煤礦綜采工作面快速搬家成套裝備及其可靠性分析

張福祥

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

關(guān)健詞： 煤礦綜采工作面； 快速搬家； 可靠性； 無(wú)軌膠輪車

0 引言

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化煤炭礦井超過(guò)70%采用綜合機(jī)械化采煤[1]。 綜采工作面搬家期間處于完全停產(chǎn)狀態(tài)，搬家時(shí)間的時(shí)長(zhǎng)是影響煤炭產(chǎn)量的一項(xiàng)重要因素。 因此快速搬家的研究一直是煤礦和煤機(jī)裝備制造企業(yè)高度重視的一項(xiàng)工作。

現(xiàn)階段國(guó)外和國(guó)內(nèi)煤礦綜采工作面搬家設(shè)備形式基本相當(dāng)，主要分為單軌吊、卡軌車、齒軌車和無(wú)軌膠輪車四個(gè)大類。 傳統(tǒng)的綜采工作面搬家時(shí)間大約需要50天左右，而無(wú)軌膠輪車快速搬家時(shí)間大約7 天左右。 我國(guó)從20 世紀(jì)90 年代開始逐步引進(jìn)重型搬家設(shè)備[2-3]，隨著無(wú)軌膠輪車在煤礦的廣泛應(yīng)用，目前大型化煤礦礦井的綜采工作面搬家普遍采用了無(wú)軌膠輪車的快速成套裝備。

煤礦綜采工作面快速搬家成套裝備的可靠性直接決定了綜采工作面搬家的安全性和效率， 已成為制約綜采工作面安全和搬家速度的重要因素。 本文以無(wú)軌膠輪車快速搬家成套裝備為研究對(duì)象， 通過(guò)分析成套裝備的任務(wù)和組成， 從單機(jī)裝備可靠性和使用可靠性2 個(gè)方面進(jìn)行成套裝備可靠性的研究。

1 綜采工作面介紹及主要設(shè)備組成

綜采工作面一般是指綜合機(jī)械化回采工作面， 上世紀(jì)70 年代， 我國(guó)采煤方法及其工藝進(jìn)入了第三個(gè)階段， 開始推行綜合機(jī)械化采煤，實(shí)現(xiàn)了落煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)和放頂?shù)木C合機(jī)械化[4]。

隨著采煤裝備和信息化技術(shù)的發(fā)展，綜采工作面正在由機(jī)械化逐步向自動(dòng)化、智能化方向的升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求[5]。特別是近幾年，智能化工作面的建設(shè)開始快速推進(jìn)。 2020 年，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、應(yīng)急部、國(guó)家煤礦安監(jiān)局、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部、科技部、教育部研究制定了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。 意見(jiàn)的發(fā)布，加快了煤礦智能化水平提升的步伐，智能化綜采工作面首當(dāng)其沖，各省市根據(jù)意見(jiàn)要求進(jìn)一步明確了智能化工作面的建設(shè)規(guī)劃。

綜采工作面設(shè)備通常主要包括“三機(jī)”及其附屬設(shè)備。其中，“三機(jī)”分別為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和自移式液壓支架。隨著煤礦采煤技術(shù)的不斷提高，工作面“三機(jī)”正在不斷向重型化發(fā)展。 智能化綜采工作面又增加了工作面集中控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、支架和采煤機(jī)等設(shè)備姿態(tài)測(cè)系統(tǒng)等多項(xiàng)智能化設(shè)備。

2 無(wú)軌膠輪車快速搬家成套裝備

綜采工作面目前主要的設(shè)備包括： 采煤機(jī)、 液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、移變、智能化設(shè)備等[6]。

根據(jù)以上物料運(yùn)輸和安撤需求， 目前主流的無(wú)軌膠輪車快速搬家成套裝備（以下簡(jiǎn)稱“快速搬家成套裝備”）包括：框架式支架搬運(yùn)車、鏟板式支架搬運(yùn)車、蓄電池鏟板車、輕型材料車等，其噸位、配置數(shù)量和主要工作任務(wù)詳見(jiàn)表1。

表1 快速搬家成套裝備配置

3 快速搬家成套裝備可靠性

根據(jù)可靠性“三定”的規(guī)則，將快速搬家成套裝備的可靠性定義為在規(guī)定的礦井搬家條件下和規(guī)定的搬家時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的搬家任務(wù)的能力。 快速搬家成套裝備可靠性可以反映在兩方面：?jiǎn)螜C(jī)裝備可靠性和使用可靠性。

單機(jī)設(shè)備固有可靠性， 是指快速搬家成套裝備中每種設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造中賦予的一種固有特性。 它是成套裝備可靠性的基礎(chǔ)。單機(jī)設(shè)備主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)架組件、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)等部分組成，每個(gè)系統(tǒng)的可靠性直接決定了單機(jī)設(shè)備的可靠性。

