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★ 本刊特稿 ★

采煤机技术发展历程(二)
——铣削式滚筒采煤机

葛世荣

(1. 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,100083;2.中国矿业大学(北京)智慧矿山与机器人研究院,北京市海淀区,100083)

摘 要 铣削式滚筒采煤机是采煤机械的一次变革,已成为煤炭开采的主力装备,我国滚筒采煤机开采煤炭产量占比达到80%以上。笔者梳理了国内外滚筒采煤机的发展历程,考证了滚筒采煤机的技术变革节点。英国安德森公司于1948年改制成第1台滚筒采煤机,开启了滚筒采煤机的制造史,我国自主生产滚筒采煤机比国外晚,但在采煤机结构调整时期,我国特大型滚筒采煤机研发及机型更新速度明显快于国外,近5年来更是创造了一批采煤机功率或采高的世界新记录。至今,滚筒采煤机发展经历了7次变革,第1代采煤机是1952年诞生的安德森型固定滚筒采煤机,第2代采煤机是1963年创制的AB型可调高单螺旋滚筒采煤机,第3代采煤机是1972年出现的AM500型液压牵引可调高双滚筒采煤机,第4代是无链牵引采煤机,第5代是电牵引采煤机,第6代是仿形(记忆)截割采煤机,第7代是无人驾驶采煤机。本篇仅介绍机械牵引和液压牵引的滚筒采煤机,电牵引滚筒采煤机将另文叙述。统计表明,国外各公司设计生产了50余种非电牵引的滚筒采煤机,而我国设计生产了近100种非电牵引的滚筒采煤机。

关键词 滚筒采煤机 采煤机械化 采煤机发展史

铣削式滚筒采煤机是采煤机械的一次重大技术变革,它带有截齿的滚筒作为圆周铣削刀具,切入煤层实现连续铣削式采掘,煤层铣削厚度和深度取决于滚筒直径和宽度,而割煤速度和长度取决于采煤机行走速度和一次行程。目前,滚筒采煤机已是现代化煤矿的主力采煤设备,在我国,滚筒采煤机所采出的煤炭产量占总产量的80%以上。

自1948年滚筒采煤机诞生以来,它推动煤炭开采工艺实现了3个跨越:一是煤层开采高度跃升,从一般机械化的1 m采高,增至3 m大采高和5 m以上特大采高;二是采煤工作面长度延长,从过去不到50 m的短壁工作面,拓至可达400 m的长壁工作面;三是可采煤层自由度增强,从以往只能开采较为规则的煤层,变为能够自动适应复杂起伏煤层的变化而开采。可以认为,这3个技术跨越引起了井下采煤工艺变革和煤矿生产模式转变,奠定了自动化、智能化采煤的重要基础。

本篇将主要回顾机械牵引、液压牵引的滚筒采煤机发展历程,称为机械牵引采煤机。

1 滚筒采煤机起源与演变

滚筒切割原理最早被用于农业收割机,100多年之后成为采煤机的滚筒切割方式,1919年德国制造了第1台履带式轮斗挖掘机,1948年英国制造出滚筒式采煤机,之后陆续出现了摇臂滚筒采煤机和双滚筒采煤机,三者之间的原理相似性如图1所示。

图1 滚筒采煤机的原理溯源

经过70多年的发展,滚筒采煤机的机型不断丰富,机器功能逐渐提升,生产能力成倍增大,智能水平陆续健全。滚筒采煤机基本结构包括采煤机支撑、截割滚筒推进、滚筒高度调节、滚筒布局方式、滚筒结构形式等5个方面,如图2所示,其中有20个机构要素,可组合为不同形式的采煤机构型。例如,爬底板式+锚链牵引+单滚筒+鼓形滚筒的薄煤层采煤机,骑行式+液压无链牵引+双滚筒+螺旋滚筒的厚煤层采煤机等。

图2 滚筒采煤机的机构要素

2 国外滚筒采煤机发展历程

2.1 英国公司的滚筒采煤机

1948年,安德森-鲍伊公司(ANDESON-BOYER)成功改装1台截盘式滚筒采煤机,在法国亚尔沙斯(ALsace)矿区使用,这是滚筒采煤机的起步[1];1952年,时任英国国家煤炭局西部分局主任的詹姆斯.安德顿爵士设计了单向割煤的固定单滚筒采煤机,开创了安德顿系列滚筒采煤机,被认为第1代滚筒采煤机;1954年,安德森-鲍伊公司制造出AB16-安德顿型采煤机;自此,安德森公司成为世界滚筒采煤机研发制造基地。第2代滚筒采煤机(MK-I,1963年)和第3代滚筒采煤机(AM500,1972年)均诞生于该公司。安德森公司创制的不同采煤机规格如表1所示,其中,安德顿单滚筒采煤机、安德顿却盘采煤机和安德森AM500双滚筒采煤机如图3所示。

1 安德森公司创制的不同采煤机规格

机型型号功率/kW年份安德顿型采煤机AB15-SE50/7037/521952AB16-SE80601954AB16-SE100751958AB16-SE120901959AB-Trepann901959M&C-SE100/12075/901961AB型固定滚筒采煤机AB16-DE2001501962AB10/12-SE80601963AB16-DE2702001967AB型摇臂采煤机MK-I(SERDS)1501963MK-Ⅱ(DERDS)2001965AB16-DERDS2702001966AB16-DERDS5404001969AB-II(DERDS)2001970AS-Battock2001974AM型采煤机AM-DERDS5003751972AM-SERDS5003751978AM-Astro DERDS10007501978AM-4202001979

