薄煤層滾筒式采煤機發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術

翟雨生，史春祥，呂 曉，郭 岱

(天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030)

我國薄煤層資源豐富，分布廣泛，其在煤炭資源總儲量中的比重近20%，但受薄煤層開采特性及開采裝備技術的影響，過去各大礦區(qū)薄煤層開采十分有限。然而，近幾年隨著中國煤炭行業(yè)的高速發(fā)展，易開采的厚與中厚煤層資源越來越少，薄煤層所占的比例越來越高。為避免資源浪費，實現(xiàn)資源均衡開采，提升礦區(qū)資源可采儲量、延長礦區(qū)生產服務年限，各大礦區(qū)均逐步加大了對薄煤層的開采力度。

薄煤層開采方式一般有炮采、螺旋鉆采煤、刨煤機采煤以及滾筒式采煤機采煤[1-3]。炮采因井下人員投入多、煤炭采出率低、安全隱患多、耗材高等缺點已基本被淘汰。螺旋鉆采煤需設鉆孔間煤柱及鉆孔組間煤柱，這樣導致煤炭資源浪費，降低了采出率，加上工作總時間的大部分要進行接長和縮短鉆桿，工作時間利用率低等缺點，使該采煤方式的煤礦越來越少。刨煤機采煤對煤層地質條件要求較高，煤層中不能有較大的斷層，傾角不宜過大，工作起伏不宜過大，煤質硬度不宜過硬等等，因而極大地限制了其應用范圍，僅有少數(shù)煤礦企業(yè)在使用。滾筒式采煤機采煤因適應性強、采出率高、性能穩(wěn)定、噸煤投入少、管理難度較小等優(yōu)點，得到了多數(shù)煤礦企業(yè)使用，是目前應用最廣泛的薄煤層采煤方式。因此，本文重點介紹薄煤層滾筒式采煤機的發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

與厚與中厚煤層相比，薄煤層機械化開采存在著一些問題：①空間狹小，工作條件差，設備安裝維護困難；②煤層厚度變化、斷層等地質構造對薄煤層設備生產性能影響大；③投入產出比高，經濟效益不如厚與中厚煤層；④薄煤層采煤機受結構尺寸限制，設計難度大等。諸多原因造成一段時間內薄煤層采煤機技術發(fā)展速度相對緩慢。

近年來，隨著各煤礦企業(yè)不斷加大對薄煤層的開采力度，市場對薄煤層采煤機的需求逐漸增加，要求也越來越高。因而國內外各采煤機生產廠家均加強了對薄煤層采煤機的研發(fā)力度，相繼推出了各種型號的大功率薄及較薄煤層采煤機，主要有：天地科技上海分公司的MG2×200/890-WD系列采煤機、西安煤機廠的MG2×200/925-AWD型采煤機、原雞西煤機廠的MG400/951-WD型采煤機、原美國JOY公司的7LS0型采煤機以及波蘭KOPEX公司的“黑龍系統(tǒng)”(如圖1所示)等[4-6]，主要技術參數(shù)見表1。

表1 大功率薄及較薄煤層采煤機參數(shù)

圖1 波蘭KOPEX公司的“黑龍系統(tǒng)”