使用可靠性， 是指快速搬家成套裝備在煤礦井下實(shí)際使用過(guò)程中表現(xiàn)出的搬運(yùn)保持能力的特性， 它除了考慮單機(jī)設(shè)備的固有可靠性， 還要考慮在井下操作使用和維修保障等方面的因素。 煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，路面、環(huán)境多變，司機(jī)和維修人員整體素質(zhì)不一。諸多因素都要求快速搬家成套裝備現(xiàn)場(chǎng)的使用、維護(hù)都需要強(qiáng)化。

基于上述分析， 將快速搬家成套裝備可靠性的指標(biāo)體系分為防爆柴油機(jī)系統(tǒng)可靠性、蓄電池系統(tǒng)可靠性、鋰電池系統(tǒng)可靠性、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性、液力傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性、液壓系統(tǒng)可靠性、電氣系統(tǒng)可靠性、智能化系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)使用可靠性9 個(gè)方面，具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 快速搬家成套裝備可靠性的指標(biāo)體系

4 快速搬家成套裝備可靠性提升研究方向

4.1 防爆柴油機(jī)系統(tǒng)可靠性

國(guó)Ⅱ以下防爆柴油機(jī)在國(guó)內(nèi)發(fā)展已趨于成熟， 受限于煤礦使用環(huán)境及防爆要求， 當(dāng)前最大的問(wèn)題是尾氣污染問(wèn)題。 因此，2018 年國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄（第四批）的通知中明確禁用排氣標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)Ⅱ以下的防爆柴油機(jī)， 使用國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)以上產(chǎn)品替代。對(duì)標(biāo)地面非道路排放標(biāo)準(zhǔn)，煤礦防爆柴油機(jī)排氣標(biāo)準(zhǔn)必將進(jìn)一步提高， 升級(jí)為國(guó)Ⅳ甚至于更高的要求。 因此，防爆柴油機(jī)系統(tǒng)可靠性主要從以下方面突破：①柴油機(jī)周邊防爆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝控制技術(shù)； ②電控燃油噴射系統(tǒng)MAP 圖優(yōu)化、ECU 和傳感器等硬件可靠性提升； ③DOC、EGR、DPF、SCR 等尾氣凈化技術(shù)防爆改造可靠性技術(shù)研究。

4.2 蓄電池系統(tǒng)可靠性

鉛酸蓄電池目前主要應(yīng)用于煤礦重型搬運(yùn)車輛，電池一般采用快換結(jié)構(gòu)，使用相對(duì)穩(wěn)定，單臺(tái)配置3 塊電池（1 用1 充1 冷卻）[7]，需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行電池維護(hù)，工作量較大。 因此，蓄電池系統(tǒng)可靠性主要從以下方面突破：①蓄電池本身可靠性提升研究；②電池免維護(hù)技術(shù)研究；③快速充電技術(shù)研究。

4.3 鋰電池系統(tǒng)可靠性

鋰離子蓄電池目前主要應(yīng)用于煤礦運(yùn)人和輕型運(yùn)料車，應(yīng)用推廣的主要問(wèn)題是安全問(wèn)題和續(xù)航里程[8-9]。 因此，鋰離子蓄電池系統(tǒng)可靠性主要從以下方面突破：①鋰離子蓄電池本身可靠性提升研究；②鋰離子蓄電池防爆輕量化技術(shù)研究；③鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)優(yōu)化研究；④快速安全充電技術(shù)研究。

4.4 系統(tǒng)使用可靠性

國(guó)內(nèi)綜采工作面快速搬家無(wú)軌膠輪車，經(jīng)過(guò)20 余年的國(guó)產(chǎn)應(yīng)用，設(shè)備技術(shù)已趨于穩(wěn)定，搬家工藝不斷優(yōu)化。因此，系統(tǒng)使用可靠性主要從以下方面突破：①綜采工作面快速搬家工藝技術(shù)研究；②裝備大型化研究；③售后配件儲(chǔ)備和維修技術(shù)研究；④產(chǎn)品定期保養(yǎng)技術(shù)研究。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)快速搬家成套裝備特點(diǎn)，將可靠性的指標(biāo)分為防爆柴油機(jī)系統(tǒng)可靠性、蓄電池系統(tǒng)可靠性、鋰電池系統(tǒng)可靠性、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性、液力傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性、液壓系統(tǒng)可靠性、電氣系統(tǒng)可靠性、智能化系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)使用可靠性9 個(gè)方面，確定了具體指標(biāo)項(xiàng)。

（2）從防爆柴油機(jī)系統(tǒng)可靠性、蓄電池系統(tǒng)可靠性、鋰電池系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)使用可靠性四個(gè)方面分析了提高快速搬家成套裝備可靠性需要突破的技術(shù)和研究的方向。