此外,杰弗里·戴蒙德(BJD)公司也是英国的采煤机骨干制造厂,1974年造出B-57型爬底板双滚筒采煤机,其行走以运输机挡板上的导管导向并调斜,在溜槽铲板上有2只支撑滑靴,在煤壁侧底板上有2只可浮动的液压滑靴;1975年造出Supermatic 300双滚筒采煤机,采用R11型液压牵引齿轨型行走机构,能在自动牵引时自动控制负荷,通过电磁阀实现均衡功率牵引[2];1976年研制出B-61型爬底板双滚筒采煤机,采煤机在铲板上导向,机面高度降至620 mm;1981年研制出B-61A型双滚筒采煤机,是B-61采煤机的改进型,设有9档速度的液压锚链牵引系统,也可以采用无链牵引[3];1982年造出Maximatic型双滚筒采煤机,适用于厚度0.8~3.1 m、倾角30°以内的缓倾斜和倾斜煤层开采,可选择5种不同形式的截割部,采用液压链牵引,该机带有无线电遥控功能,控制距离为10 m,如图4所示。

图3 安德森公司创制的典型采煤机

图4 BJD公司Maximatic型双滚筒采煤机

2.2 德国艾柯夫公司的滚筒采煤机

德国艾柯夫(EICKHOFF)公司早期的采煤机以EDW-功率数-L(N或K)表示,E代表艾柯夫,D表示双滚筒,W表示滚筒采煤机,L表示侧置式摇臂,K表示短机身,N代表缓倾斜薄煤层。

1954年,艾柯夫公司制造出第1台W-SE-Ⅲ型固定滚筒采煤机,电机功率为80 kW,首次采用圆环锚链牵引方式;1958年造出W-SE-Ⅳ型固定单滚筒采煤机,装有固定的截割滚筒和后挂台式装煤犁;1961年推出EDW-200型中部双滚筒采煤机,两个截割滚筒布置在截深中部,可双向采煤,采用液压链牵引;1964年生产EW-170-L型单滚筒采煤机和EDW-170-L型双滚筒采煤机,自此L系列摇臂可调高滚筒采煤机成为该公司的主力机型;1967年推出液压牵引双滚筒采煤机;1970年推出EW-300-L型单滚筒采煤机,首次采用液压驱动的链轮-链轨牵引方式;同年,造出EDW-300-L型和EDW-2×300-L型滚筒采煤机。德国艾柯夫公司的滚筒采煤机如图5所示。

图5 德国艾柯夫公司的滚筒采煤机

1971年,艾柯夫公司制造出EDW-170-LN型双滚筒薄煤层采煤机,采用液压链牵引或齿销无链牵引的机道内爬底板行走方式,适用于厚度1.3 m以下的薄煤层开采[4];1972年造出EW-200-L型单滚筒采煤机和EDW-200-L型双滚筒采煤机,首次设计了液压操纵的可翻转弧形挡煤板和破碎大块煤的滚筒,装有无线电遥控;同年,推出EDW-300-LN爬底板采煤机,采用煤壁侧槽帮滚柱齿条牵引方式,机载直流电驱动;1973年推出EDW-340-L型采煤机;同年,推出EDW-300-LH型双滚筒采煤机,是摇臂加长机型;1975年推出EDW-380-L型采煤机,工作电压升至3.3 kV;1981年研制出EDW-230-LN型双滚筒采煤机,其特点是设计弯曲摇臂,以增大装载过煤空间。艾柯夫公司L型摇臂采煤机的模块式组合图见图6。

1-截割部;2-摇臂;3-右螺旋滚筒;4-左螺旋滚筒;5-电动机;6-中间控制箱;7-Eicomatic液压牵引部或Eicotrack电牵引部;8-左侧控制箱;9-右侧控制箱(带电缆接线盒);10-EW-L型右侧控制箱

图6 艾柯夫公司L型摇臂采煤机的模块式组合

据统计,截至1990年,艾柯夫公司生产了各类机械牵引的滚筒采煤机768台,其中130-L型44台、170-L型239台、170-LN型138台、200-L型41台、200/230-LN型44台、300-L-LH型168台,短机身EW(ESA)170-LK型2台、60-L型68台、60-K型3台、150-L型18台、150-K型2台、300-L型1台[5]

2.3 法国沙吉姆公司的滚筒采煤机

1958年,法国通用机电公司(沙吉姆,SAGEM)制造出THV-6型固定单滚筒采煤机;1970年造出THV-16型固定单滚筒采煤机,如图7所示,电机功率为150 kW,采用液压锚链牵引,该机采用抬高机身的方式调整采高;1972年造出THV-150型可调高单滚筒采煤机,采高1.1~3.2 m,之后生产了THV-225型单滚筒采煤机;1971年造出DTS-300型双滚筒采煤机,这种采煤机没有专门的摇臂,电机、减速箱和滚筒连为一体,靠液压装置驱动一同升降提高,采煤机操纵为跟机遥控,最大遥控距离10 m[6];1976年造出SIRUS-400型双滚筒采煤机,采用液压无链牵引[7](1979年我国引进的100台国外采煤机中,SIRUS-400机型有47台,占比最高);1980年该公司造出SIRUS-HC型薄煤层双滚筒采煤机,是一种悬挂机身的机道内行走采煤机,采用Dynatrack无链牵引。