上述采煤機中，天地上海分公司的890采煤機及西安煤機廠的925采煤機均采用正常機身布置+雙電機聯(lián)合驅動截割部的結構形式，該結構形式因其運行穩(wěn)定、適應性強等優(yōu)點，已成為國內大功率薄煤層采煤機的標準設計結構。原雞西煤機廠的951采煤機及JOY的7LS0采煤機采用的是由爬底板采煤機演變而來的懸機身布置結構形式，該結構形式將截割電機、機身等主要部件布置在煤壁側，達到降低機面高度、增大過煤空間的目的，但由于其整機重心過于偏向煤壁側，導致其運行穩(wěn)定性相對較差，對地質條件要求也較高，大大限制了其使用范圍，其中雞西的951采煤機雖然得到了少數(shù)應用，但并未獲大范圍推廣，而JOY的7LS0采煤機到目前為止仍沒有應用案例。KOPEX的“黑龍系統(tǒng)”是滾筒采煤機和刨煤機結合的產物，采用鏈牽引方式，一個截割電機驅動左右兩個滾筒，采高僅能靠支撐油缸微調，該結構形式的優(yōu)點是機身短，適應工作面起伏能力強，且可端部直接進刀，但缺點是采用鏈牽引，可靠性較齒軌式低，采高范圍調整幅度小，其僅適應工作面傾角不大，采高穩(wěn)定的特定煤層開采。該系統(tǒng)在波蘭已有應用案例，近期國內某煤炭公司訂購了一套，使用效果有待驗證。

雖然各廠家采用的結構布置方式不盡相同，但從表1中不難看出，采煤機的總裝機功率基本都達到了800～900kW，較之前400～500kW有了大幅度的提升。究其原因主要有兩點：一是薄煤層地質條件復雜，加大功率有利于提高采煤機的過斷層能力，減少采煤機的故障率，減輕煤礦工人的勞動強度；二是薄煤層由于采高低，想產生效益必須實現(xiàn)高產高效開采，而加大采煤機功率是最有效的途徑之一。因此，為了實現(xiàn)薄煤層的高產高效開采，加大采煤機功率是必然之勢。此外，表1中所述大功率薄煤層采煤機的最低采高都在1.3m左右，接近薄煤層定義的上限，因此在加大功率的同時，需要進一步降低采煤機機面高度，實現(xiàn)更低煤層的開采。綜合來看，發(fā)展矮機身大功率薄煤層采煤機成為了未來薄煤層采煤機的主要發(fā)展方向。

鑒于此，天地科技上海分公司于近兩年率先研發(fā)推出了兩款更大功率的薄及較薄煤層采煤機，分別為MG450/1050-WD型(如圖2所示)和MG2×250/1200-WD型采煤機，已分別在伊泰集團和濟寧能源得到應用，效果良好。兩款采煤機主要技術參數(shù)見表2。

表2 新型大功率薄煤層采煤機參數(shù)

圖2 MG450/1050-WD型采煤機

2 關鍵技術

隨著薄煤層采煤機的功率不斷加大，機面高度不但不能增加反而還要越矮越好，導致整機功率密度越來越高，由此帶來一系列關鍵技術問題亟待解決。

2.1 整機布置方式

尋求合理的整機布置方式，解決裝機功率、機面高度與過煤空間之間的矛盾，是發(fā)展矮機身大功率薄煤層采煤機面臨的首要問題[7]。由于正常機身布置+雙電機聯(lián)合驅動截割部的整機布置方式的優(yōu)越性，其仍是今后相當一段時間內大功率薄煤層采煤機主要采用的結構形式，但結構創(chuàng)新也是非常必要的，在特定的地質條件下，采用特殊的整機布置結構形式會得到更好的效果。如天地科技上海分公司提出的半懸機身布置結構，并開發(fā)了MG200/446-WD1型[8]和MG450/1050-WD型兩款薄煤層采煤機，使用效果良好。波蘭KOPEX公司提出的“黑龍系統(tǒng)”，雖然其適應性和使用效果有待驗證，但確是一種很好的結構創(chuàng)新嘗試。

2.2 高功率密度搖臂

目前，大功率薄煤層采煤機單搖臂的截割功率已經達到400kW以上，而整個搖臂的厚度和體積又受限于整機機面高度不能加大，同時搖臂又是采煤機中受力最直接最惡劣的部件，因此高功率密度搖臂的設計成了關鍵技術難點之一。

