薄煤層工作面刮板輸送機關(guān)鍵技術(shù)研究

許 巖

(寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司產(chǎn)品研究所，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，753001)

1 引言

我國薄煤層資源分布廣泛，儲量豐富，主要分布在河南、山西、河北、山東、四川、貴州、吉林、遼寧、安徽、內(nèi)蒙古等省區(qū)。目前，全國已探明的薄煤層可采儲量約占煤炭總可采儲量的19%，84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布，而且有的礦區(qū)薄煤層儲量更是占有相當大的比重，如安徽省占到了72%，四川省占51.8%，貴州省占37.2%。

由于薄煤層在我國可采原煤中占有較大比重而且煤質(zhì)較好，因此薄煤層工作面的開采日益受到關(guān)注，我國對薄煤層開采工藝及技術(shù)的研究一直在持續(xù)推進，并取得了一些成果。但是長期以來，由于薄煤層開采具有作業(yè)空間小、效率低、環(huán)境差、勞動強度大以及經(jīng)濟效益低等缺點，致使全國薄煤層產(chǎn)量只占煤炭總產(chǎn)量的10.4%左右，遠低于薄煤層可采儲量所占的比重。因此，實現(xiàn)薄煤層高效綜合機械化開采對于提高礦井高效集中生產(chǎn)水平、實現(xiàn)資源平衡開采、延長礦井壽命、實現(xiàn)煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、創(chuàng)建資源節(jié)約型企業(yè)、提高煤炭產(chǎn)量和回收率、改善安全生產(chǎn)環(huán)境以及提升薄煤層開采成套裝備的水平等都具有重要意義。

2 國內(nèi)外薄煤層開采技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國外薄煤層開采技術(shù)途徑與現(xiàn)狀

在薄煤層高效綜采的核心技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是機械化落煤技術(shù)。自20世紀40年代刨煤機采煤在德國問世以來，很快就得到了推廣和發(fā)展，德國、波蘭、俄羅斯、法國、西班牙等主要產(chǎn)煤國使用刨煤機開采的煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的50%以上，刨煤機成為薄煤層采煤綜合機械化的強大支柱。在德國，1.6m以下的薄煤層中幾乎全部采用刨煤機采煤，當煤層厚度超過1.6m時，滾筒采煤機開采占重要地位。在美國，采用大功率滾筒式采煤機開采薄煤層比較普遍，其工藝途徑是切割部分巖石把采高提高到1.3m以上。

2.2 國內(nèi)薄煤層開采技術(shù)途徑與現(xiàn)狀

目前，我國薄煤層綜合機械化開采主要有3種途徑，一是采用刨煤機、刮板輸送機和液壓支架配套的刨煤機綜采機組，二是采用螺旋鉆機組，三是采用滾筒采煤機、刮板輸送機和液壓支架配套的采煤綜采機組。

2.2.1 刨煤機、刮板輸送機和液壓支架配套的刨煤機綜采機組

1966年我國試制成功第一臺MBJ-1型拖鉤刨煤機，并得到推廣使用。20世紀70年代，我國刨煤機使用臺數(shù)達到高峰，當時采煤機尚未在國內(nèi)大量推廣使用，而刨煤機由于具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便以及成本較低等特點而成為當時發(fā)展綜合機械化的主要機型。然而隨著采煤機的逐漸發(fā)展和完善，刨煤機逐漸暴露出了關(guān)鍵零部件可靠性差和損壞率高等弱點，刨煤機的使用效果也容易受到煤層厚度、傾角、頂?shù)装鍡l件和特殊地質(zhì)構(gòu)造的影響，要進行安全高效集約化開采，還有許多問題有待解決。因此，刨煤機較采煤機綜采機組相比其使用范圍有較大的局限性。

2.2.2 螺旋鉆機組

螺旋鉆采煤機是在用于露天開采的螺旋鉆機基礎(chǔ)上改造成型的，具有工作面無人、系統(tǒng)環(huán)節(jié)少、安全系數(shù)高和經(jīng)濟效益高等特點。但是螺旋鉆機組設(shè)備投資比較大，相鄰鉆孔之間要留有煤柱，回收率比較低，過巖能力較差。

2.2.3 滾筒采煤機、刮板輸送機和液壓支架配套的采煤綜采機組

隨著我國煤機制造能力的提高和機械化綜采的廣泛采用，采煤綜采機組的研制能力有了很大提高，通過對現(xiàn)有煤機裝備進行低矮化改進，研制了一批用于薄煤層開采的煤機裝備。與刨煤機綜采機組相比，滾筒采煤機綜采機組主要具有以下特點:一是采高調(diào)整靈活，適應于煤層厚度變化較大的工作面；二是適應多種煤層結(jié)構(gòu)，對煤的硬度和節(jié)理發(fā)育無特殊要求；三是適用于含有夾矸或斷層的煤層回采；四是對工作面平直性和一致性要求較刨煤機綜采機組低。

