新型短壁大采高采煤機(jī)的研制及工藝研究

魏廣

(山西晉煤集團(tuán)金鼎煤機(jī)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西晉城048006)

山西晉煤集團(tuán)金鼎煤機(jī)礦業(yè)有限責(zé)任公司首次提出“割內(nèi)放外”采煤工藝并研制成功相配套的新型交流電牽引采煤機(jī)。旨在解決傳統(tǒng)大型綜采設(shè)備及常規(guī)短壁采煤機(jī)難以適應(yīng)大型煤柱回收及中小型礦井厚煤層、分散資源開(kāi)采的難題，進(jìn)而達(dá)到提高資源采出率，減少優(yōu)質(zhì)資源浪費(fèi)，延長(zhǎng)礦井服役壽命的目的。

1 采煤機(jī)主要組成及技術(shù)參數(shù)

新型“割內(nèi)放外”短壁大采高交流電牽引采煤機(jī)主要由主機(jī)架 (包括相關(guān)電氣控制部件)、滑動(dòng)裝置、上截割部、下截割部、液壓泵站系統(tǒng)以及冷卻噴霧裝置等組成 (圖1)。該機(jī)組機(jī)身短(4.9m)、功率小(440kW)、采高大(5.2m)，割煤時(shí)利用本身的滑動(dòng)裝置從機(jī)尾順槽巷道單向進(jìn)刀，先用截割臂鉆采“割”煤，再利用煤炭自身“脆”性及外界礦壓、重力、采動(dòng)的影響進(jìn)行“放”煤。

該機(jī) (主要參數(shù)見(jiàn)表1)不僅適用于傳統(tǒng)壁式工作面的開(kāi)采，還可用于邊角資源和煤柱的回收，尤其適用于10m以上的短小工作面;同時(shí)通過(guò)上、下截割部的有機(jī)配合，對(duì)5.2m及以下厚煤層成功實(shí)現(xiàn)一次采全高。

圖1 “割內(nèi)放外”短壁大采高交流電牽引采煤機(jī)

1.1 主機(jī)架

主機(jī)架 (圖2)是由箱體、支腿、滑靴、導(dǎo)向滑靴架和相關(guān)電氣控制部件組成。箱體是由高強(qiáng)板焊接而成的框架式結(jié)構(gòu)，是采煤機(jī)重量及截割反力主要的承受主體?？拷煽諈^(qū)側(cè)分5個(gè)箱式隔艙:液壓泵站柜 (放置油泵、油箱及附屬裝置)、液壓控制閥和冷卻水閥柜、電氣控制柜、行走牽引箱。該設(shè)計(jì)不僅剛性好，而且保證相鄰部件間沒(méi)有干擾，同時(shí)方便部件單獨(dú)裝配與維修。各個(gè)箱式柜間有管路通道，方便油、電、水路的連接。

表1 采煤機(jī)主要參數(shù)

圖2 主機(jī)架

靠近 (平行于)煤壁側(cè)的箱體焊接有大型蓋板及上滑道。大型蓋板不僅起到密閉箱體，保護(hù)各部件采煤的安全及增強(qiáng)剛度的作用，而且配合上滑道充當(dāng)滑動(dòng)裝置的下滑道，保證滑動(dòng)裝置在箱體上正?；瑒?dòng)，進(jìn)而順利進(jìn)刀和割煤。在箱體下端靠近煤壁側(cè)有2個(gè)支腿及滑靴，靠近采空區(qū)側(cè)裝有導(dǎo)向滑靴架和牽引部，兩者與刮板輸送機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的支撐、導(dǎo)向和行走。在采煤機(jī)行走設(shè)計(jì)中只采用1個(gè)牽引部。該部包括牽引電機(jī)、牽引一軸、二軸、三軸、惰輪軸組件、雙行星減速器、驅(qū)動(dòng)輪、惰輪、行走輪軸組等部分。主要工作原理是將電機(jī)輸入的動(dòng)力通過(guò)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給行走輪。行走輪與運(yùn)輸機(jī)銷(xiāo)軌嚙合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的牽引。

1.2 滑動(dòng)裝置

設(shè)計(jì)滑動(dòng)裝置的目的是為了截割部在刮板輸送機(jī)機(jī)尾順槽巷道容易單向進(jìn)刀，不需開(kāi)機(jī)窩，從而提高割煤效率和整機(jī)對(duì)進(jìn)刀的適應(yīng)性;同時(shí)在機(jī)頭處可以為割透三角煤提供便利。

