薄煤層大傾角綜采工作面采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

李加林，李 強(qiáng)，黎 亮，蒲海峰，白 虎

（四川華鎣山廣能集團(tuán)嘉華機(jī)械有限責(zé)任公司，四川廣安 638600）

薄煤層大傾角綜采工作面采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

李加林，李 強(qiáng)，黎 亮，蒲海峰，白 虎

（四川華鎣山廣能集團(tuán)嘉華機(jī)械有限責(zé)任公司，四川廣安 638600）

分析了采煤機(jī)在薄煤層大傾角綜采工作面的應(yīng)用條件，結(jié)合薄煤層采煤機(jī)和大傾角采煤機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，研制出一種能適應(yīng)薄煤層大傾角工作面的采煤機(jī)。詳細(xì)介紹了MG200/495－QWD型采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)在薄煤層大傾角綜采工作面的應(yīng)用。

薄煤層;大傾角;采煤機(jī)

Application of Coal-cutter Key Technology in Full-mechanized Mining Thin Coal-seam with Large Inclined Angle

多年以來(lái)，薄煤層和大傾角煤層的開采理論與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展緩慢。但近年來(lái)，薄煤層和大傾角煤層開采在我國(guó)越來(lái)越引起采礦界的重視，其主要原因是我國(guó)薄煤層和大傾角煤層分布廣泛，儲(chǔ)量巨大。若能綜合薄煤層采煤機(jī)和大傾角采煤機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，有效地解決現(xiàn)有的采煤機(jī)在大傾角工作面和薄煤層工作面遇到的難題，研制出既能適應(yīng)薄煤層又能適應(yīng)大傾角煤層綜采的采煤機(jī)，提高薄煤層大傾角工作面綜合機(jī)械化水平，將對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用。

1 應(yīng)用條件分析

在我國(guó)已探明的煤炭可采儲(chǔ)量中，薄煤層和大傾角煤層儲(chǔ)量巨大，分布范圍廣泛。但薄煤層和大傾角煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)水平都比較落后。針對(duì)世界煤炭資源枯竭急劇增加的形勢(shì)，為提高薄煤層和大傾角煤層綜采技術(shù)，有效地利用資源，廣能集團(tuán)先后自主研發(fā)了MG200/495－QWD型大傾角采煤機(jī)和MG150/421－PFD型薄煤層采煤機(jī)，并成功應(yīng)用。然而大傾角采煤機(jī)因機(jī)面高而不能適應(yīng)薄煤層開采;薄煤層采煤機(jī)也因功率小、制動(dòng)防滑不可靠等因素不能適應(yīng)大傾角煤層開采。

采煤機(jī)要能適應(yīng)薄煤層大傾角工作面需同時(shí)具備薄煤層采煤機(jī)和大傾角采煤機(jī)的特點(diǎn):機(jī)身盡可能矮、短，以適應(yīng)薄煤層狹小的開采空間;具有大的牽引力，高強(qiáng)度的行走輪，保證采煤機(jī)能在大傾角工作面上行走;具有可靠的制動(dòng)和防滑裝置，保證采煤機(jī)在大傾角工作面上工作時(shí)不發(fā)生“飛車”事故;具有可靠的潤(rùn)滑系統(tǒng)，保證所有齒輪和軸承得到充分潤(rùn)滑;具有先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，保障煤礦工人在復(fù)雜地質(zhì)條件下安全、高效生產(chǎn)。

2 MG200/495－QWD型采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

為了提高薄煤層大傾角工作面綜合機(jī)械化水平，綜合薄煤層和大傾角煤層采煤機(jī)特點(diǎn)，克服了薄煤層大傾角工作面復(fù)雜的地質(zhì)和開采條件，研制了MG200/495－QWD型薄煤層大傾角采煤機(jī)，并成功應(yīng)用于貴州世紀(jì)公司雷公山煤礦。

2.1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)及俯采受力分析

為了適應(yīng)薄煤層開采條件，MG200/495－QWD型采煤機(jī)的機(jī)身采用懸臂式布置，不僅擁有較低的機(jī)面高度和較大的過煤空間，還極大地縮短了機(jī)身長(zhǎng)度。如圖1所示，行走箱部件懸臂式伸出，行走輪通過導(dǎo)向滑靴與銷軌齒合行走，支撐滑靴安裝在牽引箱靠近采空側(cè)處，整機(jī)懸臂式“騎在”刮板輸送機(jī)上。其電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)分別布置在并排的過橋一、過橋二上。

圖1 MG200/495－QWD型薄煤層大傾角采煤機(jī)

懸臂式結(jié)構(gòu)的采煤機(jī)缺點(diǎn)是較難保持機(jī)身的穩(wěn)定和平衡，尤其是俯采時(shí)更易因機(jī)身失穩(wěn)而向前傾倒。故懸臂式采煤機(jī)合理布置機(jī)身使其具有可靠穩(wěn)定性至關(guān)重要。

取采煤機(jī)為隔離體，則采煤機(jī)俯采時(shí)的受力如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)俯采時(shí)受力分析

