采煤机技术发展历程
为全面了解采煤机技术创新过程，深刻认识采煤机对煤炭开采技术变革的作用，笔者把采煤机的创新脉络归纳为：基于4类切削机具、4种行走机构、6个控制能力，来满足５项采煤功能。由此，建立了采煤机切削机具、行走机构和控制能力3个维度、64种构型的采煤机集合库。以时间轴为主线，梳理出截煤机、刨煤机、钻煤机、滚筒采煤机、连续采煤机、露天采煤机、电牵引采煤机，以及采煤机可靠性、煤岩界面探测、采煤机自动化的发展历程，本篇介绍截煤机、刨煤机、钻煤机的发展。
首先，笔者开创性地总结出采煤机技术创新脉络。认为，采煤机技术的创新遵循了功能→机构→结构的思维范式，功能是采煤机针对不同形态煤层所需具备的截割能力，机构是形成所需截割能力的机械装置，结构是多个机械装置集成起来的机器整体形式。将采煤机技术归纳为5项采煤功能、4类切削机具、4种行走机构、6个控制能力。并建立了以截割维度、牵引维度、控制维度为坐标轴的三维构型集合，理论上可以创制出64种采煤机构型。
其次，笔者针对本篇叙述的截煤机、刨煤机、钻煤机，以它们的研发制造始点及时间历程为顺序，依次介绍了锯削式截煤机、刨削式刨煤机、钻削式采煤机的国内外发展历程，尤其是对采煤机技术发展前期做出突出贡献的苏联、德国的采煤机发展历程做了比较详尽的挖掘，对我国早期截煤机、刨煤机、钻煤机的引进和研制历程和时间节点做了权威性汇总。
最后，笔者对刨煤机和钻煤机的适用范围进行了总结分析，指出：截煤机、钻煤机是这些构型中的初级采煤机，它们为早期的煤炭机械化开采做出主要贡献。无链牵引的自动化刨煤机属于中高级采煤机，在当今煤炭开采仍有较大的作为空间。
图1 采煤机切削煤层的4种方式
图2 采煤机行走机构的４种形式
图3 采煤机6个自由度及控制功能
图4 采煤机构型三维集合模式
图5 截煤机、刨煤机、钻煤机的创始时间轴
图18 顿巴斯－１型康拜因
图21 1952年双鸭山矿工在井下操作截煤机
图34 BSHK－2DM 型螺旋钻采煤机
图36 刨煤机和钻煤机的适用范围
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。
铣削式滚筒采煤机是采煤机械的一次重大技术变革。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；二是采煤工作面长度延长；三是可采煤层自由度增强。笔者认为，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。
首先，阐述了机械牵引滚筒采煤机的起源与演变。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。经过70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个方面共20个机构要素，不同要素可组合成不同形式的采煤机构型。
其次，详细挖掘了国内外机械牵引滚筒采煤机的发展历程。以英国安德森-鲍伊公司、德国艾柯夫公司、法国沙吉姆公司、苏联高尔洛夫斯基机械制造厂为代表的国外煤机制造公司开启了滚筒采煤机的制造史并将滚筒采煤机不断创新优化，而以鸡西煤矿机械厂、太原矿山机器厂、西安煤矿机械厂和上海煤矿机械研究所等国内优秀煤机制造企业加快了滚筒采煤机研发及机型更新速度。其中，对我国滚筒采煤机的引进和研制历程和时间节点做了权威性的汇总。
第三，介绍了短机身采煤机、窄机身采煤机、大倾角采煤机等特殊采煤机的发展历程。
最后，通过对比分析，阐明中英两国滚筒采煤机的发展态势。指出：英国自1960年起的采煤机研发促使其煤矿综采机械化程度在10年内提高了2倍；而我国采煤机产量由于先后受到煤炭行业不景气和煤炭去产能政策影响，在1995-2000年和2012-2017年两次出现走低态势，但2012年之后，我国的滚筒采煤机质量逐步提升，尤其是诞生了一批特大功率、超大采高采煤机，近5年来创造了一批采煤机功率或采高的世界新记录，为滚筒采煤机的发展做出了突出贡献。
图1 滚筒采煤机的原理溯源