采煤機(jī)的滑動(dòng)裝置主要包括:機(jī)身連接部和回轉(zhuǎn)座。其中，機(jī)身連接部是將上、下截割部與主機(jī)架聯(lián)接且能在主機(jī)架靠近煤壁側(cè)的滑道上滑動(dòng)，其滑動(dòng)動(dòng)作是靠一端鉸接在滑動(dòng)裝置上另一端鉸接在主機(jī)架上的滑動(dòng)油缸伸縮動(dòng)作來(lái)完成，其滑動(dòng)行程可達(dá)1.6m，從而有力保證了采煤機(jī)順利進(jìn)刀、割煤?；剞D(zhuǎn)座為整體鑄件，一端與機(jī)身連接部中伸出的花鍵軸聯(lián)接，另一端與采煤機(jī)上截割部聯(lián)接，通過(guò)機(jī)身連接部的旋轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)花鍵軸和回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)與之鉸接的上截割部實(shí)現(xiàn)調(diào)角動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)8～53°(即對(duì)應(yīng)2.4～5.2m采煤高度)范圍內(nèi)的割煤作業(yè)。

1.3 上截割部

上截割部 (圖3)是采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)“割內(nèi)放外”和“大采高”最重要的部件之一，由截割頭、懸臂段、二級(jí)行星減速器、離合器、叉形架、120kW的水冷截割電機(jī)組成。傳動(dòng)原理是:由截割電機(jī)輸入動(dòng)力，經(jīng)齒輪聯(lián)軸節(jié)傳至二級(jí)行星減速器，經(jīng)懸臂段，將動(dòng)力傳給截割頭，進(jìn)而破碎煤巖。

圖3 上截割部

整個(gè)截割部尺寸為4.5m×0.7m×0.9m，通過(guò)一個(gè)叉形框架、兩個(gè)銷(xiāo)軸鉸接于機(jī)身連接部上的回轉(zhuǎn)座上。借助安裝于連接部?jī)?nèi)的1個(gè)調(diào)角油缸，以及安裝于截割部與回轉(zhuǎn)座上的2個(gè)擺臂油缸來(lái)分別實(shí)現(xiàn)整個(gè)截割部的內(nèi)外擺動(dòng) (范圍－4～8°)和上下 (范圍8～53°)動(dòng)作，為完成“割內(nèi)放外”和“大采高”提供可能。

1.4 下截割部

下截割部安裝于采煤機(jī)滑動(dòng)裝置下端回轉(zhuǎn)支撐上，主要由搖臂 (包括搖臂殼、搖臂內(nèi)置1部250kW截割電機(jī))、截割滾筒和調(diào)角油缸等部件組成。電機(jī)通過(guò)減速器調(diào)速后將動(dòng)力傳遞給滾筒減速器并驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。其上下截割動(dòng)作通過(guò)鉸接于滑動(dòng)裝置連接部的調(diào)高油缸來(lái)控制，主要負(fù)責(zé)截割2.4m以下的煤體、割平底板 (臥底量320mm)以及清理垮落的浮煤。

1.5 液壓系統(tǒng)

采煤機(jī)的液壓系統(tǒng)包括泵站、管路、閥、油缸、制動(dòng)器及其他輔助部件，主要作用是為采煤機(jī)滑動(dòng)裝置的滑動(dòng)、上、下截割部的高低擺動(dòng)、下截割部的左右調(diào)節(jié)以及采煤機(jī)制動(dòng)提供液壓動(dòng)力。

泵站位于主機(jī)架中上部，包括油泵電機(jī)、調(diào)高泵、油箱等。30kW隔爆電機(jī)通過(guò)內(nèi)外花鍵驅(qū)動(dòng)調(diào)高泵，將壓力油排入集成塊閥組，通過(guò)安裝其上的換向閥將油分配至各個(gè)動(dòng)作油缸，同時(shí)減壓后的一路油接入制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。為了保證采煤機(jī)液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，安裝有蓄能器。

1.6 噴霧冷卻系統(tǒng)

為及時(shí)減少滾筒在割煤和裝煤過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵，同時(shí)冷卻機(jī)組內(nèi)部的電機(jī)、控制箱及液壓油，該機(jī)組設(shè)計(jì)了噴霧冷卻系統(tǒng) (見(jiàn)圖4)，以保證各主要部件正常工作。

圖4 冷卻噴霧系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)主要由冷卻水閥、管路及需要冷卻的部件所組成，其功能是將來(lái)自泵站的水進(jìn)行過(guò)濾、分流、減壓，其中高壓水流 (3MPa)進(jìn)入上、下截割部進(jìn)行噴霧降塵，低壓水流 (2MPa)對(duì)采煤機(jī)的電機(jī)、控制箱及液壓油冷卻。

2 采煤工藝及特點(diǎn)

