目前，我国自主开发、自行设计制造的煤矿大型机电装备在国内市场占有率呈逐年上升态势，成为我国煤炭工业技术装备的主体，基本满足我国煤矿安全生产和高产高效矿井建设的需要。

近年来，采煤机发展迅速并屡创佳绩，高端装备陆续推出，如世界首台8.8 m超大采高智能化采煤机、10 m超大采高智能化采煤机。采高记录不断刷新，一些技术及应用甚至达到国际领先。特别是随着国家加快推进煤炭行业供给侧结构性改革，煤矿智能化技术与煤炭产业融合发展提速，采煤机智能化技术应用快速发展，配合智能化综采工作面建设，推出了不少高效智能的煤机产品，如MG620／1660—WD智能化采煤机。

中国煤炭工业协会发布的《2020 煤炭行业发展年度报告》指出：“十四五”末，全国煤矿数量将控制在4 000 处左右，国内煤炭产量控制在41 亿t 左右。在煤矿数量逐年下降和煤炭总产量逐步增长的背景下，采煤机的开机率和效率成为高产高效矿井关注的焦点。为进一步提高采煤的可靠性、智能化水平和工效，企业积极开展了相应的研究与实践。

高效智能采煤机可靠性保障

采煤机是采煤工作面的核心设备，由于工况环境的特殊性，设备可靠性是矿井高产高效的基础和保障，也是智能化运行的载体。采煤机可靠性贯穿于产品设计、材料应用、工艺处理、生产加工、检测检验等各个环节。

设计保障

设计是采煤机的灵魂。在采煤机定型设计方面，需要通过对设计参数的演算、校核确定装备的最优化参数，同时利用三维设计平台进行虚拟化开发设计，避免冗余和薄弱设计。通过现场采集各种地质开采条件下的采煤机部件负载数据，对数据进行筛选、过滤，利用曲线拟合算法实现装备功率、牵引力最优化设计（图1）；通过三维设计平台实现精细化设计和虚拟数字化样机可视化，实现零部件装配、状态检查，整机静力、动态受力CAE分析（图2）。

材料保障

材料是机械装备的载体。由于采煤装备工况的特殊性，需要通过对关键零部件材料进行分析、筛选、改良来不断提升综合机械性能，并通过反复的试验研究，形成一套采煤机关键零部件材料制造工艺及标准，使材料性能达到甚至赶超国外水平。图3 展示了采煤机主要材料性能对比，根据多项指标对比，西安煤矿机械有限公司（简称西煤机） 在屈服强度、硬度等方面水平都赶超进口采煤机。

工艺保障

工艺是实现设计要求和发挥材料性能的手段，是提高采煤机机械性能和可靠性，延长采煤机使用寿命的关键。在设计保障和材料保障的前提下，通过铸造模拟技术和复杂形状壳体调质处理提升铸件综合性能；通过计算机控制、机器人焊接和激光熔覆等技术提升结构件焊接质量、耐磨防腐性能；通过对设计和材料的工艺性研究，采用高速切削和齿轮修型等技术，提升零件加工精度，保证材料的性能得到充分发挥。现有热加工和冷加工工艺如图4所示。

加工保障

加工是保障采煤装备设计、工艺性能的重要环节。采煤机是一个复杂的系统，涉及齿轮、轴、轴承壳体、连接等多类系统结构，精良的智能化加工装备可以避免多次加工积累的误差，提高加工精度，从而降低设备运行时的噪声和振动，减少传动机构的发热，提高设备使用寿命和运行稳定性。可以具体从以下4 个方面来保障采煤装备的加工：

（1） 使用先进的加工设备和技术

采用高精度数控加工设备，如数控车床、数控铣床等，以确保零部件的精度和质量。

（2） 严格控制质量

实施严格的质量管理体系，包括从原材料采购到成品加工的全过程质量控制，确保每个零部件和组件都符合规定的技术要求。

（3） 持续研发和创新

不断进行技术研发和创新，引入先进的加工工艺和材料，提高采煤装备的加工水平和性能。

（4） 智能化制造

引入智能制造技术，如数字化车间、物联网技术等，提高生产效率和设备加工质量。较为先进的数控加工中心如图5 所示。

电气控制

电气系统是采煤装备的控制核心，随着采煤装备的智能化发展，电气控制系统不但需要可靠的硬件支撑，还需要强大的数据处理能力和接口功能，保证其在矿井开采的特殊环境下“不卡顿”“不死机”。此外，由于采煤机电气系统的复杂性，需要通过三维布线模拟和电气系统抗干扰测试，合理进行箱内布局，从而优化电控箱电磁环境，提升电气控制系统整体稳定性和可靠性。通过三维布线模拟，电控箱三维布线设计 如图6 所示。