1)電機技術。雙電機聯(lián)合驅動和懸截割電機等結構形式，雖然可在一定程度上減弱對電機尺寸的要求，但隨著截割功率的不斷加大，電機的尺寸已成為制約搖臂厚度的關鍵所在，因此必須開發(fā)體積小、功率大的薄煤層采煤機采用隔爆電機。對于采煤機廠家來說，電機基本都屬于外購件，他們本身并沒有開發(fā)電機的技術，這就需要采煤機廠家積極與國內外專業(yè)的電機廠家合作，采用新技術、新手段，共同開發(fā)所需的小體積、大功率電機。

2)高強度殼體研制。薄煤層采煤機受空間限制，搖臂殼體要求盡量減薄設計。與中厚煤層采煤機相比，大功率薄煤層采煤機對殼體的強度要求更高。對高強度殼體的研制，各采煤機廠家都已進行了大量的研究工作，也取得了不錯的效果，搖臂殼體較之前具有更好的綜合力學性能，即較高的抗拉強度、屈服強度、塑性、硬度和沖擊韌性等[9，10]，但與國外還是有差距，后續(xù)應從材料成分、鑄造技術、熱處理工藝等方面著手，進一步提高殼體性能及質量穩(wěn)定性。

3)行星機構設計。行星機構是采煤機搖臂的關鍵組成部分，一般位于搖臂傳動系統(tǒng)末端，傳遞功率大，受的載荷復雜，極易發(fā)生故障，其性能優(yōu)劣決定采煤機的性能。對于薄煤層采煤機搖臂，也有將行星機構前置的布置方式，這樣行星機構受的載荷相對變小，直徑也沒有那么嚴格的限制，但這種結構的適應性有限。因而對于大功率薄煤層采煤機，仍多數(shù)選用行星機構置于搖臂傳動系統(tǒng)末端的結構，這就要求行星機構既要具有高的可靠性，直徑又要盡量的小。為了實現(xiàn)這一目標，在行星機構的設計過程中，需充分利用現(xiàn)代的優(yōu)化設計方法，建立行星機構的數(shù)學模型，尋求最優(yōu)的參數(shù)配置和結構設計，達到緊湊型大功率高可靠行星機構設計的目標。

4)傳動系統(tǒng)溫升控制。對于高功率密度齒輪傳動系統(tǒng)，溫升控制尤為重要，否則將引起潤滑油失效等問題的發(fā)生，進而影響齒輪傳動效果，導致輪齒磨損加劇、發(fā)生膠合等。針對傳動系統(tǒng)溫升控制問題，可從兩個方面進行研究：一是結構設計優(yōu)化，比如齒輪修形[11]、有限空間內合理增大搖臂殼體內腔體積、嚴格控制搖臂各軸系尺寸鏈及增加軸承高效潤滑系統(tǒng)等；另一個是冷卻系統(tǒng)布置優(yōu)化，采用溫度場分析找出高溫部位，然后有針對性的布置冷卻循環(huán)水路和冷卻器等。

2.3 高速高可靠牽引行走系統(tǒng)

對于大功率薄煤層采煤機，過斷層不可避免，同時為了獲得高的效益，還必須長時間高速運行，因此對采煤機牽引行走系統(tǒng)提出了更高的要求。

2.3.1 行走輪

行走輪在采煤機工作過程中主要起牽引、傳動的作用，是采煤機牽引行走系統(tǒng)極其重要的零件。對于薄煤層高效開采工作面，采煤機長期運行在高速重載工況下，行走輪極易發(fā)生齒根斷裂、齒面剝落磨損等問題，行走輪已成為影響采煤機工作可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)之一，因此提高行走輪的使用壽命對于提高大功率薄煤層采煤機的可靠性具有十分重要的意義。

為提高行走輪的整體強度，加大模數(shù)是最有效的方法，但由于薄煤層采煤機尺寸限制，模數(shù)能加大的空間有限，應從下面兩方面進行深入研究：①研究行走輪材料、熱處理工藝、表面強化技術等，提高行走輪的強度和耐磨性；②研究行走輪與銷齒嚙合的運動學與動力學狀況，建立采煤機牽引機構參數(shù)化模型，得到性能最佳的行走輪齒形曲線，降低牽引過程中的沖擊負荷，滿足高速重載牽引的需要。