图2 滚筒采煤机的机构要素
图3 安德森公司创制的典型采煤机
图6 艾柯夫公司L型摇臂采煤机的模块式组合图
图9 MLQ-64型单滚筒采煤机与SGW-44型刮板机形成的综采机组和采煤工作面
图11 MLS３-170采煤机及工人绘画
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
采煤机行走技术从钢丝绳、圆环链的柔性牵引，发展到液压驱动和电机驱动的自行走，改变了采煤机自动化控制模式，也奠定了智能化采煤作业的技术基础。基于采煤机牵引技术构成要素，从理论上的归纳了112种采煤机行走技术选择，但受可靠性和可控性所限，实际上只构成了10多种采煤机行走技术，其中电动机可控调速与齿啮合传动相结合的电牵引技术成为当今采煤机最普遍采用的行走方式，也是长壁开采智能化采煤机的最佳选择。1948年英国发明无链牵引装置，1975年美国JOY公司研制出第1台交直流电牵引采煤机，1976年德国艾柯夫公司研制出第1台直流电牵引采煤机，1986年我国制造出第1台用于极薄煤层开采的电牵引单滚筒采煤机，这些发明成为电牵引采煤机发展的里程碑式创新。近15年我国在截割功率和采高技术指标上快速提升并赶超了国外产品，形成了剪刀状的电牵引采煤机型谱。
采煤机自适应调速、恒功率截割等智能化控制提供了技术条件。
首先，阐述了采煤机无链牵引技术发展的基础和演变过程。采煤机无链牵引技术发展受益于机载驱动技术创新及成熟应用，包括齿轨传动机构、液压传动、电机调速等技术。齿轨铁路技术、液压驱动技术、电气传动技术在其他行业的实践经验为采煤机向电牵引发展提供了思路启发和技术指引。采煤机无链牵引技术主要发展成为4种形式：齿轨式、销轨式、孔轨式、推进式，英国、苏联、西德、波兰、日本等国家相继研制出不同形式的无链牵引技术。
其次，详细挖掘了国内外机械牵引滚筒采煤机的发展历程。国外的电牵引采煤机制造集中在德国艾柯夫公司、美国久益公司和英国安德森公司，各自形成了系列化机型，而随着1986年我国制造出第1台用于极薄煤层开采的电牵引单滚筒采煤机，以煤炭科学研究总院上海分院、鸡西煤矿机械厂、太原矿山机器厂、辽源煤矿机械厂、西安煤矿机械厂等国内优秀煤机制造企业加快了电牵引采煤机研发及机型更新速度。其中，笔者详细总结列举了煤炭科学研究总院上海分院和西安煤矿机械厂创制机型和研发时间节点。
最后，以单滚筒截割功率为对比指标，笔者分析了国内外电牵引采煤机向重型化发展的态势，并创新性地总结出我国电牵引采煤机发展呈现出的类似剪刀状的3条脉络。指出，1990-2010年，电牵引采煤机的截割功率近似线性地从300kW 增至2000kW，以满足重载牵引机高质量破碎的功率需求；1995年开始，我国对截割功率在300kW 左右的中小功率电牵引采煤机研发速度加快，以满足薄煤层开采的需要；2005-2010年间，一批400~160kW截割功率电牵引采煤机的研发成功，填补了大采高和低采高采煤机型谱空白。
笔者认为，电牵引采煤机是我国未来煤矿智能化开采的必备。随着机械传动技术的进一步创新以及永磁电机的成熟应用，未来电牵引采煤机的行走技术还需改进，大功率电牵引采煤机亟需研发更可靠、更智能的采煤机器人行走技术。
图1 采煤机行走技术谱系
图5 采煤机无链牵引技术形式
图12 艾柯夫EDW150-2L-2W 电牵引采煤机
图14 久益公司的1LS采煤机长壁采煤系统
图21 上海分院出厂前的MG1100/3030-WD型采煤机
图27 中外电牵引采煤机截割功率发展态势
图28 我国电牵引采煤机的型谱分布
在采煤机发展过程中，以履带式掘进机为基础演变出一种横轴铣削滚筒的连续采煤机，成为机动性强、截割断面大的煤层切削机器。连续采煤机发源于井下采煤，陆续拓展出截齿滚筒、铲齿轮斗切削装载一体化挖掘机，被成功用于露天矿层掘采、海底矿脉开采、路面维修铣刨等领域。连续采煤机类似于履带行走机器人，具有自主导控机器人（Autonomous Guided Robot, AGR）的发展潜力，需要突破导航及场景感知技术及智能控制方法，以提高连续采煤机的自主运行能力。
