關(guān) 旭，閆海龍，王紫瑞

（1.遼寧理工學(xué)院 信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121010；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 研究生院，遼寧 葫蘆島 125105；3.遼寧瀚石礦山工程集團(tuán)有限公司，遼寧 阜新 123000）

露天煤礦邊端幫下遺存大量壓余煤[1-3]，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)露天煤礦邊端幫下壓煤量占邊境內(nèi)可開采量的14.7%。露天煤礦大部分采用內(nèi)排的方式，隨著露天礦內(nèi)排的跟進(jìn)，造成煤炭資源的永久性浪費(fèi)[4]，同時(shí)，邊幫壓煤發(fā)生自燃，對(duì)環(huán)境造成污染，并因自燃導(dǎo)致邊幫加速垮塌，一方面使礦坑進(jìn)一步外延擴(kuò)展、另一方面形成滑坡與崩塌自然與人為復(fù)合災(zāi)害[5-10]。基于上述情況，新近研發(fā)設(shè)計(jì)了一款露天煤礦端幫制導(dǎo)式螺旋鉆采煤機(jī)（以下簡(jiǎn)稱螺旋鉆采煤機(jī)），針對(duì)此采煤機(jī)配套研發(fā)設(shè)計(jì)了一種制導(dǎo)式螺旋鉆頭。

1 螺旋鉆采煤機(jī)

螺旋鉆采煤機(jī)整機(jī)包括7 個(gè)部分。

1）鉆頭。LC-QH-1200 型露天礦螺旋采煤機(jī)的直筒型螺旋鉆頭改進(jìn)為前半部半球殼狀、后半部為圓筒型鉆頭部。

2）制導(dǎo)機(jī)構(gòu)。螺旋鉆頭的改進(jìn)，目的增加配備制導(dǎo)機(jī)構(gòu)。

3）動(dòng)力系統(tǒng)。包括移動(dòng)承載平臺(tái)裝置、截割電機(jī)、進(jìn)推/回拉液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)、制導(dǎo)液壓機(jī)構(gòu)和鉆桿拆卸液壓機(jī)構(gòu)等。

4）輸煤槽與螺旋鉆桿。輸煤槽上部開口，底部設(shè)前后2 組行走輪，輸煤槽內(nèi)前后各設(shè)置1 支架和支架中央軸承，螺旋鉆桿由螺旋葉片和直桿組成，輸煤槽開口外緣或中下部?jī)蓚?cè)管線輸導(dǎo)管。

5）鉆桿拆卸機(jī)構(gòu)。由支架、卡柄液壓缸、卡柄和插銷液壓缸側(cè)支板組成，位于移動(dòng)承載平臺(tái)裝置之前和進(jìn)推軌道前端。

6）進(jìn)推軌道。由2 根光滑的鋼軌組成，位于動(dòng)力承載平臺(tái)和輸煤槽之下。

7）自動(dòng)控制系統(tǒng)。包括2 個(gè)子系統(tǒng)：①自動(dòng)控制子系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)軌跡、信息反饋和指令糾傾糾偏；②指令轉(zhuǎn)動(dòng)截割、進(jìn)推與回拉和鉆桿拆卸動(dòng)力動(dòng)作。

LC-QH-1200 螺旋采煤機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：①整機(jī)質(zhì)量：131 t；②適應(yīng)煤層的普氏硬度系數(shù)：2；③鉆孔直徑：1.2 m；④開采深度：60～ 150 m；⑤生產(chǎn)能力：25 萬t/a；⑥鉆桿轉(zhuǎn)速：35 r/min；⑦鉆進(jìn)角度：0°～±5 °；⑧裝機(jī)總功率：528 kW；⑨液壓系統(tǒng)壓力：25 MPa；⑩采煤機(jī)行走速度：285 m/h；?系統(tǒng)供電電壓：6 000 V。

2 制導(dǎo)式螺旋鉆頭

2.1 制導(dǎo)式螺旋鉆頭結(jié)構(gòu)

制導(dǎo)式螺旋鉆頭包括鉆頭和制導(dǎo)機(jī)構(gòu)。螺旋鉆頭由半球殼狀鉆頭部和圓筒型鉆頭部、半球殼狀鉆頭部?jī)?nèi)固定“十字形”支架、支架中央為圓環(huán)構(gòu)件組成。支架和圓環(huán)構(gòu)件鑲嵌前截齒，半球殼狀鉆頭部和圓筒型鉆頭部二者焊接。制導(dǎo)機(jī)構(gòu)包括與半球殼狀鉆頭部曲度一致的微轉(zhuǎn)動(dòng)曲面圓環(huán)及其受推曲板、固定銷軸、滑動(dòng)圓環(huán)、固定圓筒、制導(dǎo)液壓機(jī)構(gòu)、固定連接板。微轉(zhuǎn)動(dòng)曲面圓環(huán)外表面鑲嵌側(cè)截齒和前緣鑲嵌前截齒，制導(dǎo)式“十字型”螺旋鉆頭如圖1。

