劉 蕾

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

我國擁有豐富的電力原材料資源—煤炭資源，隨著國家對煤炭能源需求的不斷增長，煤炭資源在全國范圍內(nèi)的各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著煤層開采復(fù)雜程度的增加，對開采機(jī)械裝置提出了更高的要求，采用安全高效的方法獲得所需的煤炭開采產(chǎn)量成當(dāng)前重要的難題[1]。目前大多數(shù)的煤礦開采研究集中于厚煤層領(lǐng)域，但利用單刀頭結(jié)構(gòu)的采煤機(jī)對薄煤層進(jìn)行開采的技術(shù)引起了煤炭從業(yè)人員的興趣，這樣可突破礦井惡劣環(huán)境的諸多限制。因此，本文開展了采煤機(jī)單刀頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，以保證單刀頭結(jié)構(gòu)能適應(yīng)于復(fù)雜多變的薄煤層的高效開采，從而提升采煤機(jī)在煤層開采的適應(yīng)性。

1 工程背景分析

1.1 地質(zhì)情況

堅(jiān)硬煤層開采主要是開采堅(jiān)固性系數(shù)較大的煤層，開采難度大。而堅(jiān)硬煤層占我國煤礦總資源約16.5%，相當(dāng)于6.59億m3的煤，存儲量相對較大。盡管堅(jiān)硬煤層的煤炭資源儲量很大，但由于我國工業(yè)資源和資源分配體系的不平衡，對硬煤層的開采規(guī)劃造成了重要影響[2-3]。由于硬煤層大多數(shù)是薄煤層，內(nèi)部開采空間小。因此，對采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)要求更高，原有雙刀頭結(jié)構(gòu)的采煤機(jī)已難以適應(yīng)，而將單刀頭采煤機(jī)應(yīng)用至堅(jiān)硬煤層的開采中具有更大的應(yīng)用前景。

1.2 開采機(jī)械的選用

我國相當(dāng)大一部分煤層缺乏有效開采設(shè)備。其中，包括新型采煤機(jī)系統(tǒng)，帶單刀頭和側(cè)向?qū)虻牟擅簷C(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，但卻有顯然不同的技術(shù)方案，2類采煤機(jī)的自動化系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)均具有較大的系統(tǒng)差異。截止目前，單刀頭采煤機(jī)的開采技術(shù)關(guān)鍵問題還沒有完全解決。針對采煤機(jī)技術(shù)的研發(fā)，不僅要體現(xiàn)在采煤機(jī)結(jié)構(gòu)上，而且需要對整個機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，尤其在切割頭結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)方面。在先進(jìn)截割頭采煤機(jī)設(shè)計(jì)過程中，需解決的關(guān)鍵問題為煤炭開采率對煤礦日產(chǎn)量的影響，這就要求設(shè)備的開采能力、裝載能力和截割頭工作能力、鏈條的運(yùn)輸能力相匹配，從而提高開采效率。此外，目前單一的開采技術(shù)只能用于具有適當(dāng)?shù)刭|(zhì)和開采條件的煤層，在我國通常是不適用的。采煤機(jī)主要存在問題是全自動化程度不夠，需要采煤機(jī)操作人員在機(jī)器附近進(jìn)行監(jiān)控，造成了大量人工損失，降低了采煤機(jī)的工作效率。而裝載問題則是由采煤機(jī)中截割頭內(nèi)部體積太小所造成的。假設(shè)煤礦日產(chǎn)量為4 000 t/d，若應(yīng)用900 mm的輪轂截割頭，在采高h(yuǎn)=1.0～1.6 m條件下，則無法實(shí)現(xiàn)設(shè)定日產(chǎn)量[4-6]。根據(jù)上述分析可知，用于開釆堅(jiān)硬煤層的采煤機(jī)應(yīng)滿足以下要求：①實(shí)現(xiàn)長壁系統(tǒng)的自動化操作；②將截割過程與裝載過程分開；③無需開槽即可進(jìn)行新的截割作業(yè)。。

2 單刀頭采煤機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 采煤機(jī)系統(tǒng)框架

采煤機(jī)系統(tǒng)是一套用于煤礦開采的綜合性設(shè)施。主要由裝載機(jī)、長壁鏈條輸送機(jī)和采煤機(jī)主體等組成。單截割頭機(jī)械化長壁系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 單刀頭釆煤機(jī)系統(tǒng)Fig.1 Single head coal mining machine system

配套的單頭采煤機(jī)整體如圖2所示。

圖2 配套的單頭采煤機(jī)整體示意Fig.2 Overall illustration of the supporting single-head shearer