图7 沙吉姆THV-16型采煤机

2.4 日本三井三池公司的滚筒采煤机

1979年,日本三井三池制作所(MITSUI MIIKE MACHINERY CO., LTD.)研制出MCLE270-DR8292型双滚筒采煤机,功率为270 kW,最大采高3.42 m,采用液压驱动销轨式无链牵引[8];1980年研制出MCLE350-DR6565型双滚筒采煤机,电机功率300 kW,采高1.2~3.5 m,采用液压锚链驱动,牵引部采用内啮合两级行星齿轮传动[9];1983年研制出MCLE200-DR7575型薄煤层双滚筒采煤机,为侧置式直摇臂,采用液压驱动齿轮齿条牵引,功率为200 kW,采高l.00~1.79 m[10];1983年研制出MCLE500-DR100100型大功率采煤机,电机功率500 kW,采高1.9~4.5 m,采用齿轮-滚柱齿轨无链牵引方式,有2个独立的闭式循环液压牵引部,能实现统一自动调速[11]

2.5 苏联(俄罗斯)高尔洛夫斯基机械制造厂的滚筒采煤机

高尔洛夫斯基机械制造厂是苏联采煤机主要制造基地,大部分滚筒式采煤机出自该厂。1954年,该厂制造出К-32型急倾斜煤层的滚筒采煤机,它由2个装有截齿的螺旋板和2个带有截链的平截盘构成,采高为0.6~1.2 m;1965年造出2УК立式双滚筒采煤机,机身两端各布置1个垂直于底板的截割滚筒,采用爬底板式牵引;1968年造出MК-67型立式滚筒浅截式采煤机,该机的截割滚筒位于机身中部且竖轴布置,可以自开切口双向割煤,截割滚筒分为上下2个截盘,由同1条传动链带动旋转,内置千斤顶可以调整上部截盘升降,以适应煤层厚度变化,也可拆卸上截盘[12];1970年造出1К-101型液压牵引浅截双滚筒采煤机,如图8(a)所示,在机头布置双滚筒,采用链牵引,后来改型为2К-101采煤机[13],这种采煤机在独联体薄煤层开采中应用最广泛,顿巴斯矿的45%~48%煤炭由此型号采煤机采出[14];1975年造出КЩ-1КГ型双滚筒采煤机;1980年批量生产К-103型双滚筒采煤机,如图8(b)所示,它是一种外牵引爬底板双滚筒采煤机,并能自开机窝,液压锚链牵引,适用于采高0.7~1.0 m、倾角小于35°的薄煤层开采[15];1981年造出КA-80型立式滚筒采煤机,截割部是2个竖立滚筒,滚筒直径950 mm,截深0.8 m [14];1982年造出ПОИСК-2型“探索-2”爬底板式双滚筒采煤机,采用钢丝绳外牵引[16];1985年制造出РКУ-10、РКУ-13、РКУ-6、РКУ-20和РКУ-25型采煤机,采高逐步加大,均为无链牵引[17];1990年造出КA85滚筒采煤机,该机是1К101采煤机的替代机型,采用液压无链牵引,牵引部和截割部以铰链连接;1992年造出КA90型薄煤层滚筒采煤机,采用立式滚筒截割、变频调速电牵引,截割电机功率为220 kW,采高0.85~1.2 m,截深800 mm [14]

图8 苏联高尔洛夫斯基机械制造厂生产的采煤机

2.6 其他国外公司的滚筒采煤机

1962年,捷克生产КИТ型单滚筒采煤机,适用于0.55~0.66 m硬煤层,用2台风动绞车牵引;同年,造出КCV32型双滚筒采煤机,适用于煤层厚度0.55~0.77 m,采用液力链条牵引[18];1968年造出КSV33型滚筒采煤机,适用于0.7~1 m厚的中硬或硬煤层,之后造出КSV-6型改进型,成为捷克薄煤层开采的主力采煤机。

1970年,波兰法姆尔(FAMUR)采矿机械厂制造出KWB-3RDS型可调高双滚筒采煤机,采高 1.6~3.0 m,用液压锚链牵引;1968年造出KWB-3DS型双滚筒采煤机,采高1.3~1.8 m,配有无线电遥控装置;1976年造出KWB-2浅截式单滚筒采煤机,之后制造出采高1.8~3.0 m的KWB-4型双滚筒采煤机和采高2.8~3.7 m的KWB-6型骑刮板机的重型双滚筒采煤机;1979年造出KWB-3RNS型(采高1.1~1.8 m)、KWB-3DU型(采高1.3~1.7 m)、KWB-3RDU型(采高1.4~3.0 m)双滚筒采煤机,用以代替KWB采煤机;1984年造出KGS系列双滚筒采煤机,采高1.1~4.5 m,采用无链牵引,用以代替KWB采煤机[19-20]

1990年,西班牙马吉纳公司研制出HUNOSAH-1型急倾斜煤层的双滚筒采煤机,采用液压绞车外部牵引,适用于厚度0.6~1.7 m、倾角40°以上的煤层[21]

3 我国滚筒采煤机发展历程

我国滚筒采煤机的型号主要以MG-xxx/yyy-WD(G、A、Q、N)表示,MG代表滚筒式采煤机,xxx/yyy表示截割电机功率(kW)/总装机功率(kW),W代表无链牵引,D代表电牵引,G、A、Q、N分别代表高型、矮型、大倾角、短机身的采煤机。

1959年,鸡西矿务局与鸡西煤矿机械厂以康拜因、截装机为基础,改制出浅截式滚筒采煤机,被称作“鸡西型滚筒康拜因”,这是我国第1台自制滚筒采煤机。

1963年,大同矿务局同家梁矿利用波兰截煤机的行走部,改装出浅截式滚筒采煤机,同时将配套的CKP-30型输送机改制为可弯曲型刮板输送机,第1次实现了工作面刮板输送机的动力推移,成为我国机械化采煤由深截式改为浅截式的开端[22]