2.3.2 導向滑靴

導向滑靴在采煤機工作過程中起著承載、導向的作用，是采煤機牽引行走系統(tǒng)的重要組成部分。在高速重載牽引工況下，導向滑靴很容易出現(xiàn)斷裂和磨損失效，同時薄煤層空間狹小，拆裝和更換非常困難，因此提高導向滑靴的強度和耐磨性非常必要。通過理論和有限元軟件對導向滑靴進行受力分析，在有限的空間內對其結構進行優(yōu)化設計，是提高導向滑靴強度的有效途徑之一。此外，需對各種耐磨材料和提高材料耐磨性的方法等進行深入研究，以提高導向滑靴的耐磨性。

2.4 緊湊型電控系統(tǒng)

受薄煤層采煤機機面高度、過煤空間及整機適應性等因素的影響，薄煤層采煤機電控系統(tǒng)設計尤其是其整體外形尺寸會受到嚴格的限定。對于大功率薄煤層采煤機，又要求整機功率、截割功率、牽引功率、牽引速度等在以前的基礎上有大幅度的提升，這就對電控系統(tǒng)開發(fā)提出了更加嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，需要在深入研究電控系統(tǒng)原理的基礎上，進行更加科學合理的軟、硬件開發(fā)，同時通過優(yōu)化關鍵元器件選型、優(yōu)化總體結構與布局、電控系統(tǒng)抗振性能和防水性能設計等，提升電控系統(tǒng)可靠性，并保證電控系統(tǒng)在薄煤層開采條件下的可維護性。

2.5 裝煤效果問題

薄煤層采煤機裝煤效果差是普遍存在的問題，也是制約薄煤層高效開采的主要障礙之一。解決此問題可以從優(yōu)化滾筒本身設計、采煤機各工作參數(shù)的合理匹配及采煤機結構的合理布置等方面考慮，比如運用理論分析與離散元數(shù)值模擬的方法，分析牽引速度、滾筒轉速、葉片螺旋升角等對采煤機裝煤性能的影響規(guī)律及顯著程度，找出最優(yōu)取值[12，13]。采用特殊的搖臂結構形式、增加合理的輔助裝煤裝置等也是解決此問題的有效途徑。

2.6 拖纜問題

由于薄煤層采煤機機面高度矮，電纜槽深度有限，采用傳統(tǒng)的圓電纜及配套電纜夾，其折彎半徑過大，導致采煤機在運行過程中，電纜夾與支架頂梁干涉，往往需要人工干預處理，嚴重制約了采煤效率，對于大功率薄煤層采煤機，電纜直徑更大，該問題尤為突出。開發(fā)自動拖纜系統(tǒng)是解決此問題的有效途徑之一，波蘭的“黑龍系統(tǒng)”就配備了自動拖纜系統(tǒng)，國內也有廠家正在研究和試驗自動拖纜系統(tǒng)。改用折彎半徑較小的扁電纜及其專用的電纜夾板也可以一定程度上解決此問題，天地科技上海分公司已在其薄煤層采煤機上應用，效果良好。

3 結 語

對于薄煤層工作面，為了降低采高、提高采煤機過斷層能力和開采效率，矮機身大功率成了主要發(fā)展方向，而隨著功率不斷加大，急需解決一些關鍵技術問題，本文對其進行了簡要介紹，并分別給出了解決思路或建議，可為大功率薄煤層采煤機的設計提供參考。文中所列并沒有涵蓋所有需要解決的關鍵技術問題，且隨著時間的推移和技術的進步，一定還會遇到新的問題及新的解決方案。此外，自動化和智能化也是今后薄煤層采煤機的必然發(fā)展方向，同樣有許多關鍵技術問題亟待解決，也必須投入大量的時間和精力去研究。