采煤機(jī)包括機(jī)身、切割頭、運(yùn)輸槽和2個空裝載機(jī)等。1個裝載機(jī)處于運(yùn)動位置，而另一個裝載機(jī)處于待機(jī)位置，采煤機(jī)利用鏈條在輸送槽上拉動[6]。采煤機(jī)單刀頭直徑與煤層厚度相匹配，在我國堅(jiān)硬煤礦特有的開采和地質(zhì)條件下，煤層往往很難開采。為了確保所開采的煤炭物料掉在鏈條輸送機(jī)傳送帶上，對采煤機(jī)的單刀頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，單刀頭實(shí)物制造如圖3所示。

圖3 單刀頭實(shí)物設(shè)計(jì)示意Fig.3 Schematic diagram of physicaldesign of a single cutter head

利用單刀頭結(jié)構(gòu)的采煤機(jī)，可將平時(shí)由輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)的裝載功能改變?yōu)橛刹擅簷C(jī)實(shí)現(xiàn)。將轉(zhuǎn)載過程與截割過程分離是本研究的特點(diǎn)[7]。在采煤機(jī)運(yùn)行過程中，采煤機(jī)的運(yùn)動參數(shù)得到很大的提高，不存在物料散落在輸送機(jī)上的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率。

2.2 采煤機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

采煤機(jī)傳統(tǒng)上是沿著輸送帶平行運(yùn)動的，但新采煤機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)則采用了驅(qū)動單元來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的，該方案可以縮小采煤機(jī)的整體尺寸。此外，在出現(xiàn)故障的情況時(shí)，新型采煤機(jī)可以被牽引至巷道中，避免設(shè)備的大規(guī)模搬運(yùn)。單刀頭釆煤機(jī)導(dǎo)向運(yùn)動設(shè)計(jì)如圖4所示。單刀頭采煤機(jī)的主體沿著特殊導(dǎo)軌和側(cè)壁移動[8]。將截割和導(dǎo)向裝置安裝在采煤機(jī)的主體面上，并在其內(nèi)部空間布置驅(qū)動鏈結(jié)構(gòu)。

圖4 單刀頭采煤機(jī)導(dǎo)向運(yùn)動設(shè)計(jì)示意Fig.4 Schematic diagram of the guided movementdesign of a single-cutter head shearer

3 單刀頭參數(shù)設(shè)計(jì)

在堅(jiān)硬煤層厚度發(fā)生變化的情況下，有可能用更大或更小的截割頭代替。因此，建議設(shè)計(jì)切削范圍為1.0～1.6 m，提供直徑為1.0、1.2、1.4、1.6 m等截割頭。假設(shè)使用直徑1.2 m的截割頭，本文采用實(shí)際日產(chǎn)量作為評價(jià)堅(jiān)硬煤層開采的指標(biāo)[9]。圖5顯示了工作面長260 m、采高1.2 m的日產(chǎn)量示例。每日產(chǎn)出的示例分析也在相關(guān)圖表上標(biāo)記，形成了三維視圖。

圖5 煤炭產(chǎn)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)示意Fig.5 Schematic diagram of coal production statistics

據(jù)計(jì)算時(shí)間設(shè)定為2 min，模擬每天采煤機(jī)工作時(shí)間為13 h，則每天產(chǎn)量為6 000 t左右。如果將每日工作時(shí)間延長到15 h，擬合計(jì)算時(shí)間將延長到8 min，所獲得的日產(chǎn)量也會增大。目前對日產(chǎn)量的分析僅考慮了工作面參數(shù)(工作面長度、采高)、采煤機(jī)參數(shù)(切割、裝載數(shù)據(jù))和工作組織參數(shù)(日工作時(shí)間、組織時(shí)間)，但是，采煤機(jī)跟進(jìn)速度與輸送機(jī)運(yùn)輸能力的關(guān)系一直被忽略。因此，根據(jù)工作面高度以及輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，采煤機(jī)參數(shù)要求如下[10]：①鏈條輸送機(jī)：寬度為850 mm；剖面為 200 mm；鏈板速度為1.5 m/s；容量>1 400 t/d。②長壁支架：剖面比例尺為1∶5；系統(tǒng)行程850 mm；開采范圍為1.0～1.6 m。

將單刀頭采煤機(jī)、長壁鏈條輸送機(jī)和其他設(shè)備幾何參數(shù)輸入到Autodesk Inventor 3D仿真軟件進(jìn)行仿真。其中，采煤機(jī)系統(tǒng)包括單刀頭采煤機(jī)、長壁鏈條輸送機(jī)、長壁支架、鏈條輸送機(jī)，如圖6 所示。在長壁輸送機(jī)的兩端，安裝了采煤機(jī)的驅(qū)動器。

圖6 配備單頭采煤機(jī)的長壁系統(tǒng)Fig.6 Longwall system equipped witha single-head shearer

