制造厂主要掘进机机型的生产销售情况汇总。

表2　历年我国掘进机生产销售情况

注:表中数据为根据资料收集整理

(3)我国悬臂式掘进机的实际应用现状

在1979年从国外引进了100多台悬臂式掘进机用于煤矿生产后,我国统配煤矿的综合机械化掘进水平也翻开了新的篇章。1985年全国开拓总进尺6776km,其中综掘进尺214km,综掘程度3.16%; 1999年全国开拓总进尺5001km,其中综掘进尺631km,综掘程度12.61%,15年间综掘程度上升了9个百分点,平均机械效能有了明显地提高,表3为我国历年巷道掘进进尺及综掘设备的使用情况汇总。

表3　我国统配煤矿1985～1999年巷道掘进进尺及综掘设备使用情况

悬臂式掘进机技术是一项综合技术,其发展需从总体和局部两个方面考虑。总体上悬臂式掘进机技术近10多年来在我国得到了较大的发展,但就技术水平而言与世界先进工业国家相比仍有较大的差距。设备的适应能力、可利用率及系统的可靠性远远不足,配套技术差距更加明显。以中国统配煤矿1985～1999年间综掘机使用情况的统计数字为例,15年间尽管设备增加不少,但平均使用率总体上不足4成,设备的机械效能偏低(见表2)。这其中主要原因应归咎于设备对不同工作条件的适应性、设备自身的可靠性以及煤矿生产环境的配套性差所致。因此,今后一段时间内应从适用性、可靠性和配套性三个方面开展综合机械化掘进技术及设备的研究和攻关,使综掘技术更趋完善。

(1)产品开发的适用性

我国地域辽阔,地质条件差异显著,井型类别众多,开采工艺不一,即便是同一条巷道也会因不同的地质条件而使掘进工作受到影响。因此,综掘设备的研制也可以从三个方面着手。一是在现有悬臂式掘进机的基础上进行变异设计或二次开发,使其在适应性、功能性上得到延展,以补充、完善系列。我国常规综掘设备的发展可在引进、消化、吸收的基础上通过自主开发、推广、提高,重点形成大功率、高切割硬度的大断面、半煤岩掘进机;亦可在现有基本机型上进行二次开发形成多用工具掘进机系统(如带粘土铲、冲击镐、切割头等),以适应软土岩、硬岩及煤的掘进。二是开发满足高产高效矿井发展要求的快速综合掘进设备。随着中国高产高效矿井的迅速发展,综采工作面的配套设备(采煤机、运输机等)已基本形成系列,可适应不同产量采面的需求,而掘进则仍如既往,可供选择的设备单一。因此发展如集掘、锚功能于一体的综合掘进机组,使掘进和支护有效结合、共同提高,让我国的综掘设备研究上一个台阶。三是开发能满足特殊地质条件要求的综合机械化掘进设备。我国地域辽阔,地质条件差异很大,开发研究能适应不规则顶、底板(如破碎、倾斜等)和大倾角(如坡度>16°)巷道的综合机械化掘进设备不仅能扩大综掘设备的使用范围,而且从社会效益考虑还可以改善工人的作业条件。

(2)产品使用的可靠性

煤矿生产对机械设备的可靠性要求很高。高可靠性的具体体现是设备的高开机率。影响高开机率的重要因素之一就是设备的可靠性。因此,不管是旧机型的完善还是新机型的开发都要以可靠性为前提。作为设计者应从设计选型可靠性出发进行设计,如容量裕度、等效寿命、元件通用等;作为制造者应从加工工艺的可靠性出发进行制造,如材料选择、工艺措施等;作为使用者则应从生产系统的可靠性出发指导生产,如合理配置、完善系统、文明生产等。通过三个环节的互相支撑达到提高整体可靠性的目的。

(3)产品与生产系统的配套性

巷道的综合机械化掘进是一项系统工程。只有生产、运输等配套环境都正常运转才能保证掘进作业的正常进行。根据不同的资料统计,掘进机在井下作业时正常掘进、停机支护和运输系统影响所占的时间约各占总循环时间的30%。如果我们在综掘系统配套方面进一步开展一些有效的、合乎生产特点的研究工作,当会对综掘生产有所裨益。因此,我们的开发工作还应根据矿井掘进工作面的工艺条件和工作对象,对适用不同综掘设备的开拓掘进系统进行分类,找出典型,提出范例,供生产选择。