1974年,我国引进了43套国外综采设备。其中,在大同矿务局同家梁矿综采队使用英国AM500采煤机组,创造了日产3725 t的最高纪录[23]

截至1980年,我国共生产了15个型号采煤机约3000台,保持完好的采煤机约870台(包括100余台进口采煤机)。1981年5月,全国采掘机械化技术研讨会在上海莘庄召开,确定了引进和研制并举的采煤机发展方向:西安煤矿机械厂引进EDW300-L型采煤机,仿制MXA300/3.5采煤机;上海煤矿机械研究所负责设计试验,鸡西煤矿机械厂制造MG300-W型采煤机;太原矿山机器厂引进AM500采煤机技术,批量生产AM500采煤机,由此形成了我国大功率采煤机“三厂一所” 鼎立的局面[24]

3.1 鸡西煤矿机械厂创制机型

鸡西煤矿机械厂(以下简称“鸡西煤机厂”)的前身是建于1933年的密山炭矿株式会社鸡宁机械制作所,1946年组建为东北工矿处鸡西办事处机械制造所,1959年更名为鸡西煤机厂,是我国最早的采煤机制造厂,也是苏联援华156个项目之一,被誉为中国采煤机的摇篮。截至2015年 3月,该厂生产的各类采煤机达到4008台,创制了多种具有我国采煤机里程碑意义的机型。

1963年,鸡西煤机厂在学习波兰KWB单滚筒采煤机基础上,设计制造了MLQ-64型固定单滚筒浅截式采煤机,是我国第1台以螺旋滚筒为工作机构、破煤与装煤一体化的联合滚筒采煤机,它与张家口煤机厂仿制波兰的SGW-44型可弯曲刮板输送机搭配成综采机组,如图9(a)所示[25];1966年7月,大同矿务局使用MLQ-64型滚筒式采煤机组,建成了第1个使用国产采煤机的普通机械化采煤工作面,如图9(b)所示,实现了采煤工艺由深截式向浅截式的重大变革。

图9 MLQ-64型单滚筒采煤机与SGW-44型刮板输送机形成的综采机组和采煤工作面

1964年,鸡西煤机厂与山西煤炭工业研究所等单位联合研制出MLS-1型前置固定双滚筒采煤机,电机功率150 kW,这是我国第1台双滚筒浅截式采煤机,在机头侧设有2个摇臂滚筒,采用钢丝绳牵引,1968年3月通过原煤炭部鉴定[26];1966年鸡西煤机厂试制成功首台MLQ1-80型固定单滚筒采煤机,如图10所示,滚筒直径0.8 m,截深0.6 m,设计采高1.1 m,以钢丝绳牵引;1970年,大同矿务局中央机厂制造出我国第1批TZ140液压支架,同年11月在煤峪口矿8710工作面形成MLQ1-80型采煤机、SGW-150型刮板输送机、TZ140型液压支架的综采工作面,这是我国第1个国产装备的综采工作面[22]

1970年,鸡西煤机厂试制成功东方80型爬底板可调高双滚筒采煤机,装机功率80 kW,截深0.6 m,外部液压牵引,速度0~6 m/min,采高0.5~1.3 m [27];1976年,鸡西煤机厂制造出MLS3-170型双滚筒采煤机,是仿制艾柯夫EDW-170型采煤机,并以此派生出12种系列产品[28-29],阳泉矿务局工人将此当作自动化的新起点并创作了绘画作品,采煤机及绘画作品如图11所示。

图10 MLQ1-80型滚筒采煤机(现存黑龙江科技大学)

图11 MLS3-170采煤机及工人绘画

1980年,鸡西煤机厂与黑龙江煤矿机械研究所共同开发了BM-100型骑刮板输送机双滚筒薄煤层采煤机,如图12所示,1985年7月通过技术鉴定[31]。鸡西煤机厂创制的机械牵引滚筒采煤机如表2所示。至1990年,该厂生产约1000台采煤机,形成4个系列21种采煤机(MLS3-170系列11个品种,BM-100系列2个品种,MG-200系列2个品种,MG-300系列6个品种),年产采煤机160台,其产量居世界第3位。

图12 BM-100采煤机以“土法”进行截割试验

2 鸡西煤机厂创制机型参数

注:M-采煤机,L-联合,Q-浅截式,S-双滚筒,B-薄煤层,D-单滚筒,X-小型,A-矮型,J-简易型

3.2 太原矿山机器厂创制机型

太原矿山机器厂成立于1950年,其前身是1926年阎锡山创建的育才炼钢厂(后与育才机器厂合并,改为西北育才炼钢机器厂)。1985年8月,太原矿山机器厂引进英国安德森公司采煤机技术,仿制出国内最大功率的AM500/3.5型液压采煤机,如图13所示,截割电机功率2×375 kW,是我国首台开采硬煤的采煤机,1990年研制出AM500/4.5型采煤机。在此期间,该厂生产出RDS500/730-G(GF,GS,GFS,A,AG,高型H、HA)型采煤机和RDS500/731-G(GF,矮型BM、BMA)采煤机。1994年该厂与原煤炭科学研究总院上海分院联合开发成功6MG200-W型双滚筒采煤机;2002年又研制出7MG200-W型双滚筒采煤机。

