宋秋爽

(中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011)

1 薄煤層開采現(xiàn)狀

煤炭作為我國(guó)的主要能源，占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的76%和69%，未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，煤炭將仍是我國(guó)主要的能源來源[1]。僅國(guó)有煤礦薄煤層儲(chǔ)量約占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的20%，地方煤礦薄煤層儲(chǔ)量比重更大，全國(guó)保有工業(yè)儲(chǔ)量超過98.3億t，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在近80個(gè)礦區(qū)中的400多個(gè)礦井中就有約750層為薄煤層，而開采條件相對(duì)較好、煤層厚度在0.8 ～1.3 m 的緩傾斜煤層占總儲(chǔ)量的 45%[2]。我國(guó)薄煤層儲(chǔ)量分布廣泛且局部集中、煤質(zhì)較好。薄煤層儲(chǔ)量主要分布在安徽省(薄煤層儲(chǔ)量占全省煤炭?jī)?chǔ)量的72%)、四川省(薄煤層儲(chǔ)量占全省煤炭?jī)?chǔ)量的60%)、山東省(薄煤層儲(chǔ)量占全省煤炭?jī)?chǔ)量的54%)、黑龍江省(薄煤層儲(chǔ)量占全省煤炭?jī)?chǔ)量的51%)、貴州省(薄煤層儲(chǔ)量占全省煤炭?jī)?chǔ)量的46%)，山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省、吉林省也有豐富的薄煤層資源;陽泉、平頂山、徐州、開灤、鐵法、七臺(tái)河等大礦業(yè)集團(tuán)薄煤層儲(chǔ)量也占有較大比例。

薄煤層安全、經(jīng)濟(jì)開采是一個(gè)世界性難題，由于煤層薄、開采作業(yè)空間小，工作條件惡劣，回采效率低，經(jīng)濟(jì)效益差，開采安全性較差，百萬噸煤死亡率高，機(jī)械化程度不高。多數(shù)礦區(qū)厚薄煤層共存，特別是薄煤層作為解放層開采的礦井，由于薄煤層開采速度緩慢，造成下層煤層資源積壓，影響生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展，少數(shù)礦井采厚丟薄，不但浪費(fèi)了資源，還造成礦井安全生產(chǎn)隱患。我國(guó)薄煤層開采技術(shù)相對(duì)落后，除特殊短缺煤種外，大部分薄煤層被暫時(shí)放棄，這將造成煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，使礦井的服務(wù)年限縮短，同時(shí)也是煤炭企業(yè)的損失，因此研究探索薄煤層開采技術(shù)，是煤炭行業(yè)面臨的急待解決的問題。從先進(jìn)采煤國(guó)家和我國(guó)部分礦區(qū)薄煤層開采技術(shù)發(fā)展情況分析，絕大部分薄煤層在0.8～1.3 m之間，這些煤層有條件實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采，采用先進(jìn)薄煤層機(jī)械化開采裝備和適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)薄煤層的安全高效生產(chǎn)是完全可行的。實(shí)現(xiàn)薄煤層安全高效的開采，離不開高效的、智能化、高強(qiáng)度的全自動(dòng)化綜采成套裝備。薄煤層成套裝備的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，不僅能提高優(yōu)質(zhì)煤開采產(chǎn)量，而且對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于薄煤層的開采設(shè)備主要有刨煤機(jī)、滾筒采煤機(jī)、螺旋鉆采煤機(jī)，而隨著我國(guó)對(duì)薄煤層開采的重視，越來越多的煤機(jī)生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)薄煤層裝備，我國(guó)薄煤層技術(shù)裝備逐漸從全面技術(shù)引進(jìn)轉(zhuǎn)化為全面自主研發(fā)。天地科技股份有限公司上海分公司先后研發(fā)出MG100/238-WD、MGN132/316WD、MG2 ×100/456-WD、MG2 ×125/556-WD和MG2×160/710-WD系列滾筒式薄煤層電牽引采煤機(jī);2009年西安重工裝備制造集團(tuán)公司研發(fā)出最大功率MG2×200/925-AWD(3.3 kW)型薄煤層交流電牽引煤巖同采采煤機(jī);雞西煤機(jī)公司研發(fā)的MG180/420—BWD筒式薄煤層電牽引采煤機(jī)是我國(guó)逐漸掌握采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)志;2009年冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司研發(fā)“薄煤層綜采自動(dòng)化技術(shù)研究應(yīng)用”獲得中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng);2010年兗州集團(tuán)有限公司與遼寧工程技術(shù)大學(xué)合作研發(fā)“一米以下含堅(jiān)硬夾矸薄煤層安全高效綜采成套設(shè)備與技術(shù)”獲得2010年中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。2011年6月中煤集團(tuán)公司的重大項(xiàng)目《薄煤層滾筒采煤機(jī)無人自動(dòng)化工作面成套設(shè)備與技術(shù)項(xiàng)目》在北京煤礦機(jī)械有限公司進(jìn)行驗(yàn)收，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工況監(jiān)測(cè)預(yù)警、遠(yuǎn)程集中控制、記憶切割、人工干預(yù)調(diào)整、采煤機(jī)準(zhǔn)確定位、工作面監(jiān)控視頻自動(dòng)跟機(jī)切換、支架跟機(jī)移架、成組推溜等各項(xiàng)自動(dòng)化控制功能。如圖1所示。