首先，阐述了连续采煤机的概念及广泛用途。对行走机构与铣削滚筒进行不同组合，可以构建侧置滚筒采煤机和前置滚筒采煤机的４种构型，连续采煤机（以下简称“连采机”）采用前置横滚筒构型，具有机身短、行走灵活、铣削宽度大等优点，是一种把截割、装载、转运、移动行走、喷雾降尘融于一体的高度机械化开采设备，既可以用于煤层短壁开采，也能在煤层掘进巷道，更能作为露天采矿机、路面铣刨机、海底采矿机使用。
第二，详细挖掘了国内外连采机的发展历程。国外的连采机制造商经历了从分散到集中的过程，目前已聚集到日本小松采矿公司 (含兼并的美国久益公司机型)、美国卡特彼勒公司(含兼并的德国采矿技术公司、比塞洛斯公司机型)和瑞典山特维克公司(含兼并的奥钢联公司机型)。小松采矿公司收购的久益公司是连采机创始者，它已在全球销售1530余台连采机。我国大同矿务局和西山矿务局于1979年和1983年从美国引进了连采机，到1995年，我国引进了美国４家公司的23台连采机。2007年，中煤科工集团太原分公司研制出EML340型连采机，是我国自主研发的首台连采机，随后三一集团、湖南长沙铁建重工集团、江苏徐工集团、黑龙江佳木斯煤矿机械公司陆续自主研发了不同型号功能的连采机。
第三，总结了轮斗式和滚筒式露天连采机的发展历程。轮斗式连续采矿机开发和应用较早，滚筒式连续采矿机是近30年开始普遍采用的新机型。
第四，介绍了国内外连采机在其他领域的拓展应用。主要包括路面铣刨机、路面开沟机、海底开沟机、深海采矿机、月球采矿车等的国内外应用情况。
最后，笔者认为，连续采煤机更接近于履带行走式采煤机器人，具有自主导控机器人（Autonomous Guided Robot, AGR）的发展潜力，但还需突破以下关键技术：（1）建立机器视觉、磁感定位、激光扫描多传感器融合导航及场景感知技术，形成自行走采煤机器人导航方法；（2）研发新型机械臂(滚筒悬臂)结构，包括大功率高负载的机电一体化驱动，低速重载调速技术、灵巧型机械臂等；（3）自行走采煤机器人智能控制方法，包括自主定向、自主纠偏、自主避障、自主诊断等控制能力。
图２ 久益公司早期的连续采煤机
图４ 井下运行的首台奥钢联公司ABM20连采机
图９ 中煤科工集团太原分公司EML340连采机
图15 Bagger288轮斗采矿机
图17 露天连采机3种滚筒布置形式
图20 威猛T1225型露天连采机
图25 世界第１台路面冷铣刨机
图28 英国CBT800链锯式海底开沟机
图30 中国鲲龙500海底集矿车
图31 美国NASA研制的月球采矿车
采煤机自动化是机械化采煤机工作面迈向少人化工作面的关键技术支撑，是近60年采煤机技术发展的重点脉络。最早的采煤自动化研究起源于20世纪30年代，20世纪60年代后进入了踊跃研发阶段，英国和西德在采煤机遥控技术、计算机化调速控制技术、机载自动控制技术、远程监控技术、记忆截割技术及液压支架电液控制技术上取得了引领性的创新突破。进入21世纪以来，我国采煤机自动控制技术从引进学习再到自主创新，走出了一条弯道追赶、爬坡加速的发展之路。近10年来，我国采煤机控制系统已接近国外先进技术水平，研发出超越记忆截割的仿形截割技术，远程监控技术升级为驾驶舱系统，与自动化采煤机配套的液压支架电液控制技术已自主化并广泛推广应用。这些围绕采煤机的自动控制技术进步显著提升了我国煤矿生产自动化水平，增强了我国煤矿安全高效生产能力。
采煤机为实现煤炭开采机械化和自动化奠定了重要的基础，它的应用减轻了矿工的体力劳动、提高了煤炭开采效率，随着采煤机逐渐实现自动化，其对复杂环境的适应性和对工况的调控性得到大幅增强。采煤机自动化是在复杂恶劣的开采环境下自动调控运行参数，使之能够适应恶劣环境而达到最优生产状态，其最高境界是达到全工作面自动化的无人化采煤作业。至今，采煤机控制技术不断进步，推动了3次采煤技术革命。19世纪末期诞生的割煤机实现了机械工具采煤，是第1次采煤技术革命；20世纪50年代初产生了采煤、运输、支护的全机械化采煤（我国译为“综合机械化采煤”），是第2次采煤技术革命；20世纪70年代中期出现了全机械化采煤机组自动控制，是第3次采煤技术革命。目前，采煤机群朝着智能机器人化方向发展，是第4次采煤技术革命。