通過以上薄煤層的裝備情況分析，由滾筒采煤機、刮板輸送機和液壓支架配套的采煤綜采機組以其適應性強、工作效率高和可采范圍廣的優(yōu)勢在薄煤層工作面中所占比例較大，作為其重要一環(huán)的薄煤層刮板輸送機也得到了較為廣泛的應用。

與采煤機和液壓支架不同，目前正在使用的薄煤層刮板輸送機大部分并非針對薄煤層的開采特點專門研制，而是直接選用溜槽高度較低的通用刮板輸送機。這類刮板輸送機的中部溜槽多采用軋制槽幫鋼焊接，高度為190～222mm，中板厚度為12～20mm，采用邊雙鏈結(jié)構(gòu)，裝機功率為90～180kW，刮板鏈直徑為14～18mm，輸送機鋪設(shè)長度大多不超過100m。這類刮板輸送機可靠性差、使用壽命短，不能完全滿足滿薄煤層工作面的使用要求，集中反映的問題為刮板鏈強度低、中部槽壽命短、機頭尾 “三角煤”難處理和輸送機“漂溜”等方面。有必要研究一種適用于薄煤層綜采的刮板輸送機，實現(xiàn)長運距、矮機身、大功率和高可靠性的要求，以滿足礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)的要求。

3 薄煤層工作面刮板輸送機的研發(fā)難點和重點

目前使用的薄煤層刮板輸送機主要存在以下問題:

(1)多采用邊雙鏈布置形式，刮板鏈連接環(huán)包容在槽幫內(nèi)運行。受到槽幫包容空間的限制，鏈條規(guī)格不可選得太大，目前的軋制槽最大只能容納?18×64mm規(guī)格的鏈條。該規(guī)格鏈條的破斷負荷只有410kN，適用的刮板輸送機鋪設(shè)長度小于80m，如果需要進一步增大鋪設(shè)長度，必須采用限制刮板機運輸能力的措施，否則極易發(fā)生斷鏈事故。邊雙鏈形式的刮板輸送機大量使用開口工接鏈環(huán) (馬蹄環(huán))作為圓環(huán)鏈和刮板的連接器，接鏈環(huán)的可靠性較低，影響了刮板鏈的可靠性。

(2)薄煤層開采裝備的高度必須小于開采的煤層厚度，否則只能采用掘頂或掘底的方式擴大工作面空間，這將極大地增加開采難度并降低原煤品位。刮板輸送機必須降低與采煤機牽引系統(tǒng)的嚙合高度，以達到降低采煤機機面高度的目標，消除或減少薄煤層工作面掘頂或掘底。因此，如何降低輸送機機身高度 (既降低齒軌高度)成為衡量薄煤層刮板輸送機適用與否的標準。

(3)薄煤層采煤機滾筒直徑較小，當采煤機運行到刮板輸送機的機頭或機尾時，滾筒割不到底，形成的 “三角煤”影響工作面兩端的推溜和移架，因此在進行下一個工作循環(huán)前必須人工清理 “三角煤”，這既增加了工人的勞動強度又造成了工作面停頓，嚴重影響了工作效率。因此，改進刮板輸送機頭和尾部的形式，解決采煤機切割 “三角煤”的問題是提高薄煤層工作面開采效率的關(guān)鍵問題。

(4)薄煤層采煤機的滾筒直徑大多在800mm以下，裝煤效果普遍不好。薄煤層工作面刮板輸送機中部槽不但要作為采煤機的運行軌道，還要更多的擔負工作面落煤的鏟裝任務。為了降低高度，薄煤層刮板輸送機的中部溜槽的推移點往往較低，再加上溜槽重量輕，在推溜時不能提供足夠的下壓力，中部溜槽往往不能保持鏟板緊貼底板前移而發(fā)生 “漂溜”。特別是在煤層底板出現(xiàn)變坡下扎的情況下，大量煤炭進入中部槽封底板和工作面底板之間，導致刮板輸送機顯著抬高，嚴重影響薄煤層工作面的正常工作，甚至采煤機不能通過，必須依靠人工清理或采煤機割頂進行處理，處理過程費時費力，效率低下且不安全。

以上問題的存在嚴重影響了薄煤層工作面的開采效率和經(jīng)濟性的提高，必須研制薄煤層工作面專用的長運距、矮機身、大功率和高可靠性的刮板輸送機，以促進薄煤層工作面開采技術(shù)和工藝的進一步發(fā)展。