圖中G1是采煤機(jī)所受重力，據(jù)MG200/495－QWD型采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)，取275.35kN;F2為工作面刮板輸送機(jī)靠采空側(cè)對(duì)采煤機(jī)施加的下拉力，kN;N是輸送機(jī)對(duì)采煤機(jī)的支持力，kN;ψ為采煤機(jī)機(jī)身的傾斜角度，一般為0～10°，在此取10°。各力對(duì)點(diǎn)O（采煤機(jī)與輸送機(jī)靠煤壁側(cè)的接觸點(diǎn)）的力矩平衡方程:

各力對(duì)垂直軸取力平衡方程:式中，a為采煤機(jī)重心到輸送機(jī)中部槽靠煤壁側(cè)的距離;b為輸送機(jī)中部槽的寬度。

聯(lián)立方程 （1）、（2），求得

由此可知，當(dāng)a值越小 （即采煤機(jī)重心離輸送機(jī)中部槽越近）F2越小。據(jù)MG200/495－QWD型采煤機(jī)技術(shù)參數(shù):a=0.135m，b=1.017m，G1=275.35kN。將參數(shù)帶入方程 （3）、 （4），求得F2=36kN，N=307kN。

由計(jì)算可知當(dāng)F2大于36kN時(shí)采煤機(jī)就不會(huì)向前傾倒。

輸送機(jī)靠采空區(qū)側(cè)對(duì)采煤機(jī)向下拉力主要由輸送機(jī)重力提供。對(duì)輸送機(jī)與采煤機(jī)接觸的O點(diǎn)取力矩平衡，有平衡方程:

式中，G為采煤機(jī)傾倒引起輸送機(jī)翹起所需克服的輸送機(jī)重力，kN。

由式 （3）、（5）可得G=2aG1/b=73kN，即當(dāng)G不小于73kN時(shí)采煤機(jī)才沒有傾倒危險(xiǎn)。據(jù)相關(guān)資料，MG200/495－QWD型采煤機(jī)機(jī)身布置至少占據(jù)3節(jié)輸送機(jī)中部槽，3節(jié)中部槽總重為40kN。為保證采煤機(jī)受力平衡，需要在采煤機(jī)靠采空側(cè)設(shè)置“采煤機(jī)平衡裝置”，需提供73－40=33kN的荷載。當(dāng)采煤機(jī)在傾角為θ的工作面上工作時(shí)，所需平衡載荷為33sinθcosψkN。由此可見當(dāng)工作面傾角越大，采煤機(jī)所需的平衡載荷越小。該平衡載荷主要由液壓支架提供。

為了進(jìn)一步縮短機(jī)身長(zhǎng)度，MG200/495－QWD型采煤機(jī)的牽引部采用了雙行星機(jī)構(gòu)，減小了牽引部的體積，增大了有效牽引力。

2.2 采煤機(jī)上行割煤受力分析

采煤機(jī)要在大傾角工作面作業(yè)必須具有較大的牽引力。MG200/495－QWD型采煤機(jī)順工作面上行正常割煤時(shí)的受力情況如圖3所示。圖中G1是采煤機(jī)所受重力，取275.35kN;N01是煤壁對(duì)前滾筒順工作面方向的推進(jìn)阻力，kN;N02是煤壁對(duì)后滾筒順工作面方向的推進(jìn)阻力，kN;f1，f2分別是采煤下行或上行時(shí)輸送機(jī)對(duì)采煤機(jī)產(chǎn)生的順工作面方向的摩擦力，kN;F是行走輪對(duì)采煤機(jī)作用的牽引力，kN，MG200/495－QWD型采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)選用2臺(tái)40kW的牽引電機(jī)，可提供2×341kN的最大牽引力;Q1是采煤機(jī)前滾筒截割阻力，kN;Q2是采煤機(jī)后滾筒截割阻力，kN;θ是工作面傾角，雷公山煤礦煤層平均傾角為45°，N21為工作面傾斜時(shí)，輸送機(jī)對(duì)采煤機(jī)的支持力。

圖3 采煤機(jī)上行割煤受力分析

由圖3可知，采煤機(jī)上行割煤過程中的穩(wěn)定條件是:

式中，μ1為采煤機(jī)與輸送機(jī)之間的接觸摩擦系數(shù)，取0.2;N21=307×sinθ=217kN。

將數(shù)據(jù)代入公式（4）、（7）可得:f2=43.4kN。

影響滾筒推進(jìn)阻力的因素比較復(fù)雜，很難精確地計(jì)算。當(dāng)采煤機(jī)牽引力確定，在煤層傾斜條件下，常采用下式近似估算:式中，F(xiàn)max為采煤機(jī)的最大牽引力，kN;K2為前、后滾筒的截割阻力之比，一般為0.2～0.8，針對(duì)薄煤層，取小值為0.2。代入數(shù)據(jù)可得:N01+N02=267.1～335.3kN。