3.3 西安煤矿机械厂创制机型

1951年,西安煤矿机械厂(以下简称“西安煤机厂”)建厂。1972年,该厂研制成功MZS-150型双滚筒采煤机,装机功率150 kW,滚筒直径1.25~1.50 m,截深600 mm,采高1.3~2.5 m,采用液压锚链内牵引[26];1980年造出MLQ3-100型单滚筒采煤机,采用锚链牵引,到1981年底有近百台MLQ-80型采煤机改装成为MLQ3-100型采煤机[32-33];1982年,该厂引进EDW300-L采煤机技术,制造出MXA-300/3.5型大功率液压传动双滚筒采煤机,这是第1台国产齿销式无链牵引采煤机,采高分为3.5 m、4.5 m两种[34],首台MXA600/4.5采煤机在十四届国际采矿大会展出如图14所示。1994年该厂与原煤炭科学研究总院上海分院联合研制成功MG375-AW型骑刮板输送机的薄煤层采煤机,采高1.2~2.5 m。西安煤机厂创制的机械牵引滚筒采煤机如表3所示。

图13 国产第一台AM500/3.5采煤机出厂试验

图14 首台MXA600/4.5采煤机在十四届国际采矿大会展出

3 西安煤机厂创制机型参数

系列型号采高/m截割功率/kW牵引速度/(m·min-1)创制时间MZMZS2-150MZS2-2×150MZD-1502.51508.6197219751979MLMLQ2-1002.6MLQ3-1001.9MLQ5-1001.3MLQ6-1502.41001506.02.51978198019831982MXPMXP-2402.72407.01987MXP-3503.23506.01992MXA-300MXA-600MXA-300/3.5MXA-300/3.5WMXA-300/3.5WAMXA-300/3.5WGMXA-300/4.5MXA-300/4.5WMXA-300/4.5WRMXA-300/4.5WGMXA-600/3.5MXA-600/3.5WMXA-600/3.5WAMXA-600/3.5WGMXA-600/4.5MXA-600/4.5WMXA-600/4.5WG3.54.24.54.83.54.24.53008.51983~19891987~1998MXGMXG-350350MXG-500(475)3.1375MXG-150/375-W2.95150MXG-500/4.54.62006.17.75.02001~2003

注:M-采煤机,XA-西安,Z-中厚煤层,D-单滚筒,S-双滚筒,P-爬底板,W-无链牵引,A-矮机型,G-高机型,R-软煤层

3.4 上海煤矿机械研究所创制机型

1959年,上海矿山机械设计院由原煤炭部上海煤矿设计研究院分出组建,1964年更名为煤炭科学研究院上海煤矿机械研究所(以下简称“上海煤研所”),1988年变更为煤炭科学研究总院上海分院,专门研制试验煤矿井下掘进机、采煤机和电气设备。1971年,上海煤研所设计、郑州煤矿机械厂和抚顺煤矿电机厂等单位试制出DYA-100型可调高单滚筒采煤机,如图15所示,采高1.3~2.4 m,这是我国第1台液压牵引采煤机,工作牵引速度0~6 m/min,1974年该机在平顶山通过技术鉴定[35],型号为DY-100采煤机,1977年获上海市重大科技成果奖,1978年获全国科学大会授奖,1979年,该机型功率增至150 kW,至1996年累计生产了1400余台DY-100(150)型采煤机。

1975年,由上海煤研所设计,在上海煤研所试验分厂和上海冶金矿山机械厂各试制了1台MD-150型双滚筒采煤机,该机装有无线电遥控和液压牵引装置,是我国自行研制的第1台中厚煤层液压采煤机,之后由鸡西煤机厂批量生产[36]。1981年设计出ZGC-300型双滚筒采煤机,后机型为MG300型,由鸡西煤机厂批量生产。上海煤矿机械研究所创制的机械牵引滚筒采煤机如表4所示。

图15 DY-100(150)采煤机在井下运行

4 上海煤矿机械研究所创制机型

系列型号采高/m截割功率/kW牵引速度/(m·min-1)创制年份MDMGDY100(150)2.5100MD-1503.0150MG3003.7300MG150(200)2.5150MG200(250)3.1200MGD150-NW2.81504MG200-W13.0200MG4004.6400MG2×300-AW13.0300MG200/475-W3.5200MG3754.53756.07.56.05.56/127.06.019711975198119831988199019901992199219931994

3.5 辽源煤矿机械厂创制机型

1969年,辽源煤矿机械厂(以下简称“辽源煤机厂”)建厂。1970年该厂自行设计制造出MLX-50型骑刮板输送机薄煤层双滚筒采煤机,设计一大一小截割滚筒,主滚筒直径0.6 m,调高滚筒直径0.3 m,装机功率50 kW,采高0.7~1.1 m;1971年造出MLQ1-80型可调单滚筒采煤机,该机滚筒直径0.3 m,采高0.7~1.1 m[37];1972年造出MDY-150单滚筒采煤机,滚筒直径1.25 m,最大采高1.1 m;1981年该厂与太原煤炭科学研究所合作研制出MLT-150型薄煤层单滚筒采煤机,是我国第1台爬底板式采煤机,采高0.8~1.5 m [38];1981年造出MLQ2-180型双滚筒采煤机,是MLQ1-80改进的机型,滚筒直径1.25 m,采高1.25~1.90 m [39];1986年造出1MG200型单滚筒采煤机,是当时煤矿综采和普采工作面广泛使用的机型之一;1988年造出1MGD200型单滚筒采煤机,采高1.3~2.5 m,派生出1MG250等4个机型,至1998年已生产了100多台;2007年研制出MG100/240-BW采煤机,采用多电机横向布置,机械传动系统各自独立,适用于大倾角薄煤层开采;2008年造出MG110/250-BW型双滚筒电控液压牵引采煤机,采高0.95~1.30 m,采用齿销式液压牵引。辽源煤机厂创制的机械牵引滚筒采煤机如表5所示。