采煤機(jī)本體的設(shè)計(jì)方法：根據(jù)實(shí)際目標(biāo)，采用2×120 kW的截割頭傳動單元以及行星齒輪、安全裝置、潤滑系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。除了驅(qū)動單元外，截割頭由液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，自動化控制和診斷系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)提供故障預(yù)警，隨著采煤機(jī)沿著工作面移動，搖臂的長度是根據(jù)采礦過程中獲得的煤流量來確定的[11]。

單刀頭采煤機(jī)設(shè)計(jì)如圖7所示。采煤機(jī)由主體、驅(qū)動單元、裝載機(jī)組成，驅(qū)動單元與截割頭安裝在軸端。裝載機(jī)通過搖臂和伺服馬達(dá)安裝在采煤機(jī)主體上。裝載機(jī)安裝在主動位置，而驅(qū)動單元安裝在被動位置。釆煤機(jī)機(jī)身配備有2個壁式轉(zhuǎn)輪和2個截割轉(zhuǎn)輪。在截割和裝載的一側(cè)，主體裝備有電纜分配器和電纜。每個裝載機(jī)都配備10個滾輪截齒，滾輪安裝在裝載機(jī)底板邊緣放置。

圖7 單刀頭采煤機(jī)設(shè)計(jì)示意Fig.7 Schematic diagram of design of a single cutter head shearer

采煤機(jī)煤流道沿輸送機(jī)的側(cè)壁導(dǎo)軌移動，截割方向?yàn)檩斔蜋C(jī)的導(dǎo)軌移動方向。長壁系統(tǒng)配備了糾正伺服馬達(dá)。單刀頭采煤機(jī)安裝如圖8所示。巷道的底板水平相對于長壁工作面工作水平較低，從而使得輸送機(jī)驅(qū)動單位和采煤機(jī)驅(qū)動器可以同步。

圖8 單刀頭采煤機(jī)安裝示意Fig.8 Single-head shearer installation schematic

4 工程經(jīng)濟(jì)效益分析

將研究成果應(yīng)用到實(shí)際煤礦中，提高了煤炭資源回收率。開采期間，根據(jù)礦井已有的生產(chǎn)系統(tǒng)，采用上行開采沿空留巷技術(shù)，降低了巷道掘進(jìn)效率，而新采煤機(jī)的使用，使得投資成本低、見效快。研究成果可在其他條件類似礦區(qū)推廣應(yīng)用，使原來無法回收的煤層資源可以得到最大程度的開采利用。

(1)已取得經(jīng)濟(jì)效益。對4個采煤工作面進(jìn)行實(shí)踐，共計(jì)產(chǎn)出原煤70萬t，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，工作面直接工作效率較原方法提高了2倍，降低直接成本20元/t以上，獲得經(jīng)濟(jì)效益1 400萬元；少掘煤層巷道3 000 m，獲得直接經(jīng)濟(jì)效益900萬元左右。

(2)預(yù)測將來獲得新增效益。①多回收煤炭資源效益:資源量×回采率×單價(jià)=27 400萬元。②每年降低瓦斯治理成本:采用設(shè)計(jì)采煤機(jī)進(jìn)行開采，瓦斯治理達(dá)標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益好，預(yù)計(jì)瓦斯災(zāi)害治理工程量可比現(xiàn)有方法減少近50%、有效抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短近50%。該礦目前的煤層瓦斯治理成本按30元測算下，保護(hù)開采卸壓瓦斯治理節(jié)約成本50%，按每年20萬t原煤生產(chǎn)預(yù)計(jì)，每年節(jié)約成本為300萬元。本開采方法每年可少采煤矸石預(yù)計(jì)10萬t，按該礦井現(xiàn)洗煤與運(yùn)輸成本26元/t預(yù)算，每年節(jié)約成本至少為260萬元。

5 結(jié)語

煤層的開采厚度和開采效率是目前采礦機(jī)械制作過程中所重點(diǎn)關(guān)注的，隨著煤炭資源的逐步延伸，堅(jiān)硬煤層和薄煤層的有效開采是目前煤礦所面臨的難題，本文設(shè)計(jì)的單刀頭采煤機(jī)，在煤層厚度發(fā)生變化情況下，實(shí)現(xiàn)了更換截割頭的可能性，采煤機(jī)操作的控制系統(tǒng)是通過糾正伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，并研發(fā)了單刀頭釆煤機(jī)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的實(shí)際日產(chǎn)量進(jìn)行了分析和計(jì)算，特別是采煤機(jī)工作參數(shù)的計(jì)算，充分證實(shí)了設(shè)計(jì)的合理性。最后進(jìn)行了工程經(jīng)濟(jì)效應(yīng)分析，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。研究對指導(dǎo)采煤機(jī)設(shè)備的升級以及提高煤礦開采效率具有重要指導(dǎo)意義。