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； 無軌膠輪車

0 引言

目前國內(nèi)現(xiàn)代化煤炭礦井超過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)，搬家時間的時長是影響煤炭產(chǎn)量的一項重要因素。 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)高度重視的一項工作。

現(xiàn)階段國外和國內(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、齒軌車和無軌膠輪車四個大類。 傳統(tǒng)的綜采工作面搬家時間大約需要50天左右，而無軌膠輪車快速搬家時間大約7 天左右。 我國從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。 本文以無軌膠輪車快速搬家成套裝備為研究對象， 通過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， 我國采煤方法及其工藝進(jìn)入了第三個階段， 開始推行綜合機(jī)械化采煤，實現(xiàn)了落煤、裝煤、運煤、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)械化逐步向自動化、智能化方向的升級，以實現(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，國家發(fā)展改革委、國家能源局、應(yīng)急部、國家煤礦安監(jiān)局、工業(yè)和信息化部、財政部、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》。 意見的發(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)測系統(tǒng)等多項智能化設(shè)備。

2 無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)以上物料運輸和安撤需求， 目前主流的無軌膠輪車快速搬家成套裝備（以下簡稱“快速搬家成套裝備”）包括：框架式支架搬運車、鏟板式支架搬運車、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：單機(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、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)備主要包括動力系統(tǒng)、機(jī)架組件、傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)等部分組成，每個系統(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際使用過程中表現(xiàn)出的搬運保持能力的特性， 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)場的使用、維護(hù)都需要強化。

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)械傳動系統(tǒng)可靠性、液力傳動系統(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 個方面，具體指標(biāo)見表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Ⅱ以下防爆柴油機(jī)在國內(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)前最大的問題是尾氣污染問題。 因此，2018 年國家煤礦安監(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Ⅱ以下的防爆柴油機(jī)， 使用國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)以上產(chǎn)品替代。對標(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， 升級為國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)用于煤礦重型搬運車輛，電池一般采用快換結(jié)構(gòu)，使用相對穩(wěn)定，單臺配置3 塊電池（1 用1 充1 冷卻）[7]，需要專業(yè)團(tuán)隊進(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)用于煤礦運人和輕型運料車，應(yīng)用推廣的主要問題是安全問題和續(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

國內(nèi)綜采工作面快速搬家無軌膠輪車，經(jīng)過20 余年的國產(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，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)械傳動系統(tǒng)可靠性、液力傳動系統(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 個方面，確定了具體指標(biāo)項。

（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。