首先，阐述了采煤机自动化技术发展的基础和演变过程。笔者将国内外采煤机自动化技术发展脉络分为3个阶段：在初级自动化阶段，主要研发了控制采煤机行走速度的恒功率控制系统；在中级自动化阶段，产生了采煤机截割煤层的自动调高技术，同时向基于液压支架自动跟机移架的采煤机自动截割、采运支护设备远程控制发展；在高级自动化阶段，形成了采煤机、液压支架、输送机等多机自动协作控制模式。
其次，详细挖掘了国内外采煤机恒功率调速技术、无线遥控操作技术、机载自动控制技术、液压支架自动控制技术、采煤机组远程集控技术和采煤机记忆截割技术等采煤机自动化技术的发展历程。苏联在20世纪30年代初期开始研究截煤机自动化并在当时一直处于世界领先地位，20世纪60年代以后，全球采煤机自动化技术进入踊跃研发阶段，日本、西德、波兰、法国、英国、美国等国家先后研制出装载不同采煤机自动化技术的创新机型，其中英国和西德取得了引领性的创新突破。20世纪70年代，我国研制了采煤机无线感应遥控装置并进行了应用试验，进入21世纪以来，我国采煤机自动控制技术从引进到学习再到自主创新，走出了一条弯道追赶、爬坡加速的发展之路，并在近10年逐渐接近甚至超过世界先进水平，为我国煤矿安全高效生产提供了先进的装备和技术支撑。
第三，在煤炭行业生产技术革命关键时期，笔者指出了我国煤矿智能化发展的方向。认为，人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等新技术将不断融入煤炭开发和利用，从而实现煤矿生产过程智能化运行。同时，认为，当前采煤机处于即将跨入智能化的关键阶段，需要继续加强基础研究，突破关键核心技术。一是采煤机的人、机、环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；二是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；三是构建智能采煤工作面的数字孪生平台，是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；四是系统研发采煤机组的机器人化技术，使之成为煤矿危险环境中以机器人替人的落脚点。
图1 采煤机自动化技术发展脉络
图3 日本研发的截煤机自动调速系统
图8 SL1000采煤机的电控系统架构
图9 天地科技上海分公司的智能采煤机DSP控制系统
图12 久益采煤机的JOS系统控制界面
图13 波兰千米井下的Mikrus监控系统
图14 综采工作面网络化控制技术架构
图15 采煤机远程互联网运维系统
图17 无人驾驶采煤机的5个运动调控架构
煤岩界面探测(CID)是采煤机实现少割岩、多割煤选择性开采的重要技术。20世纪60年代初，英国开始研发自动化采煤设备，首先研制出探测顶煤厚度的γ射线探测仪。随后的60多年里，CID一直被当作自动化采煤的关键技术，相关研究广泛开展，迄今已有数十种探测技术和算法。笔者认为，CID 的目的是保证采煤机实现煤层边界仿形截割，应分为截割前、截割中、截割后3个探测时段，采用构造扫描探测、截割触觉探测、煤壁视觉探测3种方法，以满足采煤机截割路径导航、姿态实时调控、截割轨迹修正3个需求。目前，国内外主要有15种CID方法，可归纳为采前透视法、采中触觉法、采后视觉法。就当前技术水平而言，采前宜采用探地雷达技术，采中可用截割力和温升的融合感知方法，采后可用高光谱或激光探测技术。
煤岩界面探测(CoalInterface Detection，CID)是采煤机自动化运行的关键技术，由于地下煤层构造呈现不平整、不一致的非结构特征，采煤机自动截割作业需要具备自动跟踪煤层边界动态变化的感控能力。针对地下煤层非结构形态,采煤机须有随动式仿形截割能力，探明煤岩边界之后，把截割轨迹模板转换成截齿滚筒的位移控制信号，经数字化处理，驱动采煤机行走电机和调高油缸，实现自动跟踪褶皱煤层边界的煤层仿形截割。