5 辽源煤机厂创制机型参数

系列型号采高/m截割功率/kW牵引速度/(m·min-1)创制年份MLMDMGMLX-50MLQ1-80MLQ1-80LMLQ2-180MLT-150MDY-100MDY-150MDY-150AMGD150-NWMG360-WMG2×75-PF1MG2001MGD2002MG2×2001.11.92.62.52.02.53.51.02.53.55080180150100150150150752002002.56.09.36.05.06.07.01970197119721981198219841986198819901996199219861988

注:M-采煤机,L-联合采煤机,X-小型,Q-浅截式,T-特薄煤层,G-滚筒式,D-单滚筒,Y-液压牵引,F-外牵引, P-爬底板

3.6 无锡煤矿机械厂创制机型

1982年,无锡采煤机械厂研制出DY-150型单滚筒采煤机,滚筒直径有1.25 m和1.40 m两种,采高1.3~2.5 m,液压无极调速牵引;1984年研制出MP2-100型极薄煤层爬底板单滚筒采煤机,采高0.6~0.8 m,截深800 mm,液压无极调速牵引;1994年研发出4MG200-W型单滚筒采煤机,采高1.4~3.0 m,采用齿销式液压牵引,是当时我国高档普采工作面的主要机型之一。无锡煤机厂创制的机械牵引滚筒采煤机如表6所示。

3.7 其他煤机制造厂创制机型

在山东省,1973年淄博矿务局黑山煤矿机修厂改装出黑山-Ⅶ型薄煤层单滚筒采煤机,采用钢丝绳牵引,适用于采高0.5~0.9 m(爬底板)和0.9~1.3 m(骑刮板输送机)的薄煤层工作面,能实现往返双向采装机械化,装煤率可达90%以上[40];1975年该局西河煤矿机修厂用截煤机改装成功西河-Ⅲ型薄煤层单滚筒采煤机,采高分为0.5~0.9 m(爬底板)和0.9~1.3 m(骑刮板输送机),牵引方式有骑刮板输送机缠绕式和爬底板锚链式,到1977年改装了12台采煤机,使该矿采煤机械化程度达84% [41];1976年,淄博矿务局机械厂与山东省煤炭科学研究所合作研制出ZB-Ⅰ型薄煤层滚筒采煤机,它既能组装成采高0.8~1.3 m的骑刮板输送机采煤机,也可组装成采高0.6~0.8 m的爬底板采煤机,还可组装成双滚筒采煤机,采用液压锚链牵引[42-43];1980年研制出ZB2-100型骑刮板输送机薄煤层单滚筒采煤机,如图16所示,采用液压双驱动轮链牵引,机身高350 mm,采高 0.75~1.30 m [43]

6 无锡煤机厂创制机型参数

系列型号采高/m截割功率/kW创制年份DYMG4MGDY-150MG150MG150-WMG150-W1MG150-AW4MG2004MG200-W4MG200-AW2.52.22.52.22.52.82.215015020019811990198819881990199119941995

图16 ZB2-100型单滚筒采煤机

1998年,淄博先河机电公司在ZB2-100型采煤机的基础上,制造出MG100-T型爬底板采煤机,采用液压锚链牵引,牵引速度0~2.3 m/min,可开采0.75~1.5 m的极薄煤层;2003年造出MG100/111-TD型电牵引单滚筒采煤机,采高0.75~1.50 m,采用变频驱动的链轮链条啮合牵引,最大牵引力120 kN,牵引速度0~3 m/min[44]。2003年,泰山建能公司与新矿集团联合研制出MG132/320-W液压牵引采煤机,采用多电机横向布置,创新了牵引部泵箱布置形式,从传统的“湿腔”布置改为“干腔”布置,适用于1.4~2.9 m的中厚煤层开采。

1977年,重庆永荣矿务局机修厂研制出YRG2型极薄煤层采煤机,该机以钢丝绳牵引,牵引速度0.3~1.5 m/min,采高0.5~0.8 m[45]。2000年研制出YRG3型爬底板式极薄煤层采煤机,定型为MG100-TP,是当时国内最薄的采煤机,该机采用液压锚链牵引,机身高380 mm,采高0.5~0.9 m。

苏沪地区,1980年苏州地区机械厂试制成功ZMP-50型单滚筒采煤机;1981年造出ZMP-2×50型双滚筒采煤机,适合采高1.3~2.2 m、倾角小于14°、煤硬度f小于1的煤层[46]。1992年,常熟煤矿机械厂制造了5MG200-B型液压牵引骑刮板输送机式双滚筒薄煤层采煤机,在当时国内同类产品中装机功率最大、机面高度最低,采高1.0~1.8 m,截深800 mm [47]。2006年,上海创力矿山设备公司研制出MG80/120-TBW型极薄煤层采煤机,采高0.70~1.25 m。

4 特殊滚筒采煤机发展历程

4.1 短机身采煤机

短机身采煤机对于不适于布置长壁开采的短壁工作面和前进式长壁综采、高端头及宽巷掘进均有较好的适应性。

1976年,德国艾柯夫公司制造出EW-LK型短机身单滚筒采煤机,滚筒直径1.1~1.6 m,截深625 mm,最大采高3 m,装机功率170 kW,机器尺寸为3030 mm×726 mm×1100 mm(长×宽×高);1985年研制出ESA-60L型单滚筒短机身采煤机,摇臂可360°回转,机长2.1 m,摇臂长750 mm,采高1.4~3.2 m,采用液压驱动Eicotrack无链牵引,最大牵引速度6 m/min;1986年研发出ESA-150型短机身采煤机,机长3.31 m,采高1.5~4.2 m;1989年造出ESA-300L型电牵引短机身采煤机。截至1990年,艾柯夫公司已生产ESA系列短机身采煤机90多台,在比利时、捷克、南斯拉夫、波兰、匈牙利等国家使用[48]。此外,1980年德国威斯特伐利亚公司研制出VME短机身采煤机,电机功率120 kW,采高2.85 m。

