7.2 m采高厚煤層采煤機的設計思考

董 建

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦厚煤層的綜采效率受到許多因素影響，其中主要影響因素有經(jīng)濟成本、技術水平和地質(zhì)狀況差異等，目前，厚煤層的綜采主要使用大采高綜采、綻放開采和分層綜采等三種綜采方式。在大多數(shù)煤礦中的7.2 m厚煤層開采中，存在煤層冒放性較差、煤質(zhì)較硬和綜采中浪費資源、效率低下等問題，但其煤層賦存穩(wěn)定，水平接近，具有極高的綜采效益，因此對其進行綜采選擇一次采全高技術。

1 厚煤層采煤機介紹

1.1 厚煤層采煤機的結構

7.2 m厚煤層采煤機由四個系統(tǒng)、八個結構、破碎機和中間控制箱組成，其中四個系統(tǒng)分別是電氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，八個結構是指分布在機身左右共八個的四種設備，分別是行走箱、搖臂、滾筒和牽引部。其中電氣系統(tǒng)通過人工指令操作，收集并控制綜采相關數(shù)據(jù)，是整個采煤機的大腦；傳動系統(tǒng)執(zhí)行采煤機的操作指令，例如行走和截割等行動指令；冷卻系統(tǒng)則對采煤機的重要結構和零件進行冷卻，并對作業(yè)面噴霧降塵，以改善作業(yè)環(huán)境；動力系統(tǒng)通過液壓設備提供的動力來進行破碎機和搖臂的升降[1]。

1.2 厚煤層采煤機整機的特征

7.2 m厚煤層采煤機的整機特征體現(xiàn)在對油缸的位置進行調(diào)整，主要有兩種調(diào)整方式分別是上置調(diào)整和下置調(diào)整。采煤機的油缸位置對其自身重心、液壓系統(tǒng)的工作壓力、過煤體積和其自身高度都存在影響。對于適用于7.2 m厚煤層開采的采煤機，其設計通過借鑒6.3 m采高采煤機的經(jīng)驗，并結合采煤機調(diào)高方案，設計出重量較大的搖臂和滾筒的采煤機。對油缸位置進行上置調(diào)整時會對搖臂的操作造成影響，需要加大機器高度和油缸外徑大小。在采煤機的油缸位置調(diào)整過程中還需要考慮采煤機在4.0 m最薄煤層的開采，最薄煤層的開采需要的機器高度越低越好。降低動力系統(tǒng)中的液壓設備的工作壓力能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以通過對厚煤層采煤機的油缸進行下置調(diào)整，使液壓設備中的調(diào)高油腔不受外力作用。

2 厚煤層采煤機的核心技術分析

2.1 整機穩(wěn)定性

7.2 m厚煤層采煤機在高煤層進行開采作業(yè)時，由于機器高度較大，容易發(fā)生機身的不穩(wěn)定而損壞機身系統(tǒng)的問題。通過分析機身在截割煤層中的受力狀況，可以避免因機器的不穩(wěn)定造成搖臂結構和行走箱系統(tǒng)的損壞。本文通過查閱文獻并總結世界范圍內(nèi)的采煤機穩(wěn)定經(jīng)驗，得出采煤機主要通過控制機器的重心實現(xiàn)整機的穩(wěn)定性，即將采煤機整機的重心高度進行大幅度降低，并結合科學合理的設備配套方案，將其重心偏移到輸送機的運輸槽中心[2]。

2.2 輕量化設計

對于7.2 m厚煤層采煤機的輕量化設計，主要考慮滾筒與搖臂的減重優(yōu)化設計，滾筒與搖臂懸掛在機器煤壁側(cè)，在采煤工作面進行采煤作業(yè)，其受力狀態(tài)較為復雜，在最初的7.2m煤層采煤作業(yè)中，許多國家都出現(xiàn)采煤機搖臂減速器損壞的狀況，所以對采煤機的整機減重優(yōu)化設計，一般從滾筒和搖臂的減重優(yōu)化來開展采煤機的輕量化設計。