將數(shù)據(jù)代入式 （6）可得:F≥505.8～574kN。

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，當(dāng)采煤機(jī)牽引力為2×341kN，大大超過采煤機(jī)上行割煤時(shí)所需的牽引力，即上行割煤時(shí)采煤機(jī)不存在下滑危險(xiǎn)。

MG200/495－QWD型采煤機(jī)改變傳統(tǒng)采煤機(jī)的行走輪結(jié)構(gòu)，采用大節(jié)距和大模數(shù)行走輪齒。同時(shí)增加了齒寬，進(jìn)一步加強(qiáng)了行走輪強(qiáng)度，保證采煤機(jī)在大傾角工作面上能正常行走。

2.3 采煤機(jī)二級(jí)防滑裝置

為了保證采煤機(jī)在大傾角工作面上工作的安全性，MG200/495－QWD型采煤機(jī)在常用的制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制出了第二道機(jī)械防滑裝置，保證了采煤機(jī)在大傾角工作面上工作的安全性。二級(jí)防滑裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 MG200/495－QWD型采煤機(jī)二級(jí)防滑裝置

二級(jí)防滑裝置工作原理:采煤機(jī)下牽時(shí)，電磁閥合電，電磁閥供液，液壓千斤頂伸出，左右防滑裝置的防滑塊防滑端同時(shí)離開銷軌的槽口，防滑功能解除;采煤機(jī)電源與電磁閥電源連鎖反應(yīng)，當(dāng)采煤機(jī)牽引斷電，電磁閥同時(shí)自動(dòng)斷電，液壓千斤頂中的油通過電磁閥回到油池，液壓千斤頂活塞桿復(fù)位，同時(shí)彈簧組件中彈簧外力解除，彈簧筒推出，防滑裝置的防滑塊防滑端卡入到銷軌的槽口內(nèi)，防滑功能生效啟用。采煤機(jī)上牽時(shí)，電磁閥一直處于斷電復(fù)位狀態(tài)，防滑塊搭銷軌行走，當(dāng)采煤機(jī)下滑（一級(jí)制動(dòng)失效）時(shí)，防滑塊卡在銷軌的槽口內(nèi)，防滑功能生效啟用。

2.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)

強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)和分腔潤(rùn)滑系統(tǒng)是保證大傾角采煤機(jī)潤(rùn)滑的常用方式。強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)能對(duì)采煤機(jī)各齒輪、軸承輸油潤(rùn)滑，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、需維護(hù)等缺點(diǎn)而常用于傾角很大的工作面。分腔潤(rùn)滑系統(tǒng)通過將減速機(jī)構(gòu)分離為多個(gè)單獨(dú)的腔體來(lái)保證齒輪、軸承的潤(rùn)滑。分腔潤(rùn)滑系統(tǒng)不需維護(hù)，常被用于較大傾角的工作面。MG200/495－QWD型采煤機(jī)的截割部采用了分腔潤(rùn)滑系統(tǒng)，設(shè)置有高速高溫腔、隔離冷卻腔、低速低溫腔和行星潤(rùn)滑腔，有效地控制油溫超高帶來(lái)的負(fù)面影響，并保證采煤機(jī)在大傾角工作面上工作時(shí)，各級(jí)減速機(jī)構(gòu)的良好潤(rùn)滑。

2.5 遙控器技術(shù)

薄煤層大傾角工作面傾角大，開采空間狹小，飛矸嚴(yán)重，采煤機(jī)運(yùn)行難且極易被矸石砸傷，安全威脅大。MG200/495－QWD型采煤機(jī)采用了最先進(jìn)的采高控制技術(shù)和遙控器技術(shù)。遙控器上還能顯示采煤機(jī)的其他監(jiān)測(cè)參數(shù)，保證采煤機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)油溫監(jiān)測(cè)及超溫保護(hù)，保證采煤機(jī)各部件工作狀況受到監(jiān)控，方便采煤機(jī)司機(jī)隨時(shí)掌握采煤機(jī)工況，可遠(yuǎn)程監(jiān)控采煤機(jī)位置，并與液壓支架緊密配合，實(shí)現(xiàn)電液自動(dòng)控制。

綜上所述，MG200/495－QWD型采煤機(jī)具備薄煤層大傾角開采的關(guān)鍵技術(shù) （小體積、大牽引、高可靠性、操作方便等）。該采煤機(jī)正在雷公山煤礦薄煤層大傾角工作面現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)世界煤炭資源枯竭急劇增加的形勢(shì)，大傾角薄煤層開采已越來(lái)越被國(guó)家重視。通過MG200/495－QWD型采煤機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在雷公山煤礦薄煤層大傾角工作面的應(yīng)用研究，為薄煤層大傾角采煤機(jī)研究設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒依據(jù)。

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TD421.6 3

B

1006-6225（2013）06-0043-03

2013－06－20

李加林 （1963－），男，四川華鎣人，機(jī)電工程師，現(xiàn)從事煤礦機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究工作。

［責(zé)任編輯:王興庫(kù)］