1976年,英国安德森-斯切克拉公司制造出AB16型紧凑型单滚筒采煤机,机身长度3340 mm,滚筒直径1650 mm,电机功率200 kW,采用液压驱动的滚轮齿条无链牵引;1985年该公司把AM-500改成短机身采煤机,机长为4 m,功率375 kW,采高1.5~3.5 m。1983年,法国斯蒂芬诺依斯公司研制出MS-950、MA-132型短机身采煤机,电机功率132 kW,采高3.5 m,机长3.12 m。1987年,波兰法姆尔公司研制出KGU-130型短机身采煤机,电机功率132 kW,采高2.9 m,机长2.7 m,采用Eicotrack液压无链牵引,牵引速度0~7 m/min。

1990年,上海煤研所设计、辽源煤机厂制造出MGD150-NW型液压无链牵引短壁工作面采煤机,如图17(a)所示,装机功率150 kW,滚筒直径1.6 m,机长3 m,摇臂长度805 m,回转摆角270°,可使单滚筒兼作左或右滚筒使用,无需人工“开机窝”,最大采高2.85 m [49];1993年研发成功MGD150-N型有链牵引短壁采煤机,机长3 m,摇臂长615 mm,回转摆角270°,滚筒直径1.6 m,最大采高2.5 m;1994年制造出第1台MGD-N(A)型短机身采煤机,机身长度3 m,这比DY-150的7 m机身长度大幅度缩短;1996年研发出MGD250-NW型短壁采煤机,机长3.38 m,摇臂长874 mm,回转摆角320°,滚筒直径1.8 m,最大采高3 m[50];2002年造出MG250/300-NWD电牵引短壁采煤机,机长3 m,摇臂长905 mm,回转摆角310°,滚筒直径1.8 m,最大采高3 m;2002年造出MG250/300-NAWD型机载交流变频电牵引短壁采煤机,如图17(b)所示,机长3 m,摇臂长615 mm,回转摆角310°,滚筒直径1.8 m,最大采高2.5 m。

4.2 窄机身采煤机

对于不稳定顶板条件,采煤控顶距应尽量减小,截深小、机身窄的采煤机就有用武之地。

1987年,英国温斯特(Winster)公司设计制造了Colmil型采煤机,该机机身窄短,采煤方式类似于刨煤机,以液压锚链牵引,最大牵引速度20 m/min,固定单滚筒截割,截深0.33 m,采高1.3~2.2 m,机身高1 m、长3 m,装机功率150~200 kW [48]

图17 煤科院上海煤研所短壁采煤机

1987年,西安煤机厂与原煤炭科学研究总院西安分院开采所合作研制出MXD-240型窄机身双滚筒采煤机,机身宽1675 mm,装煤效果超过91%,割煤后不用攉煤可移运输送,缩短控顶距离和时间[51];1989年研制出MXP-240型窄机身采煤机,采高1.4~2.9 m,截深0.5 m,液压无链牵引,机身长7450 mm,机道宽1575 mm,宽度比其他型号采煤机窄80~300 mm[52];1992年研制出MXP-350型窄机身采煤机,增大了功率,保持了MXP-240的窄机身特点,采高1.3~3.2 m,双驱动销排式无链牵引,最大牵引速度6 m/min [53]

4.3 大倾角采煤机

大倾角采煤机是指在倾角35°~55°煤层运行的采煤机,须有特别增强的牵引力和防滑保护,设有双牵引或三牵引机构及可靠的制动装置,再配上辅助牵引和防滑绞车。

国外生产大倾角采煤机很少,1977年德国艾柯夫公司生产了EW-300-L型采煤机,适用倾角可达54°,它靠双牵引系统和可靠的制动装置来保证大倾角作业时的安全性。

1988年,原煤炭科学研究总院上海分院设计、鸡西煤机厂制造出MG200-QW型大倾角采煤机,如图18所示,它是国内第1台大倾角采煤机[54],采高1.5~3.0 m,采用无链牵引,最大牵引力450 kN,制动力700 kN,牵引速度0~5.5 m/min,适用于倾角45°~55°的煤层,1993年在沈阳矿务局红菱煤矿开采45°的煤层;1997年,原煤炭科学研究总院上海分院联合北京开采所、张家口煤机厂研制出MG375-QW1型采煤机,是我国第2代大倾角采煤机,采高1.5~3.0 m,采用无链牵引,最大牵引力500 kN,制动力700 kN,在四川华鉴山矿务局开采倾角45°的煤层[55];2003年造出MG200/456-QWD薄煤层大倾角采煤机,采高1.2~2.2 m,截割功率2×100 kW,牵引力分为440 kN、220 kN,最大牵引速度分为6 m/min、12 m/min,截深分为630 mm、800 mm[56];2012年研发出MG500/1150-QWD型交流电牵引大倾角采煤机,能适应倾角70°的煤层开采,在陕西绿水洞煤矿3212急倾斜综采工作面完成了工业性试验[57]

