綜采工作面大塊煤破碎裝置的研制

梁寶英，王永清，楊海軍，趙宇昊

(1.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，山西 大同 037009；3.恒岳重工有限責(zé)任公司，山西 大同 037009)

隨著開采技術(shù)的快速發(fā)展，采煤機(jī)的割煤厚度和采煤高度也在不斷增加，高產(chǎn)高效化是當(dāng)今煤炭生產(chǎn)發(fā)展的趨勢(shì)，年產(chǎn)千萬噸高產(chǎn)高效的礦井都是在厚煤層開采條件下實(shí)現(xiàn)的，然而在厚煤層開采工作面，隨著采高不斷增加，工作面的礦壓逐漸顯現(xiàn)，片幫大塊煤垮落越來越頻繁，而且塊度也逐漸增大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)善迓?，?duì)于大采高工作面，大塊煤主要在刮板輸送機(jī)機(jī)頭卸載處或轉(zhuǎn)載機(jī)入口處容易刮卡而無法繼續(xù)輸送，造成煤流的嚴(yán)重堵塞，甚至被迫停機(jī)。對(duì)于放頂煤開采而言，由于放煤高度較大，更易形成大塊煤冒落，并且后部輸送機(jī)上的煤塊粒度比前部輸送機(jī)上的煤塊粒度更大，從后部輸送機(jī)機(jī)頭卸載下的大塊，經(jīng)常卡在前后輸送機(jī)間的溜槽，影響正常運(yùn)輸[1-3]。目前，破碎綜采工作面大塊煤方法主要是在輸送設(shè)備停機(jī)后，采用人工爆破、風(fēng)鎬或掄鐵錘對(duì)大塊煤進(jìn)行破碎，人工破碎不僅增大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且使生產(chǎn)效率大大降低，同時(shí)存在安全隱患，而且頻繁的停機(jī)嚴(yán)重影響工作面的連續(xù)開采，不利于煤礦實(shí)現(xiàn)安全、高產(chǎn)高效的開采，因此，大塊煤破碎問題是厚煤層工作面亟待解決的一大難題[4]。

為了解決厚煤層工作面大塊煤堵塞輸送機(jī)煤流問題，國(guó)內(nèi)外諸多科研院所和企業(yè)研發(fā)了多種大塊煤破碎裝置，而液壓沖擊式破煤機(jī)構(gòu)因其破煤能力強(qiáng)、對(duì)井下工作面特殊環(huán)境適應(yīng)性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[5]研發(fā)的乳化液行走破碎裝置架設(shè)在中部槽上，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可與采煤機(jī)同步行走，大塊煤被破碎裝置上的上位液壓缸和下位液壓缸擠碎。楊榮軍等[6]研發(fā)的單輥破碎裝置安裝在轉(zhuǎn)載機(jī)入口上方，帶輪帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的破碎錘頭破碎經(jīng)過下方的大塊煤。王志剛[7]研制的液壓沖擊破碎防堵裝置破碎裝置與轉(zhuǎn)載機(jī)連為一體，錘頭上布有截齒，只需將支架液壓泵站接入拍擊破碎裝置液壓系統(tǒng)，通過操作手動(dòng)換向閥，錘頭上下拍擊，對(duì)大塊煤進(jìn)行破碎。畢偉研等[8]研發(fā)了電直驅(qū)齒輥式連續(xù)破碎裝置，設(shè)計(jì)了擋板內(nèi)式、擋板外式兩種配套方案，適應(yīng)不同工況環(huán)境下成套設(shè)備的配套。郭和平等[9]設(shè)計(jì)了一種大塊煤液壓沖擊破碎裝置，該裝置安裝在轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)煤口處，采用以工作面乳化液泵站為動(dòng)力源的差動(dòng)油缸液壓系統(tǒng)，并利用一定數(shù)量鎬型截齒的“人”字型破炭器，可實(shí)現(xiàn)向上386 mm、向下630 mm的破碎行程。這些研究促進(jìn)了厚煤層工作面大塊煤破碎技術(shù)的發(fā)展，但是目前的大塊煤破碎技術(shù)還不夠成熟，到目前為止，市場(chǎng)上還沒有定型產(chǎn)品，因此為了實(shí)現(xiàn)厚煤層工作面連續(xù)開采，提出一種綜采工作面大塊煤破碎裝置，該裝置安裝在綜采工作面刮板輸送機(jī)過渡溜槽擋煤板外采空側(cè)推移板上或其他地方，操作簡(jiǎn)單，有效解決了工作面大塊煤堵塞的問題，提高工作面的生產(chǎn)效率。

1 綜采工作面大塊煤的破碎裝置的設(shè)計(jì)