4 薄煤層工作面刮板輸送機的結(jié)構(gòu)分析與改進

4.1 新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽

新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽采用鑄造槽幫焊接而成，齒軌座放置在擋板槽幫側(cè)面，在保證中部槽整體強度的前提下，最大限度的降低的齒軌高度。鏈條采用準中雙鏈布置方式。鏈條不再受槽幫包容范圍的限制，在不增加刮板輸送機中部槽高度的情況下加大鏈條規(guī)格為?26×92mm扁平鏈 (選擇扁平鏈的原因是盡量壓縮鏈條高度)，鏈條中心距為220mm。準中雙鏈形式的刮板鏈每隔30m安裝一個接鏈環(huán)，與邊雙鏈每隔1m需要一個接鏈環(huán)相比，接鏈環(huán)的數(shù)量減少了96%，極大降低了接鏈環(huán)質(zhì)量低于圓環(huán)鏈而導致的刮板鏈可靠性低的問題。在加大鏈條規(guī)格、提高刮板和接連環(huán)強度的前提下，又比中雙鏈 (鏈條中心距120mm)布置方式增加采煤機過煤空間，允許更大尺寸的塊煤通過采煤機底托架。新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽如圖1所示。

圖1 新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽

4.2 “漂溜”問題的解決

由于薄煤層工作面采煤機滾筒裝煤效果差，刮板輸送機不僅承擔采煤機的導向和承載任務，還要負責鏟裝工作面煤壁側(cè)的煤炭。薄煤層刮板輸送機重量較輕，再加上推移點較低，經(jīng)常造成刮板輸送機鏟板槽幫不能很好貼合工作面底板前移，從而造成 “漂溜”現(xiàn)象。為了解決這種 “漂溜”現(xiàn)象，專門在輸送機擋板側(cè)加裝抬高調(diào)斜裝置，當輸送機鏟板槽幫不能貼合工作面底板前移時，通過在抬高調(diào)斜裝置提高推溜作用點，增大輸送機的下扎力，從而從根本上解決 “漂溜”現(xiàn)象。

4.2 “三角煤”問題的解決

(1)在刮板輸送機整個鋪設(shè)長度內(nèi)，其機頭、機尾中板與中間段中板處于同一高度，始終是水平布置的。該布置的優(yōu)點在于能使安裝在刮板輸送機上的采煤機牽引機構(gòu) (齒軌、鏈軌等)保持平直布置，能保證采煤機在整個工作面內(nèi)運行時機身高度不變、滾筒下擺角不變以及切割深度不變，從而解決薄煤層綜采切割工作面兩端三角煤的問題。

圖2 機頭溜煤裝置示意圖

(2)機頭和機尾刮板運行的下鏈道是反曲線形，刮板鏈經(jīng)過機頭鏈輪進入下鏈道前有一個沿底板上升的過程，每件刮板運行在該段時與底板碰撞，將粘附在刮板鏈上的原煤震掉并沿機頭滑出機頭。該結(jié)構(gòu)減少刮板輸送機下鏈道拉回頭煤，對于封底式刮板輸送機該結(jié)構(gòu)優(yōu)點突出。

4.3 巷道漏煤問題的解決

(1)機頭溜煤裝置。連接裝置安裝在輸送機機頭鏟板側(cè)，當推移輸送機或采煤機滾筒行走至機頭附近時，可將煤推進機頭溜煤裝置，從而卸載到轉(zhuǎn)載機上。機頭溜煤裝置如圖2所示。

(2)機尾回收裝置。連接裝置安裝在輸送機機尾鏟板側(cè)，通過調(diào)整機尾回收裝置，在采煤機滾筒與機尾回收裝置之間形成一個弧形通道，強制位于采煤機滾筒和彎板之間的原煤沿采煤機滾筒螺旋線拋出，并進入輸送機運煤通道，最終被輸送機運走。機尾回收裝置如圖3所示。

圖3 機尾回收裝置示意圖

5 薄煤層工作面刮板輸送機前景展望

新型的薄煤層刮板輸送機較當前軋制槽幫鋼整焊而成的整焊式刮板輸送機有了較大的發(fā)展和提高，達到了較高的自動化水平，但是仍然存在以下問題需要進一步解決:

(1)薄煤層開采人員工作空間狹小，工人需要側(cè)臥進行跟機操作，比在中厚煤層工作更加艱苦。因此，有必要通過進一步研究在實現(xiàn)生產(chǎn)全過程機械化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)全過程的自動化和智能化控制，過對刮板輸送機的遠程控制和故障診斷，確保刮板輸送機的正常工作和及時維護，結(jié)合液壓支架的電液控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動推溜、刮板機中部槽和液壓支架的姿態(tài)自動調(diào)整等功能。

(2)薄煤層工作面空間狹小，維護和更換零部件非常困難，因此，需要進一步提高輸送機的可靠性和使用壽命。通過改進輸送機槽幫、中板和鏈條的材質(zhì)以及引入先進的耐磨材料和工藝等手段，減少在采煤工作面更換零部件的次數(shù)，以提高產(chǎn)煤效率和減少井下工人的工作強度。在當前暫時不能實現(xiàn)工作面內(nèi)不更換零部件的情況下，注重零部件設(shè)計的小型化和易拆裝性，降低薄煤層工作面設(shè)備的維修難度。

(3)對輸送機的卸載方式和驅(qū)動部布置形式進行研究，減小輸送機頭和機尾部占用空間大的問題，改善薄煤層工作面的通風條件，保證井下采煤工作的安全進行。

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