圖1 滾筒采煤機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)Fig.1 Automatic system of shearer

國(guó)外薄煤層開采主要以刨煤機(jī)成套機(jī)組為主，已經(jīng)在德國(guó)(刨煤機(jī)采煤產(chǎn)量占總產(chǎn)量60%)、美國(guó)(刨煤機(jī)采煤產(chǎn)量占總產(chǎn)量35%)、法國(guó)(刨煤機(jī)采煤產(chǎn)量占總產(chǎn)量30%)廣泛應(yīng)用。我國(guó)先后引進(jìn)了10套刨煤機(jī)機(jī)組系統(tǒng)，已經(jīng)從第1套的全部成套系統(tǒng)引進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹灰M(jìn)刨煤機(jī)配國(guó)產(chǎn)液壓支架和刮板輸送機(jī)，現(xiàn)在發(fā)展到引進(jìn)適合傾角25°復(fù)雜煤層的刨煤機(jī)關(guān)鍵裝備[2]。

我國(guó)先后研發(fā)拖鉤刨煤機(jī)、滑行刨煤機(jī)，刨速、截割功率、牽引鏈直徑逐漸增大，張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)出國(guó)內(nèi)最大功率的刨煤機(jī)BH38/2×400，如圖2所示。2010年6月沈陽三一重裝有限公司與鐵法煤業(yè)集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)出同一型號(hào)的刨煤機(jī)成套設(shè)備，并在鐵法煤業(yè)集團(tuán)曉明礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

圖2 刨頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of plough body

刨煤機(jī)作為一種“淺截深、多循環(huán)”的采煤設(shè)備，具有截深自動(dòng)控制、自動(dòng)推溜、自動(dòng)移架降架、自動(dòng)噴霧滅塵和遠(yuǎn)程控制的功能，最適合于薄煤層安全、高效開采，對(duì)薄煤層、高瓦斯的礦井具有特有的優(yōu)勢(shì)。其工作原理是用輸送機(jī)兩端的刨頭驅(qū)動(dòng)裝置(電動(dòng)機(jī)、液力偶合器和減速器組成)使固定在刨頭上的刨鏈運(yùn)行，拖動(dòng)刨頭在工作面往返移動(dòng)，刨頭利用刨刀從煤壁落煤，同時(shí)利用梨面把刨落的煤裝入輸送機(jī)，推移液壓缸向煤壁推移輸送機(jī)和刨頭，如圖3所示。

圖3 刨煤機(jī)系統(tǒng)布置圖Fig.3 Layout of plough system

薄煤層刨煤機(jī)成套裝備關(guān)鍵技術(shù)研究是在實(shí)現(xiàn)無人開采工作面基礎(chǔ)上提出的，該項(xiàng)目的實(shí)施既能提升我國(guó)薄煤層的開采、運(yùn)輸、支護(hù)單一設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)的水平，提高開采裝備的可靠性，保證高產(chǎn)高效;又能促進(jìn)我國(guó)薄煤層成套裝備的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)井下無人開采，提高我國(guó)薄煤層開采的安全性，保障人身安全;同時(shí)綜采工作面成套技術(shù)的發(fā)展也為我國(guó)提升了煤機(jī)產(chǎn)品的總體水平，從而提升我國(guó)煤機(jī)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

2 刨煤機(jī)開采成套裝備基礎(chǔ)條件及存在的技術(shù)問題

2.1 刨煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)條件

遼寧工程技術(shù)大學(xué)作為煤炭重點(diǎn)院校，一直致力于綜采裝備的技術(shù)研究，擁有大型工礦裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)內(nèi)唯一的刨煤機(jī)綜合檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，先后發(fā)表多篇刨煤機(jī)相關(guān)論文，并獲有相關(guān)專利，從理論上研究了刨煤機(jī)適刨性、結(jié)構(gòu)可靠性、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、壽命預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控等技術(shù)，為刨煤機(jī)的工業(yè)性分析提供了理論依據(jù);張家口煤礦機(jī)械有限公司擁有多年的刨煤機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)某地質(zhì)條件煤層研發(fā)出強(qiáng)力刨煤機(jī)，正在建設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè)以1∶1直接模擬井下實(shí)際工況條件的綜合實(shí)驗(yàn)室，它的建成將對(duì)我國(guó)薄煤層技術(shù)裝備的理論性研究和試驗(yàn)驗(yàn)證提供條件。中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司博士后工作站引進(jìn)一名博士后，針對(duì)刨煤機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)理及力學(xué)行為進(jìn)行研究，為全自動(dòng)化刨煤機(jī)無人工作面提供理論分析依據(jù)。