圖1 制導(dǎo)式“十字型”螺旋鉆頭

2.2 制導(dǎo)原理

微轉(zhuǎn)動(dòng)曲面圓環(huán)與半球殼狀鉆頭部曲度一致，環(huán)套于半球殼狀鉆頭部之外，兩者間距在毫米量級(jí)，固定銷軸穿插于微轉(zhuǎn)動(dòng)曲面圓環(huán)狹窄矩形切口，可保持半球殼狀鉆頭部不脫離半球殼狀鉆頭部且可在制導(dǎo)液壓機(jī)構(gòu)的頂推時(shí)繞兩兩對(duì)稱的固定銷軸構(gòu)成的虛擬轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行鉆頭鉆進(jìn)糾傾和糾偏。矩形切口縱向排列，共4 個(gè)，兩兩相對(duì)，與固定銷軸數(shù)目一致。受推曲板固定于微轉(zhuǎn)動(dòng)曲面圓環(huán)后外緣，由支撐桿支撐。

固定圓筒套扣在滑動(dòng)圓環(huán)的外部，由固定連接板固定在第1 節(jié)輸煤槽上，可保持固定圓筒及固定其上的制導(dǎo)液壓機(jī)構(gòu)不轉(zhuǎn)動(dòng)而鉆頭和螺旋鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，固定圓筒外表面設(shè)置3 組制導(dǎo)液壓機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)圓環(huán)固定在所述圓筒型鉆頭部外表面，由2 組環(huán)形軸承組成。3 組制導(dǎo)液壓機(jī)構(gòu)，2 組對(duì)稱固定在固定圓筒外表面，位于對(duì)應(yīng)螺旋鉆桿水平直徑位置，另1 組位于固定圓筒外表面的底部，制導(dǎo)液壓機(jī)構(gòu)的活動(dòng)缸桿前端設(shè)置1 組雙軸承，可使頂推受推曲板時(shí)保持鉆頭1 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

在鉆進(jìn)采礦過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)軌跡狀況。當(dāng)鉆進(jìn)軌跡與鉆桿軸線發(fā)生偏離時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)即時(shí)向操作室（控制室）發(fā)出預(yù)警信號(hào)，操作人員可針對(duì)接收到的鉆進(jìn)軌跡偏離信號(hào)，采用遙控或手動(dòng)的操作方式，給出糾偏或糾傾指令，自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)制導(dǎo)機(jī)構(gòu)液壓動(dòng)力，進(jìn)行糾偏或糾傾。偏斜度以1/100 為準(zhǔn)則，即鉆進(jìn)深度100 m，允許偏斜1 m。在糾偏和糾傾偏斜度小于1/100 之后，自動(dòng)控制系統(tǒng)指令制導(dǎo)機(jī)構(gòu)停止頂推，活動(dòng)缸桿回縮至原位。

在操作室配置了實(shí)時(shí)偏斜度檢測(cè)和監(jiān)測(cè)智能系統(tǒng)和監(jiān)控屏，偏斜度的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)以預(yù)定的直線鉆進(jìn)軌跡為準(zhǔn)則，當(dāng)實(shí)際鉆進(jìn)軌跡為曲線時(shí)即與預(yù)定直線鉆進(jìn)軌跡發(fā)生偏離并偏離度達(dá)到或超過1/100時(shí)智能自控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警和糾偏糾傾預(yù)備指令，同時(shí)顯示在監(jiān)控屏上，等待操作人員確認(rèn)，并答復(fù)智能自控系統(tǒng)正式下達(dá)糾偏或糾傾指令，人工或通過遙控或手動(dòng)下達(dá)糾偏或糾傾指令，實(shí)施糾偏或糾傾。

圓筒型鉆頭部上的4 個(gè)兩兩相對(duì)的固定銷軸構(gòu)成2 個(gè)相互垂直的微轉(zhuǎn)動(dòng)曲面圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，當(dāng)鉆進(jìn)軌跡發(fā)生向左偏離即左側(cè)斜時(shí)，需向右導(dǎo)向糾偏，在鉆進(jìn)的同時(shí)，左側(cè)的制導(dǎo)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，活動(dòng)缸桿伸出頂推受頂推曲板，使微轉(zhuǎn)動(dòng)曲面圓環(huán)繞虛擬軸轉(zhuǎn)動(dòng)直至達(dá)到糾偏，自動(dòng)控制系統(tǒng)指令活動(dòng)缸桿回縮停止頂推脫離頂推受頂推曲板。