“割內(nèi)放外”采煤工藝是指:該型采煤機(jī)一刀總的截割深度為 (a+b)m，煤壁內(nèi)部am截深利用鉆采的破煤原理 (即“割內(nèi)”)，而靠近采煤機(jī)側(cè)的bm截深則是利用煤炭自身“脆”性和外界擾動(dòng) (采動(dòng)、礦壓、重力和截割臂擺動(dòng))的雙重影響而垮落 (即“放外”)的采煤工藝。需要指出的是， “割內(nèi)放外”采煤工藝的“割內(nèi)”截深(0.5m)和“放外”截深 (0.3m)的確定是根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出的。模擬結(jié)果顯示:在總的截深0.8m不變的條件下，隨采寬增加、放寬減小，放煤部分的煤皮塑性區(qū)發(fā)育寬度增加，煤壁前方的塑性區(qū)寬度也增加，說(shuō)明放煤寬度越小，該部分煤體越容易放落，但煤壁片幫深度也越大;同時(shí)，控頂區(qū)范圍內(nèi)的頂板下沉量增加。為有效控制端面頂板，且保證“放外”煤體能夠自然放落 (塑性區(qū)完全發(fā)育)，工作面“割內(nèi)”寬度a宜取0.5m，“放外”寬度b宜取0.3m。

提出該新型采煤工藝的原因是:煤炭作為脆性材料，其抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的十分之一左右。傳統(tǒng)的滾筒式采煤機(jī)的采煤原理主要是基于煤體的壓剪破壞，但利用壓縮破壞或剪切破壞所需的能量遠(yuǎn)比拉伸破壞大?！案顑?nèi)放外”的采煤工藝就是利用了煤炭發(fā)“脆”這一特性，加之礦壓、煤炭自重和采動(dòng)的影響，以小直徑滾筒 (φ0.5m)采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)大截深 (0.8m)開(kāi)采。這種“割內(nèi)放外”的新型工藝凸顯了其先進(jìn)性、靈活性和低能耗性。

具體采煤工藝(見(jiàn)圖5)是:從刮板機(jī)機(jī)尾布置采煤機(jī)開(kāi)始割煤，利用機(jī)組本身的滑動(dòng)裝置，將截割滾筒退至順槽巷道內(nèi)完成進(jìn)刀。上截割部向煤壁內(nèi)部呈8°角斜切進(jìn)行鉆采 (完成0.5m的截深)，靠近采空區(qū)的煤體 (厚度為0.3m)在礦壓、煤炭自重和采動(dòng)的影響下垮落。遇到不易垮落的煤體，上截割部可以向采空區(qū)側(cè)擺動(dòng)4°角，從而將該部分煤體截割垮落。此時(shí)，依靠回轉(zhuǎn)油缸伸縮動(dòng)作使得上截割部圍繞回轉(zhuǎn)座的擺動(dòng)完成2.4～5.2m范圍內(nèi)煤體的截割。下截割部主要負(fù)責(zé)2.4m以下煤體的截割以及將垮落的浮煤裝入刮板輸送機(jī)中。當(dāng)采煤機(jī)向前割煤移動(dòng)后，緊隨其后的輕型大采高液壓支架及時(shí)支護(hù)頂板及前方煤壁，最大限度地減少了頂板、煤壁暴露面積和時(shí)間，減少甚至避免了頂板冒落、片幫等事故的發(fā)生，極大地提高了工作面的安全性，保障工作面安全高效開(kāi)采。待采煤機(jī)割煤至機(jī)頭時(shí)，滑動(dòng)油缸推動(dòng)滑動(dòng)裝置進(jìn)而帶動(dòng)上、下截割部割透三角煤。之后，機(jī)組空刀返回，由機(jī)頭向機(jī)尾順序推溜，完成一刀循環(huán)。

圖5 工作面“割內(nèi)放外”采煤工藝

該新型采煤工藝具有功耗小、效率高、塊率高、安全性高的突出優(yōu)點(diǎn)。該新型大采高采煤機(jī)適用于常規(guī)工作面開(kāi)采，尤其適合于短壁工作面開(kāi)采，也適合于回收小塊段資源和大型煤柱，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

該短壁“割內(nèi)放外”采煤工藝的研究及配套采煤機(jī)的開(kāi)發(fā)，有以下兩方面的創(chuàng)新:

工藝方面 首次采用了“割內(nèi)放外”采煤工藝，機(jī)組截割頭實(shí)際只需截割0.5m厚的煤體，另外0.3m厚的煤體通過(guò)外界擾動(dòng)而垮落掉。采用該工藝不僅截深大、采煤效率高，而且相對(duì)傳統(tǒng)壓剪破煤耗能少、原煤塊率高。

機(jī)組方面 在短壁采煤工程領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了5.2m一次采全高開(kāi)采。機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，適合短壁工作面綜合機(jī)械化開(kāi)采。

本研究成果是一種綠色環(huán)保、科學(xué)合理、節(jié)能高效的新型采煤工藝和裝備，能夠很好地解決厚煤層中小型礦井面臨的工藝落后、裝備缺乏的難題。同時(shí)對(duì)小塊段資源尤其是邊角煤的資源回收及經(jīng)濟(jì)效益具有巨大的推進(jìn)作用，為我國(guó)煤炭工業(yè)的可持續(xù)、健康發(fā)展提供技術(shù)和裝備支持。

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