魏廣

(山西晉煤集團金鼎煤機礦業(yè)有限責任公司，山西晉城048006)

山西晉煤集團金鼎煤機礦業(yè)有限責任公司首次提出“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。旨在解決傳統(tǒng)大型綜采設(shè)備及常規(guī)短壁采煤機難以適應(yīng)大型煤柱回收及中小型礦井厚煤層、分散資源開采的難題，進而達到提高資源采出率，減少優(yōu)質(zhì)資源浪費，延長礦井服役壽命的目的。

1 采煤機主要組成及技術(shù)參數(shù)

新型“割內(nèi)放外”短壁大采高交流電牽引采煤機主要由主機架 (包括相關(guān)電氣控制部件)、滑動裝置、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)。該機組機身短(4.9m)、功率小(440kW)、采高大(5.2m)，割煤時利用本身的滑動裝置從機尾順槽巷道單向進刀，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、采動的影響進行“放”煤。

該機 (主要參數(shù)見表1)不僅適用于傳統(tǒng)壁式工作面的開采，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;同時通過上、下截割部的有機配合，對5.2m及以下厚煤層成功實現(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

1.1 主機架

主機架 (圖2)是由箱體、支腿、滑靴、導向滑靴架和相關(guān)電氣控制部件組成。箱體是由高強板焊接而成的框架式結(jié)構(gòu)，是采煤機重量及截割反力主要的承受主體?？拷煽諈^(qū)側(cè)分5個箱式隔艙: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)計不僅剛性好，而且保證相鄰部件間沒有干擾，同時方便部件單獨裝配與維修。各個箱式柜間有管路通道，方便油、電、水路的連接。

表1 采煤機主要參數(shù)

圖2 主機架

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，保護各部件采煤的安全及增強剛度的作用，而且配合上滑道充當滑動裝置的下滑道，保證滑動裝置在箱體上正?；瑒樱M而順利進刀和割煤。在箱體下端靠近煤壁側(cè)有2個支腿及滑靴，靠近采空區(qū)側(cè)裝有導向滑靴架和牽引部，兩者與刮板輸送機配合，實現(xiàn)采煤機的支撐、導向和行走。在采煤機行走設(shè)計中只采用1個牽引部。該部包括牽引電機、牽引一軸、二軸、三軸、惰輪軸組件、雙行星減速器、驅(qū)動輪、惰輪、行走輪軸組等部分。主要工作原理是將電機輸入的動力通過牽引傳動系統(tǒng)傳遞給行走輪。行走輪與運輸機銷軌嚙合，實現(xiàn)采煤機的牽引。

1.2 滑動裝置

設(shè)計滑動裝置的目的是為了截割部在刮板輸送機機尾順槽巷道容易單向進刀，不需開機窩，從而提高割煤效率和整機對進刀的適應(yīng)性;同時在機頭處可以為割透三角煤提供便利。

采煤機的滑動裝置主要包括:機身連接部和回轉(zhuǎn)座。其中，機身連接部是將上、下截割部與主機架聯(lián)接且能在主機架靠近煤壁側(cè)的滑道上滑動，其滑動動作是靠一端鉸接在滑動裝置上另一端鉸接在主機架上的滑動油缸伸縮動作來完成，其滑動行程可達1.6m，從而有力保證了采煤機順利進刀、割煤?；剞D(zhuǎn)座為整體鑄件，一端與機身連接部中伸出的花鍵軸聯(lián)接，另一端與采煤機上截割部聯(lián)接，通過機身連接部的旋轉(zhuǎn)油缸帶動花鍵軸和回轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)，進而帶動與之鉸接的上截割部實現(xiàn)調(diào)角動作，實現(xiàn)8～53°(即對應(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)是采煤機實現(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、二級行星減速器、離合器、叉形架、120kW的水冷截割電機組成。傳動原理是:由截割電機輸入動力，經(jīng)齒輪聯(lián)軸節(jié)傳至二級行星減速器，經(jīng)懸臂段，將動力傳給截割頭，進而破碎煤巖。

圖3 上截割部

整個截割部尺寸為4.5m×0.7m×0.9m，通過一個叉形框架、兩個銷軸鉸接于機身連接部上的回轉(zhuǎn)座上。借助安裝于連接部內(nèi)的1個調(diào)角油缸，以及安裝于截割部與回轉(zhuǎn)座上的2個擺臂油缸來分別實現(xiàn)整個截割部的內(nèi)外擺動 (范圍－4～8°)和上下 (范圍8～53°)動作，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滑動裝置下端回轉(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)、截割滾筒和調(diào)角油缸等部件組成。電機通過減速器調(diào)速后將動力傳遞給滾筒減速器并驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)。其上下截割動作通過鉸接于滑動裝置連接部的調(diào)高油缸來控制，主要負責截割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)

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

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

1.6 噴霧冷卻系統(tǒng)

為及時減少滾筒在割煤和裝煤過程中產(chǎn)生的煤塵，同時冷卻機組內(nèi)部的電機、控制箱及液壓油，該機組設(shè)計了噴霧冷卻系統(tǒng) (見圖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，其功能是將來自泵站的水進行過濾、分流、減壓，其中高壓水流 (3MPa)進入上、下截割部進行噴霧降塵，低壓水流 (2MPa)對采煤機的電機、控制箱及液壓油冷卻。

2 采煤工藝及特點

“割內(nèi)放外”采煤工藝是指:該型采煤機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)”)，而靠近采煤機側(cè)的bm截深則是利用煤炭自身“脆”性和外界擾動 (采動、礦壓、重力和截割臂擺動)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，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，其抗拉強度僅為抗壓強度的十分之一左右。傳統(tǒng)的滾筒式采煤機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、煤炭自重和采動的影響，以小直徑滾筒 (φ0.5m)采煤機實現(xiàn)大截深 (0.8m)開采。這種“割內(nèi)放外”的新型工藝凸顯了其先進性、靈活性和低能耗性。

具體采煤工藝(見圖5)是:從刮板機機尾布置采煤機開始割煤，利用機組本身的滑動裝置，將截割滾筒退至順槽巷道內(nèi)完成進刀。上截割部向煤壁內(nèi)部呈8°角斜切進行鉆采 (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4°角，從而將該部分煤體截割垮落。此時，依靠回轉(zhuǎn)油缸伸縮動作使得上截割部圍繞回轉(zhuǎn)座的擺動完成2.4～5.2m范圍內(nèi)煤體的截割。下截割部主要負責2.4m以下煤體的截割以及將垮落的浮煤裝入刮板輸送機中。當采煤機向前割煤移動后，緊隨其后的輕型大采高液壓支架及時支護頂板及前方煤壁，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采。待采煤機割煤至機頭時，滑動油缸推動滑動裝置進而帶動上、下截割部割透三角煤。之后，機組空刀返回，由機頭向機尾順序推溜，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。該新型大采高采煤機適用于常規(guī)工作面開采，尤其適合于短壁工作面開采，也適合于回收小塊段資源和大型煤柱，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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的開發(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，機組截割頭實際只需截割0.5m厚的煤體，另外0.3m厚的煤體通過外界擾動而垮落掉。采用該工藝不僅截深大、采煤效率高，而且相對傳統(tǒng)壓剪破煤耗能少、原煤塊率高。

機組方面 在短壁采煤工程領(lǐng)域，實現(xiàn)了5.2m一次采全高開采。機組結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，適合短壁工作面綜合機械化開采。

本研究成果是一種綠色環(huán)保、科學合理、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。同時對小塊段資源尤其是邊角煤的資源回收及經(jīng)濟效益具有巨大的推進作用，為我國煤炭工業(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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