检测检验

质量是企业的生命，是员工的饭碗。检测检验是保证采煤装备质量的关键环节。随着采煤机智能化的发展，不仅需要对装备基本性能进行检测检验，还需要对其智能化功能进行模拟真实工况检测和验证，以提高智能化功能的适用性，降低现场验证的安全风险和试错成本，保障设备安全运行。现有各类采煤装备检测检验的试验平台如图7 所示。

采煤机智能化技术

智能化技术现状

自20 世纪90 年代开始，美国、德国、澳大利亚等国家先后提出相应的智能化开采技术方案，其思路均是依赖工业自动化基础，结合远程可视化监控，实现对采煤机、液压支架等装备的控制。1990 年德国推出的综采电液控制自动化系统，其特点是装备程序化控制。2000 年之后，随着计算机与网络技术进步，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）开发了以设备定位技术为核心的LASC 长壁自动化系统。以艾柯夫、久益为代表的煤机企业，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等新技术不断融入煤炭开发和利用，逐步实现煤矿生产过程智能化运行；并继续加强基础研究，突破关键核心技术：①采煤机的人、机、环等信息自主感知交互技术，构建从现场传感信息到运行控制系统、工艺规划系统的信息反馈数据链，构成智能采煤机控制的数字主线；②采煤机的强人工智能技术，把智能仿生作为提高采煤机智慧能力的有效途径，提高采煤机自感控能力、自适应能力和自优化能力；③构建智能采煤工作面的数字孪生平台，采煤机具备很强的信息采集、信息存储、数据挖掘、数据应用和智能控制能力；④系统研发采煤机组的机器人技术，使之成为煤矿危险环境中以机器人替人的落脚点。

国内采煤机智能化研究起步相对较晚，但发展迅速。从2005 年开始，西煤机率先将远程通信技术应用于采煤机，并在潞安集团王庄煤矿和重庆能源投资集团松藻煤矿成功实施，与中国矿业大学共同承担的国家“863”计划重点项目“采煤机远程控制技术及监测系统”的结题，标志着采煤机远程通信技术的成熟。此后，以西煤机和天地科技股份有限公司为主的煤机企业开始大规模开发探索采煤机记忆截割、机载视频、故障诊断等智能化功能；20l0年，在山西大同唐山沟煤矿对采煤机自动截割技术进行工业试验，首次实现了国内工作面自动化记忆截割；2014 年，陕西陕煤黄陵矿业有限公司应用西煤机MG2×200／925―AWD采煤机，首创了地面远程操控采煤模式，率先实现了采煤工作面全过程“无人跟机作业，有人安全巡视”的安全高效开采；2019 年，西煤机研发制造的世界首台8.8 m超大采高智能化采煤机投入国能神东煤炭上湾煤矿12402工作面使用，该采煤机具有惯性导航、机载视频、摇臂故障智能诊断、无线远程通信、记忆截割等功能，2020 年11 月通过中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定；2020 年8 月，陕西陕煤黄陵矿业有限公司成功实践了基于动态地质模型的大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术，采煤机实现了由传统记忆截割向自动规划截割的跨越。

智能化技术

采煤机智能化技术主要包括：工况监测、姿态监测、机载控制、精准定位、记忆截割、进刀协同、故障诊断、安全联动、机载视频、无线通讯、直线度检测、智能调高、防碰撞、煤流平衡等，概括起来可以分为感知、通信、控制、诊断4 个方面。

（1） 感知

若要实现智能控制，就必须对采煤机的工况环境、运行状态、自身姿态进行全面的感知测量，如瓦斯、温度、湿度、流量、压力、电流、振动、油位、油品、俯仰角、采高等参数。只有通过完备的智能感知系统，才能做到心中有“数”，为智能决策和控制提供依据。采煤机各个感知系统如图8 所示。

对于智能化采煤机来说，定姿定位是关键，“惯导+”是目前最有效的解决方案，通过惯导+倾角+里程计，可主要实现机身和摇臂姿态监测、位置精准测量和三维空间定位等。

（2） 通信

数据通信是设备之间联系的桥梁，采煤工作面设备之间需要实时交互。根据不同工况的不同需求，采煤机对外通信可采用以控制电缆、光缆为媒介的有线通信方式，也可采用Mesh、WiFi、4G/5G的无线通信方式，并适用CAN、EIP、TCP/IP 等多种通信协议。另外，为提高通信的可靠性，也可采用有线+无线的冗余通信方式。

（3） 控制

随着采煤机智能化的发展和控制需求的提高，原来的机载遥控方式已发展为多端控制模式，包括本地控制、远程控制、人工辅助、自动控制和智能控制，控制策略方面以记忆截割、规划截割为主，更高阶的智能截割技术正在逐步尝试。在协同控制方面，基于设备之间的数据互联互通和数字孪生驱动技术，可实现一键启停、煤流平衡、防干涉等多机协同和智能联锁，提高设备运行的效率和安全性。采煤机智能控制方式如图9 所示。