悬臂式掘进机技术的发展除取决于实际生产需要外,还受基础工业发展水平及技术可行性的影响。随着工业技术水平的提高和在悬臂式掘进机技术开发方面经验的积累,我们正在尝试将一些新的技术成果应用于悬臂式掘进机的设计上。

(1)新的主机技术1)掘锚联合机组

掘锚联合机组是集切割、装载、行走、锚杆支护、机载除尘等功能为一体的综合掘进装备,它具有先进的遥控操作系统和高效的除尘装置,不仅可用于高效集约化矿井的煤巷快速掘进,而且也可通过开采方式的变化用于回采“三下”压煤和“井田边角煤”,最大限度地回收煤炭资源,是煤巷掘进最理想的机型。但由于其新技术的含量较大,如何立足于现有设备和技术,尽快地开发出适合我国煤矿实际工况条件的掘锚联合机组,解决采掘工作面接替紧张、采掘失调等难题,满足国内的迫切需求,填补我国在这方面的研究空白,是实现“十五”悬臂式掘进机主机技术飞跃的首要任务。

2)盘形滚刀悬臂式掘进机

利用滚压破岩原理设计的全断面岩巷掘进机,能有效截割硬岩,具有掘进速度快、效率高、巷道断面尺寸精确、工程质量好、超挖量少、巷道光滑等优点,但由于全断面岩巷掘进机体积大、重量重、能耗高、适应性差、投资巨大等弱点,无法广泛代替传统的钻爆法应用于岩巷或隧道的建设。盘形滚刀悬臂式掘进机是一崭新的设计思路,它将盘形滚刀破岩技术巧妙地移植在悬臂式掘进机上,一方面保留了悬臂式掘进机轻便、高效、能切割任意形状断面的优点,另一方面弥补了传统的镐形截齿截割方式无法截割硬岩的缺憾,使悬臂式掘进机的切割破岩能力有质的变化。而且,与全断面掘进机相比,可大大降低初期投资。因此,研制盘形滚刀悬臂式掘进机,扩大悬臂式掘进机技术的应用领域,是实现“十五”悬臂式掘进机主机技术突破的关键。(www.xing528.com)

3)冲击振动掘进机

冲击振动掘进机是一种利用惯性原理,通过在普通的悬臂式掘进机截割机构部分增加一激振部件,利用一定频率和振幅的冲击来改善截割效果,以提高掘进机的切割硬度的新技术。我国是掌握这一技术、成功应用在ELMB-75C型煤巷掘进机上并形成小批量生产的唯一国家。实践证明,增加惯性冲击辅助截割比原机的破岩生产率提高30%以上,掘进比能耗显著降低,因此,进行振动悬臂式半煤岩掘进机的研究和开发已成为“十五”悬臂式掘进机主机技术创新的又一重点。

(2)新的配套技术

1)配套自移式转载机

运输技术的落后是制约掘进技术发展的重要因素之一。自移式转载机作为联接掘进机和带式输送机或矿车的桥梁,是掘进机械化作业线的重要一环。由于其自带动力,具有自行牵引、灵活移动的特点。已研制成功的CZY6/45型自移式转载机,可兼运辅助材料,在技术上为掘进机开辟了连续运输和间断运输两个基本配套运输模式。自移式转载机的系列化研究,为满足不同的运输要求,实现运输设备的配套使用,是实现“十五”悬臂式掘进机配套运输技术高效的主要任务。

2)配套机载锚杆支护技术

支护作业与掘进作业的不同步是影响掘进技术发展的又一关键。锚杆支护技术,作为先进的支护技术,具有工艺简单、工效高、巷道断面利用率大、材料消耗低、支护速度快、支护成本低等优势,机载锚杆技术还有功率大、钻孔能力强、功能齐全、适用范围广、可自带动力、操作安全等优点,但存在操作复杂、维护成本高、一次投资大等不利因素。机载锚杆支护技术能从根本上解决掘进、支护不同步问题,提高掘进生产率,但目前我国很少使用这一先进的支护技术。机载锚杆支护技术的研究,是实现“十五”悬臂式掘进机配套支护技术提高的主要手段。