向左導(dǎo)向糾偏，與向右導(dǎo)向糾偏為相反的鏡像過程動(dòng)作，不再贅述。向上導(dǎo)向糾傾，過程和動(dòng)作與上述類似，只是底部的制導(dǎo)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，活動(dòng)缸桿伸出頂推受頂推曲板，直至達(dá)到糾傾。同時(shí)出現(xiàn)左側(cè)斜和傾斜，或者同時(shí)出現(xiàn)右側(cè)斜和傾斜，需要左側(cè)／右側(cè)和底部制導(dǎo)機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，可以達(dá)到采煤機(jī)糾偏和糾傾的目的地。

3 采煤工藝過程

3.1 工藝過程

工藝工作過程：①平整作業(yè)場(chǎng)地后，埋設(shè)側(cè)移軌道；②沿邊端幫煤壁開槽，布設(shè)帶式輸送機(jī)；③在開采位置布設(shè)垂直于煤壁的接導(dǎo)煤帶式輸送機(jī)或刮板輸送機(jī)；④在側(cè)移軌道上安裝制導(dǎo)式螺旋鉆機(jī)，安裝制導(dǎo)機(jī)構(gòu)；⑤布設(shè)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)軌跡的通訊線纜和部件；⑥在鉆進(jìn)采礦過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)軌跡狀況，當(dāng)鉆進(jìn)軌跡發(fā)生與鉆桿軸線偏離時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)即時(shí)向操作室發(fā)出預(yù)警信號(hào)，操作人員可針對(duì)接收到的鉆進(jìn)軌跡偏離信號(hào)，采用遙控或手動(dòng)的操作方式，給出糾偏或糾傾指令，自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)制導(dǎo)機(jī)構(gòu)液壓動(dòng)力，進(jìn)行糾偏或糾傾。

鉆桿裝接極大地簡(jiǎn)化了鉆桿裝接工藝與過程。因?yàn)槁菪@桿與輸煤槽為一體且輸煤槽為標(biāo)準(zhǔn)的圓筒式，鉆桿位于輸煤槽的中央，輸煤槽行走輪夾卡在進(jìn)推軌道上。這樣，前后2 節(jié)輸煤槽和鉆桿的對(duì)接部位可準(zhǔn)確相對(duì)。鉆桿后端為臺(tái)錐狀螺紋頭（類似榫頭），前段為內(nèi)凹的臺(tái)錐狀螺紋（類似卯槽）。

當(dāng)待裝接輸煤槽+鉆桿（末1 鉆桿）置于進(jìn)推軌道上后，截割電機(jī)在進(jìn)推液壓機(jī)構(gòu)的緩慢前推下，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與鉆桿后端對(duì)接，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直至榫卯?dāng)Q緊、并由插銷固鎖。末1 鉆桿繼續(xù)前推，與末2 鉆桿對(duì)接，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直至榫卯?dāng)Q緊、并由插銷固鎖。

螺旋鉆采煤機(jī)鉆桿拆卸機(jī)構(gòu)為2 組樣式相同的機(jī)構(gòu)，位于進(jìn)推/回拉軌道前端和中后部，鉆桿拆卸機(jī)構(gòu)由“門字形”支架、卡柄和插銷液壓缸及卡柄等組成，固定液壓缸缸底固定于“門字形”支架之橫梁之下，并在兩側(cè)通過固定支板固定于“門字形”之側(cè)立柱，卡柄液壓缸的活動(dòng)缸桿與卡柄固定，卡柄卡口部為開口的等6 邊形，與所述螺旋鉆桿直桿6 棱柱體相匹配，以方便固定。截割電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)鉆桿的裝接或拆卸。

3.2 開采與礦硐充填

在自動(dòng)控制系統(tǒng)控制下，依次啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，螺旋鉆采煤機(jī)開始實(shí)施采煤作業(yè)。鉆進(jìn)截割下來的煤在螺旋葉片之間隨螺桿旋轉(zhuǎn)順次轉(zhuǎn)運(yùn)出硐外，經(jīng)運(yùn)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載堆放或直接裝車外運(yùn)。

螺旋采煤機(jī)工作時(shí)，礦硐內(nèi)無人作業(yè)。待若干個(gè)礦硐開采完成后，利用螺旋采煤機(jī)進(jìn)行礦硐充填。礦硐充填有2 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：①須將截割鉆頭更換為充填頭；②與采煤時(shí)截割電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，可將充填物料傳輸進(jìn)礦硐。充填物料需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行配比，主要物料可就地取材，剝離的矸石等均可利用。

4 結(jié)語(yǔ)

螺旋鉆采煤機(jī)的螺旋鉆頭可制導(dǎo)、可糾偏糾傾。螺旋鉆桿對(duì)準(zhǔn)和裝接無需附加機(jī)構(gòu)，螺旋鉆桿拆卸工藝簡(jiǎn)捷。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、自控系統(tǒng)簡(jiǎn)化、易操作易控制。螺旋鉆采煤機(jī)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化和優(yōu)化，方便操作、控制、側(cè)移和轉(zhuǎn)場(chǎng)，具備采充一體化功能。