（4） 诊断

设备运行过程中不可避免地会出现异常状况，智能监测诊断系统可分析判断设备运行状况和健康状态，实现预防性维护，提高装备运行效果。目前，西煤机建立了采掘装备远程故障诊断与运维系统，可实现采掘装备的远程专家诊断，提供设备的健康分析和预防性维护方案，并可通过移动端随时随地掌握设备状态，实现设备的全生命周期运维管理。采煤机远程故障诊断与运维界面如图10所示。

高效智能采煤机实践应用

采煤机的发展需要不断的技术创新和应用实践。智能化技术已经成为采煤机的必要配置。近年来，西煤机在高效智能采煤装备研发和应用方面取得了重要成果，以下分享几个典型应用实践和经验。

MG620/1660—WD 采煤机

2020 年，西煤机与陕西陕煤黄陵矿业有限公司合作“基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术”项目，运用动态地质信息、惯性导航和激光雷达等实时监测数据，融合迭代规划截割控制策略，实现了智能控制系统的自动分析、提前预测和自主控制，全工作面无人干预的精准开采生产模式。MG620/1660—WD采煤机（图11） 在黄陵一号煤矿得到成功应用。

MG1100/3030—GWD 采煤机

2019 年，西煤机自主研发的世界首台套8.8 mMG1100/3030—GWD超大采高智能化采煤机在国能神东煤炭上湾煤矿应用（图12），最高日产达6.55万t，最高月产达150.6 万t。该采煤机将智能化技术中的感知、通信、控制、诊断进行有机结合，实现了采煤机健康监测与远程运维管理的智能化升级。目前，已经完成2 个工作面的回采任务，累计生产原煤约3 800 多万t。该采煤机的成功研发和应用填补了超大采高采煤装备的空白，加速推进了采煤装备国产化进程，打破了依靠进口的“困局”。

MG750/1980—WD 采煤机

陕煤集团小保当煤矿实现了全国首个中厚煤层450 m超长工作面智能开采，该工作面采用西煤机自主研发的MG750/1980—WD采煤机（图13），工作效率提高了18%，月产量突破120 万t，单日最高产量达到5.2 万t，攻克了制约煤炭行业发展的中厚煤层智能高效绿色低碳开采技术难题，使2～3 m中厚煤层年产千万吨智能化开采成为现实，运用采煤机远程故障诊断技术，将采煤机工作实时数据传回地面，方便及时调试及维修，提高综采效率。

MG1050/2840—WD 采煤机

国能神东煤炭榆家梁煤矿52305 工作面地质条件复杂， 煤层夹矸最厚达1.5 m 以上， 应用了MG1050/2840—WD采煤机（图14）。该采煤机具有功率密度大、运行速度高等特点，同时融合了5G通信、矿鸿系统应用等技术，适用于中厚煤层的大功率高产高效智能化开采要求。目前，已经完成榆家梁煤矿52305 工作面坚硬煤层开采，最高日采煤达21 刀，实现了硬煤层地质条件下中厚煤层的高产高效开采。

MG1200/3350—GWD 采煤机

西煤机自主研制的世界首台10 m 超大采高MG1200/3350—GWD采煤机（图15） 于2023 年6 月20 日通过出厂评议并发布出厂，2023 年7 月25 日进行地面“三机”联合运转。目前，该采煤机正在陕煤集团曹家滩煤矿进行122104 综采工作面正式投用，运行良好。10 m超大采高采煤机的成功研制，打破了10 m厚度煤层需放顶煤的限制，使曹家滩煤矿单面年产量从1 300 万t 提高到2 000 万t 以上，煤炭资源回收率提高10%以上。

结 语

当前，国产高效智能采煤机蓬勃发展，但也存在一些软硬件方面的弱项短板：①仍有部分关键器件依赖进口；②保障装备质量和可靠性的工艺手段还需进一步创新；③各类监测传感器的可靠性和精度仍需提高；④面对煤矿井下的复杂环境，现有采煤机控制算法的适应性还未达到预期；⑤数据积累不足，设备预测性故障诊断模型的健壮性和精度不高。

此外，更多的智能化技术在采煤机上逐步应用将成为未来发展趋势，装备制造企业应该不断融合运用先进的科学技术，深度研发应用自适应截割、智能协同控制、故障自诊断等技术，持续提升装备智能化水平，避虚就实、简化操作，注重实用，注重解决痛点问题，以装备智能化为驱动，以可靠性为基石，以实用化为检验标准，推动采煤工作面少人无人常态化运行。

责任编辑： 李金松

作者简介：第一作者：赵友军，正高级工程师，现任西安煤矿机械有限公司副总经理、总工程师，《智能矿山》理事，主要从事煤炭高效安全生产技术及装备的设计研发工作。

作者单位：西安煤矿机械有限公司