3)配套机载除尘技术

机载除尘技术是悬臂式掘进机配套技术的重要一环,成为掘进机技术发展的另一关键。由于工作环境恶劣,机载除尘技术必须做到除尘效果好、设备体积小、功耗低、耗水量少、使用维护简单的特点。传统的内、外喷雾除尘技术因效果差、成本高而一直无法推广,因而影响掘进工作面的作业安全。而采用体积庞大的巷道除尘风机又因其不适合国情而难以推广。具有环保价值的机载除尘产品“CSHY4.0型悬臂式掘进机机载捕尘装置”是专门为悬臂式掘进机配套设计,实现除尘、掘进同步作业的国内外唯一采用液压驱动的机载除尘设备。配套机载除尘技术的进一步研究,是实现“十五”悬臂式掘进机配套除尘技术突破的重要课题。

(3)新的元部件技术

1)履带内藏式行星减速器

悬臂式掘进机的行走机构是主机很重要的一大部件,它承担着主机在作业过程中的行走、调动任务,影响主机的灵活性。传统的履带驱动装置体积大,占用空间多,效率低。尤其对煤矿井下而言,可利用的有效空间不足,给结构设计和设备性能带来一定的影响。履带内藏式行星减速器传动是近年来发展起来的新技术,它具有占用空间小、效率高、机器通过性好等优点,已成功地应用于工程机械如挖掘机等。将其应用于结构空间受限的悬臂式掘进机是一种新的尝试。它从性能上具有传动比大、传动效率高、输出转矩大等优点,从结构上具有体积小、重量轻等特点。

2)工况监控技术

掘进机工况监控技术包括掘进机工况监测、故障诊断两方面。通过对供电电压、电动机负荷和温升控制,液压系统油压、油量、污染的监测,减速器油温、油液污染和轴承温度的监测,最大限度地保证设备在最佳状态下工作;在设备遇到故障时,及时发现故障原因并予以纠正。掘进机工况监测技术的研究,是实现“十五”悬臂式掘进机智能化的主要方面。

3)负载反馈调速技术

切割牵引速度是悬臂式掘进机的一个重要工况参数,合理的切割牵引速度不仅与掘进机自身参数有关,还和煤岩硬度、钻入深度和切削厚度有关,负载反馈调速技术就是利用节流调速、变量泵-负载反馈无级调速和定量泵-分流合流有级调速等方式,合理调整切割牵引速度,有效地减少功率损耗,降低液压系统发热,延长液压元部件使用寿命,使掘进机能可靠地工作。掘进机负载反馈调速技术的研究,是提高“十五”悬臂式掘进机可靠性的一条途径。

我国综合机械化掘进技术及装备水平虽经近30年的努力已有了较大的提高,产品的设计制造也逐渐系列化、多样化,但存在一些不足处;在掘进机技术的使用方面,综掘装备率、综掘设备平均使用率均不高,综掘程度低下(如图1所示),距高产高效综合机械化要求仍有较大的距离。特别在“九五”期间,综掘程度增长缓慢,无法跟上国际掘进技术和装备水平快速提高的步伐,因此在考虑市场因素和产品因素的同时,在政策扶持、科研投入和坚持不懈的工作三方面继续加大力度,以提高综掘的整体水平是十分必要的。

图1　1985～1999年我国综掘程度、综掘装备率及综掘设备平均使用率变化曲线

综掘程度综掘装备平均使用率

参考文献:

[1]陈同宝.高产高效工作面顺槽快速掘进系统浅探[J].煤炭科学技术,1996(3)

[2]国家煤炭工业局.煤炭工业统计年报[R].1985-1999

[3]陈同宝,等.简易掘采系统的探讨.煤矿机电[J],1999(1)

中图分类号：T D421.5

文献标识码：A

文章编号：1001-0874(2000)05-0058-05

作者简介：陈同宝(1957-),男,教授级高工。1982年毕业于淮南矿业学院,现任煤炭科学研究总院上海分院副院长,发表论文多篇。

(收稿日期：2000-08-04)