2.2.1 滾筒減重優(yōu)化設計

厚煤層采煤機的截割滾筒的質(zhì)量較大時，會使采煤機的重心向質(zhì)量重的一側(cè)偏移。滾筒的質(zhì)量太大會降低機身穩(wěn)定性，需要控制滾筒質(zhì)量，使其質(zhì)量不影響機身重心。此外，采煤機的滾筒結構不對稱、直徑較大，進行減重優(yōu)化也要考慮滾筒重心的影響，需要對其重心進行控制，并在靜平衡下試驗重心是否偏移，以免滾筒在作業(yè)中旋轉(zhuǎn)重心偏移，產(chǎn)生額外的變交動負荷及其自身的動載荷作用在采煤機上，造成采煤機的損壞。對采煤機的滾筒進行減重優(yōu)化設計，要對滾筒的平衡性、結構強度和質(zhì)量做優(yōu)化調(diào)整，在保證前兩者的基礎上減輕滾筒的質(zhì)量。截割滾筒輕量化設計主要有：

1）設計新的滾筒結構，應用箱式構造來對滾筒進行優(yōu)化，在分析計算其結構強度后以保證滾筒新結構的強度符合要求；

2）對處于惡劣的施工狀況下的滾筒進行改進，可以對其連接盤和端盤材料的改進著手，通過使用高強度的材料來焊接滾筒，在改進過程中保證工藝規(guī)范可靠；

3）在采煤作業(yè)中采煤機的滾筒不耐磨損是因為受到?jīng)_擊和磨損，使用耐磨材料對其進行改進可以降低其磨損率；

4）減輕滾筒質(zhì)量還可以通過在端盤上開孔，開孔需要考慮其對卸煤口的影響，一般使用腰形孔的方式進行開孔；

5）對滾筒在截割煤中的穩(wěn)定性和截割效率的提高，可以通過增加截齒的方式來實現(xiàn)。

2.2.2 搖臂殼體減重優(yōu)化設計

厚煤層采煤機的搖臂結構在采煤作業(yè)中，其殼體受力情況較為復雜，同時受到壓應力、沖擊應力、拉應力和彎曲應力等應力的作用，使搖臂殼體發(fā)生脆性斷裂、疲勞斷裂和殼體變形。大采高采煤機的搖臂減重優(yōu)化要考慮采煤機的功率和其他合理因素，再對搖臂殼體的質(zhì)量進行減輕以達到搖臂減重優(yōu)化，其優(yōu)化設計主要有：

1）將搖臂的殼體換成高強度材料，對其進行熱處理，可以提高殼體的韌性和強度；

2）使用三維建模和有限元分析等軟件，對殼體的局部部件和主要部件的結構進行優(yōu)化設計。

2.3 重型行走系統(tǒng)優(yōu)化設計

7.2 m厚煤層采煤機的牽引力最大能達到1 320kN，一般采煤機的大修周期要求其過煤量達到300萬噸，為了達到采煤機的大修周期設計，要對其行走系統(tǒng)進行改進，提高其承載能力，對行走系統(tǒng)的改進可以從行走輪和導向滑輪兩個方面進行。厚煤層采煤機中使用的行走輪是大節(jié)距行走輪，對其改進可以應用電渣重熔鋼技術，嚴格控制其工藝，并進行強化噴丸和滲碳。而對導向滑輪的改進可以從行走輪與銷排的嚙合著手，對兩者的中心距進行控制來實現(xiàn)行走系統(tǒng)的改進。

2.4 大采高大功率采煤機破碎機設計

在采煤作業(yè)中，采高增大會發(fā)生片幫并有大煤塊出現(xiàn)在工作面的現(xiàn)象，對于這些大煤塊可以使用破碎機進行破碎，避免其因體積過大而堵塞過煤通道。破碎機通過臂架聯(lián)接在牽引箱殼體上，再通過油缸的伸縮來調(diào)節(jié)破碎機構所處的位置，以適應破碎時所需要的高度和破煤量[3]。對7.2 m的厚煤層進行綜采，想要保證其高效率和高產(chǎn)率，需要將破碎機功率增大到250 kW。7.2 m厚煤層中常用的采煤機破碎機型號為MG1000/2540，與其他國家的破碎機進行對比如表1所示。

表1 破碎機參數(shù)對比

3 結論

設計滿足7.2 m厚煤層的采煤機需要考慮其油缸位置調(diào)整方式，采高的最小和最大高度。MG1000/2540-GWD采煤機性能好、設計合理，適用于7.2 m厚煤層的綜采工作條件，可滿足國內(nèi)煤礦企業(yè)高產(chǎn)高效的采煤需求。