1.1 大塊煤破碎裝置的設(shè)計(jì)原則

1) 應(yīng)該能夠滿足主要的作業(yè)范圍和工作尺寸要求，同時(shí)考慮到綜采工作面的實(shí)際環(huán)境。

2) 力求破碎作業(yè)的工作部分構(gòu)件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便。

3) 考慮到綜采工作面工作環(huán)境的特殊性，此破碎裝置工作和停放時(shí)應(yīng)該有合理的姿勢(shì)，工作穩(wěn)定性要好。

4) 破碎工作時(shí)間盡可能短。

5) 在確定破碎裝置的截面形狀尺寸和結(jié)構(gòu)方式時(shí)盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證剛度、強(qiáng)度條件下盡可能的減輕結(jié)構(gòu)自重。

1.2 大塊煤破碎裝置的設(shè)計(jì)

1.2.1 大塊煤破碎裝置的組成

綜采工作面大塊煤破碎裝置(圖1)，主要由底座1、支撐輥2、回轉(zhuǎn)平臺(tái)3、平衡塊4、液壓馬達(dá)5、回轉(zhuǎn)軸6、支撐桿7、動(dòng)臂8、垂直升降油缸9、伸縮油缸、伸縮臂10、角度調(diào)節(jié)油缸11、液壓破碎錘12，以及液壓控制系統(tǒng)組成。液壓破碎錘的結(jié)構(gòu)：支撐桿7一端固定在回轉(zhuǎn)平臺(tái)3上，另一端與動(dòng)臂8鉸接，伸縮臂10套裝在動(dòng)臂8中，伸縮臂10的另一端與液壓破碎錘12鉸接；垂直升降油缸9缸體通過銷軸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)3鉸接，活塞桿與動(dòng)臂8鉸接，它控制液壓破碎錘12高度的調(diào)整和對(duì)目標(biāo)大塊煤壓實(shí)；伸縮油缸安裝在動(dòng)臂8中，缸體通過銷軸與動(dòng)臂8鉸接，活塞桿與伸縮臂10連接；控制伸縮臂10的伸縮；角度調(diào)節(jié)液壓缸11缸體與伸縮臂10鉸接，其活塞桿與破碎錘12鉸接，用來調(diào)整破碎錘12的工作角度；支撐桿7、動(dòng)臂8、伸縮臂10、液壓破碎錘12、伸縮油缸、垂直升降油缸9、角度調(diào)節(jié)油缸11構(gòu)成破碎錘裝置的工作機(jī)構(gòu)，是大塊煤破碎裝置主要部分；液壓馬達(dá)3、回轉(zhuǎn)軸6、回轉(zhuǎn)平臺(tái)3、平衡塊4構(gòu)成破碎裝置的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整液壓破碎錘12的工作位置；回轉(zhuǎn)軸6一端與液壓馬達(dá)5相連，另一端固定在回轉(zhuǎn)平臺(tái)3上，液壓馬達(dá)5固定在底座1上，當(dāng)液壓馬達(dá)5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過回轉(zhuǎn)軸6帶動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng)；平衡塊4固定在回轉(zhuǎn)平臺(tái)3上，用于平衡工作機(jī)構(gòu)，以防回轉(zhuǎn)平臺(tái)3傾斜，支撐輥2固定在底座1上，用于支撐回轉(zhuǎn)平臺(tái)3。該破碎裝置通過液壓控制系統(tǒng)控制各油缸動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)[10-13]。

1.2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理

大塊煤破碎裝置液壓系統(tǒng)主要包括擺動(dòng)液壓馬達(dá)5、垂直升降油缸9、伸縮油缸14、角度調(diào)節(jié)油缸11、液壓破碎錘12、五片并聯(lián)換向閥15、雙向鎖17、安全閥16等，擺動(dòng)液壓馬達(dá)5、垂直升降油缸9、伸縮油缸14、角度調(diào)節(jié)油缸11均安裝雙向鎖17，并連接到相應(yīng)的手動(dòng)換向閥，液壓破碎錘12的進(jìn)出液口與五片并聯(lián)換向閥15中三位三通鋼球定位手動(dòng)換向閥相連，在液壓破碎錘12液壓回路上設(shè)置安全閥16，其液壓系統(tǒng)原理圖見圖2[5,9]。

圖1 大塊煤破碎裝置的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural sketch of hydraulic breaking device

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle chart of hydraulic system

綜采工作面大塊煤破碎裝置主要?jiǎng)恿碜跃C采工作面的乳化液泵站，由各液壓缸、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)、各油缸的動(dòng)作主要由手動(dòng)換向閥控制，實(shí)現(xiàn)大塊煤破碎裝置的多自由度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作面輸送機(jī)機(jī)頭某區(qū)域出現(xiàn)大塊煤時(shí)，首先通過液壓控制系統(tǒng)將垂直升降油缸升起，再操作馬達(dá)的手動(dòng)換向閥，液壓馬達(dá)動(dòng)作，回轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平方向回轉(zhuǎn)，然后操縱伸縮油缸動(dòng)作，伸縮臂伸出，從而準(zhǔn)確定位液壓破碎錘的工作位置，操作角度調(diào)節(jié)油缸的手動(dòng)換向閥，實(shí)現(xiàn)破碎錘工作角度的調(diào)整，操縱垂直升降油缸的手動(dòng)換向閥，實(shí)現(xiàn)破碎錘高度方向的調(diào)整，從而壓實(shí)大塊煤，最后操縱液壓破碎錘的換向閥，液壓破碎錘動(dòng)作即可破碎大塊煤。為了防止液壓破碎錘受力過大而爆缸，在相應(yīng)油缸進(jìn)液口上設(shè)置安全閥，壓力過大時(shí)高壓液溢流。大塊煤破碎完成后，將伸縮臂縮回，再操作液壓馬達(dá)手動(dòng)換向閥，馬達(dá)反向擺動(dòng)，將工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到與煤壁平行合適位置，并高度降到最低，使其對(duì)采煤機(jī)、液壓支架及煤流的正常運(yùn)行均無影響。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