图18 MG200-QW采煤机进行倾角55°试验

2009年,辽源煤机制造公司与四川达竹煤电集团公司共同研发了MG110/130-TPD电牵引爬底式采煤机,采高0.75 m,最大牵引速度5.84 m/min,在达竹小河嘴煤矿的大倾角极薄煤层4026工作面投入运行,日均产量为390 t[58]

5 结语

滚筒采煤机是煤层高效切削技术的飞跃性进步,是采煤机结构的技术变革,为此后产生的长壁工作面和短壁工作面开采工艺变革奠定了关键性的装备基础。因此,滚筒采煤机是国内外制造商花费精力最大、研发品种最多的一种机型,国外各公司生产了50余种机械牵引的滚筒采煤机,我国生产了近100种机械牵引的滚筒采煤机。

我国自主生产滚筒采煤机比国外晚了10多年,中英两国滚筒采煤机发展态势对比如图19所示,其中的采煤机产量包括电牵引滚筒采煤机。可以看到,自1960年起,英国滚筒采煤机(生产)使用量呈直线增长,促使英国煤矿综采机械化程度在10年内提高了2倍。而我国在1980-2000年期间的采煤机产量不仅没有持续增长,反而在1995-2000年出现了走低态势,这与当时煤炭行业不景气、需求不旺盛有直接关系。在2012-2017年,我国出现第2次采煤机产量走低,这是煤炭供过求与中小煤矿关停双重效应叠加所致。如果没有第1次走低情况出现,我国采煤机发展的合理曲线应是图中虚线连接形成的渐进上升趋势,形成1个从机械牵引采煤机向电牵引采煤机稳步过渡的发展过程。

图19 中英两国采煤机发展态势及其对综采机械化的推动作用

由图19可以看到,我国虽然在2012年之后的滚筒采煤机生产数量下降,但其质量逐步提升,尤其是特大功率、超大采高采煤机基本上都诞生于我国,采煤机结构调整时期,我国特大型滚筒采煤机研发及机型更新速度明显快于国外,近5年来创造了一批采煤机功率或采高的世界新记录。此外,采煤机制造商分布重心发生了从北向南的转移。

至今,滚筒采煤机发展经历了7次变革,第1代采煤机是1952年诞生的安德森型固定滚筒采煤机,第2代采煤机是1963年创制的AB型可调高单螺旋滚筒采煤机,第3代采煤机是1972年出现的AM500型液压牵引可调高双滚筒采煤机。第4代采煤机是无链牵引采煤机,第5代是电牵引采煤机,第6代是仿形(记忆)截割采煤机,第7代是无人驾驶采煤机,这些采煤机发展历程将在后续文章中予以详细介绍。

致谢:谨以此文向为我国滚筒采煤机发展做出卓越贡献的前辈们致敬!感谢中国煤机协会会长张勇、中煤科工集团上海公司副总经理钱佩云、中国矿业大学机电学院王忠宾等专家为本文提供了重要数据;致谢为本文索引资料提供便利的中国知网、百度咨询、360百科等信息平台。本文述及的采煤机研发年份会有偏差,请读者帮助校正和补充。

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The development history of coal shearer technology (Part two)——milling drum shearer

Ge Shirong1,2

(1. School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. Institute of Intelligent Mines & Robotics, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Abstract Milling drum shearer was a technology revolution for coal cutting machine, and had been the main equipment of coal mining. In China, the coal production by drum shearer accounted for more than 80%. The author sumamarized the development process of the drum shearer made by domestic and overseas, the technical changing time points of the drum shearer were noted. British Anderson Company restructured the first drum shearer in 1948, opened the drum shearer manufacturing history. Our country's independent products of drum shearer were later than the abroad, but the development of larger drum shearer and the model update speed were very faster than foreign countries'. In recent five years, our country mines created new records of drum shearer's power or cutting height. Untill now, the drum shearer had experienced seven times revolution. The first generation of shearer was the Anderson fixed cutting drum produced in 1952. The second generation was the AB type adjustable hight single drum shearer created in 1963. The third generation was AM500 type hydraulic traction double-drum shearer manufactured in 1972. The fourth generation was represented by chainless traction drum shearer. The fifth generation was electrical motor drived drum shearer. The sixth generation of drum shearer developed with the function of contouring (memory) coal seam cutting. The seventh generation would be unmanned drum shearer. In this paper, the author only introduced the drum shearers with mechanical and hydraulic traction, the electric traction drum shearer would be described in another article. The statistics showed that foreign companies had designed and produced more than 50 kinds of non-electric traction drum shearers, while Chinese companies had designed and produced nearly 100 kinds of non-electric traction drum shearers.

Key words drum shearer, coal mining mechanization, development history of coal shearer

中图分类号 TD421.61

文献标识码 A

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引用格式:葛世荣. 采煤机技术发展历程(二)——铣削式滚筒采煤机[J]. 中国煤炭,2020,46(7):4-18.

Ge Shirong. The development history of coal shearer technology (Part two)——milling drum shearer[J]. China Coal, 2020, 46(7):4-18.

作者简介:葛世荣(1963-),男,汉族,浙江天台人,教授,中国矿业大学(北京)校长,从事智能采矿装备、摩擦可靠性工程研究。曾荣获“国家杰出青年科学基金”资助,获得“中国青年科技奖”、“国家有突出贡献的中青年技术专家”、“全国优秀科技工作者”、“何梁何利基金科技进步奖”、“世界能源论坛技术创新奖”、“孙越崎能源科技大奖”和“第2届全国创新争先奖状”。E-mail:gesr@cumtb.edu.cn。

(责任编辑 郭东芝)