笔者按照采前煤层透视法、采中截割监测法、采后机器视觉法归类，从概念、创始时间、创始者、主要研发单位、技术发展历程等方面，详细阐述了国内外先后提出的15种煤岩界面探测方法。其中，采前煤层透视法包括探地雷达法、电波坑透法、槽波地震法、γ射线透射法、随采地震法、超声波透射法；采中截割监测法包括截齿测力法、振动检测法、负载电流法、噪声检测法、多传感器检测法；采后机器视觉法包括红外摄像法、光学图像法、高光谱遥感法、太赫兹遥感法。
笔者认为，目前自动化采煤机的煤岩界面探测技术应在３个时段用３种方法来构成融合探测系统，才能满足采煤机仿形截割要求。在煤层开采之前，采用探地雷达透视方法，为采煤机截割路径自主规划提供导航地图；在煤层截割中，采用温度场、截割力等多参数的触觉方法，实时调控采煤机截割滚筒姿态；当采煤机截割之后，用高光谱或激光等视觉方法，探测煤岩界面的分界线，以此修正采煤机截割导航轨迹。这种融合方法可以克服过去的单参数煤岩界面探测方法的局限性，解决煤岩界面探测准确性不高、实用性不强的问题。
图1 采煤机煤岩界面探测技术架构
图12 采煤机仿形截割的煤岩界面三融合探测技术
表1煤岩界面探测方法创始及主要研发单位
截割机构是采煤机自动化、智能化切削煤层的关键装置，具备高截割性、高可靠性、高智能性的“三高”能力非常重要。由于截割机构的功耗约占采煤机装机功率的80%以上，故障率占到采煤机故障率的50%以上，近百年来国内外对采煤机截割机构进行了不断的改进和创新，包括截割滚筒构型、截齿构型、耐磨截齿、截割滚筒降尘技术等，截割机构也从链条截齿式发展为滚筒截齿式。截割滚筒从鼓形滚筒诞生之后，经历了自装载滚筒、螺旋滚筒、自切入滚筒、强力滚筒的发展变革。截齿构型发展经历了5个阶段，分别是刀形截齿、镐形截齿、强力截齿、尖头镐形截齿、大截深刀齿。截齿耐磨寿命对于采煤机可靠性影响很大，目前已发展了三代耐磨截齿，第一代是硬质合金截齿，第二代是复合耐磨截齿，第三代是聚晶金刚石截齿。由于滚筒采煤机的应用增大了工作面粉尘生成量，因此研发出截割工艺减尘、滚筒喷雾降尘、吸尘滚筒除尘等抑尘技术；目前多采用外喷雾和二次负压联合降尘技术。首次从虎爪结构仿生角度探讨了截齿及截割机构的发展路径，认为未来采煤机截割机构的仿生设计是实现高截割性、高可靠性、高智能性的新路径。
首先，提出了，高性能采煤机的截割机构必须具备的“三高”能力：高截割性、高可靠性、高智能性，并从具体体现和实现途径等方面对“三高”能力进行了阐释。认为，实现截割机构的高截割性，应从截割机构的切削原理、截齿构型、截齿布局、截割参数等方面进行截割机构优化设计；实现截割机构的高可靠性，应对截割机构进行全面的材料设计、强度设计、摩擦学设计、动力学设计、可靠性设计等；实现截割机构的高智能性，从煤层探测、煤岩识别、跟踪定位、自动控制等方面予以保证。
第二，理清了从动物仿生创制凿岩截齿工具至螺旋截割滚筒采煤机截割机构的采煤机截齿仿生及截割机构发展脉络。
第三，回顾了采煤机滚筒截割机构的发展历程，包括截割滚筒构型、截齿、耐磨截齿、截割滚筒降尘技术。其中，从截割滚筒结构和滚筒截齿分布2个方向介绍了截割滚筒构型的发展，从刀型截齿、镐形截齿、强力截齿、尖头镐形截齿和大截深刀型截齿5个发展阶段介绍了截齿构型，从硬质合金截齿、复合耐磨截齿、聚晶金刚石截齿、滚筒耐磨材料4个方面介绍了耐磨截齿的发展，从截割工艺减尘、滚筒喷雾降尘、吸尘滚筒除尘3种技术介绍了截割滚筒降尘的发展。
最后，总结了目前采煤机截割机构已成熟应用的技术，包括截齿滚筒、耐磨齿体复合超强齿尖的刀形截齿或镐形截齿、外喷雾和二次负压联合降尘技术等，同时也从动物仿生的角度提出了采煤机智能仿生和截割机构发展的方向。
图1 采煤机截齿仿生及截割机构发展脉络
图15 硬质合金的3种齿尖型式
图16 复合耐磨截齿结构示意
图19 采煤机截割参数对煤尘浓度影响曲线
图20 采煤机各种喷嘴降尘效果试验曲线
图24 虎爪屈伸调控及其仿生应用