大塊煤堵塞現(xiàn)象主要發(fā)生在工作面刮板輸送機(jī)頭附近卸載點(diǎn)和轉(zhuǎn)載機(jī)入口處，堵塞原因主要由煤的粒度大小和刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)的型號(hào)決定的，而大塊煤的產(chǎn)生主要與煤層硬度、煤層厚度有關(guān)。

2.1 山西右玉某煤業(yè)綜采工作面煤層地質(zhì)條件

本裝置2017年12月首次在山西右玉某煤業(yè)9201綜采工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，工作面煤層平均厚度約11 m，屬特厚煤層，平均采高3.0 m，頂煤8 m，每切兩刀，放頂一次，走向長(zhǎng)度970 m，工作面長(zhǎng)度120 m；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層硬度等級(jí)3.0>f>1.50，屬中硬煤層，煤層頂板較穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)大塊煤冒落，且后部輸送機(jī)上的煤塊粒度比前部輸送機(jī)上的煤塊粒度更大，大塊煤經(jīng)常卡在前后輸送機(jī)間的溜槽，需要停機(jī)人工破碎，極大地影響了礦井的高效生產(chǎn)，同時(shí)存在安全隱患。

2.2 試驗(yàn)過程

1) 將破碎裝置安設(shè)在工作面前、后輸送機(jī)之間溜槽外側(cè)，再將該裝置的油管接好，開啟乳化液泵站，給系統(tǒng)提供高壓乳化液，操作手動(dòng)換向閥，油缸正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2) 當(dāng)前、后輸送機(jī)溜槽產(chǎn)生大塊煤擁堵時(shí)，分別操縱液壓馬達(dá)、垂直升降油缸、伸縮油缸，以及調(diào)節(jié)角度油缸換向閥，鎖定目標(biāo)并壓實(shí)，再操縱液壓破碎錘的換向閥將大塊煤破碎。完成破碎后，操縱換向閥將活塞桿收回。

3) 當(dāng)前、后輸送機(jī)溜槽無大塊煤，系統(tǒng)順暢時(shí)，控制液壓馬達(dá)動(dòng)作，將破碎裝置工作機(jī)構(gòu)收回，并將高度降至最低。

2.3 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過一周的連續(xù)試驗(yàn)表明，該裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備可靠性較好，對(duì)大塊煤的破碎效果達(dá)到預(yù)期效果，基本上解決了由于大煤塊造成的堵塞問題，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作面設(shè)備開機(jī)率。在使用該裝置前，每班割煤3刀，使用該裝置后每班比原來多割煤1刀，每天2個(gè)生產(chǎn)班，每天可多割煤1 900 t，每年按300個(gè)工作日計(jì)算，每年可多生產(chǎn)原煤57萬t，原煤按230元/t計(jì)算，每年可增加產(chǎn)值1.31億元；未使用該裝置前破碎大塊煤至少5人，使用該裝置后，破碎大塊煤只需1人，按照每人每班平均200元計(jì)算，每年可節(jié)約48萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較好的實(shí)用性和推廣應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

1) 破碎區(qū)域范圍大。破碎裝置通過液壓控制系統(tǒng)控制閥可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、垂直方向升降和水平方向伸縮，具有多自由度、大擺角、全方位的工作特點(diǎn)，可對(duì)不同大小的煤塊進(jìn)行破碎，可破碎煤塊粒度范圍大，有效地解決刮板輸送機(jī)機(jī)頭和裝載機(jī)交叉處大塊煤容易堵塞的問題，提高了刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸效率。

2) 安全性高。該裝置操作方便，在安全區(qū)域內(nèi)操縱控制閥等即可完成大塊目標(biāo)的定位和破碎，人員不需進(jìn)入靠近缷載點(diǎn)的危險(xiǎn)區(qū)域。

3) 降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作面生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4) 對(duì)現(xiàn)有采煤系統(tǒng)無干涉。非工作狀態(tài)，可以將工作機(jī)構(gòu)收回，高度降至最低，避免對(duì)采煤機(jī)、液壓支架及煤流的正常運(yùn)行造成干涉。

5) 靈活性好，裝置體積小，裝拆方便，可根據(jù)工作面情況安設(shè)在任意地方。