2.2 刨煤機(jī)存在的技術(shù)問題

刨煤機(jī)是集采煤和運(yùn)輸于一體的開采裝備，刨頭在無級(jí)圓環(huán)鏈牽引下沿著刮板輸送機(jī)中部槽導(dǎo)軌運(yùn)行，刨頭上刨刀將煤從煤壁上刨落，并由刮板輸送機(jī)將刨落的煤運(yùn)出，完成整個(gè)開采過程。張家口煤礦機(jī)械有限公司作為我國(guó)最早開發(fā)刨煤機(jī)的企業(yè)，從1950年開始到現(xiàn)在一直致力于高性能刨煤機(jī)的研制，并逐漸形成系列產(chǎn)品，如MBJ-2A、BH26/2×75、BH30/2 × 132、BH30/2 ×160、BH34/2 × 200、BH38/2×400。就我國(guó)刨煤機(jī)來說，雖然刨煤機(jī)的裝機(jī)功率、刨頭刨削速度、高強(qiáng)度圓環(huán)鏈直徑有所提高，但與國(guó)外先進(jìn)的刨煤機(jī)裝機(jī)功率2×800 kW、刨頭速度3 m/s、φ42 mm刨鏈相比還有差距，主要存在以下問題:a.刨煤機(jī)刨硬煤的能力不強(qiáng)，使得刨煤機(jī)的使用局限性加大，設(shè)備關(guān)鍵部件的可靠性不高;b.刨頭調(diào)向裝置的靈敏度不高，使刨煤機(jī)推進(jìn)過程中出現(xiàn)“飄刀”或“啃底”現(xiàn)象，造成刨頭推進(jìn)過程中控制困難;c.刨煤機(jī)的自動(dòng)化程度不高，不能實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速的切換、刨頭位置檢測(cè)、刨深定量控制、自動(dòng)噴霧降塵、多點(diǎn)應(yīng)急控制、自動(dòng)檢測(cè)與自適應(yīng)診斷。

2.3 液壓支架存在的技術(shù)問題

液壓支架作為薄煤層成套裝備的重要組成，其自動(dòng)化要求應(yīng)根據(jù)所確定的刨深自動(dòng)完成刨頭運(yùn)行軌道向工作面推進(jìn)方向的定量推進(jìn)，自動(dòng)完成液壓支架的降架、移架、拉架、升架及對(duì)工作面頂板進(jìn)行支護(hù)。我國(guó)許多液壓支架生產(chǎn)廠家已經(jīng)研制出不同型號(hào)的薄煤層液壓支架，ZY4000/06/16.5D作為典型液壓支架已經(jīng)廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果，但主要存在以下問題:a.工作的適應(yīng)性差，就要求有更大的伸縮比;b.液壓支架控制程度不高，沒有實(shí)現(xiàn)雙向鄰架控制和雙向成組控制、定向定量推移控制;c.液壓支架端頭的自動(dòng)化支護(hù)未實(shí)現(xiàn)。

2.4 刨煤機(jī)成套系統(tǒng)存在的技術(shù)問題

刨煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是由監(jiān)控系統(tǒng)和控制單元組成，運(yùn)行時(shí)，由刨煤機(jī)刨頭感應(yīng)開關(guān)不斷地采集信號(hào)，由監(jiān)控系統(tǒng)控制器處理刨頭當(dāng)前位置、速度、方向，并把刨頭當(dāng)前位置信息傳遞給控制單元，控制單元結(jié)合自身傳感元件實(shí)現(xiàn)工作面支架、輸送機(jī)和刨煤機(jī)的自動(dòng)控制。由于目前對(duì)控制系統(tǒng)研究相對(duì)比較少，同時(shí)我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)相對(duì)落后，控制系統(tǒng)元件不能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使得控制不精準(zhǔn)[4]。

3 刨煤機(jī)開采成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)分析

通過產(chǎn)學(xué)研發(fā)展模式對(duì)我國(guó)刨煤機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行共同研究，由中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司及所屬企業(yè)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)和德國(guó)EEP公司共同承擔(dān)刨煤機(jī)項(xiàng)目研究;利用國(guó)際平臺(tái)的合作，引進(jìn)、吸收、消化國(guó)際上刨煤機(jī)的新技術(shù)，主要是刨煤機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)、刨煤機(jī)控制系統(tǒng)。

3.1 刨煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)的成套自動(dòng)化就必須突破“煤巖特性自動(dòng)識(shí)別技術(shù)”、“煤巖的適刨性技術(shù)”、“高強(qiáng)度的強(qiáng)力刨頭設(shè)計(jì)制造技術(shù)”、“刨煤機(jī)的防啃、防飄和水平控制技術(shù)”、“高強(qiáng)度牽引刨鏈的設(shè)計(jì)制造技術(shù)”、“刨煤機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)”、“故障自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)”。

刨煤機(jī)適用于煤不粘頂、煤的可刨性強(qiáng)、硫化鐵塊度小且含量少、煤質(zhì)中硬以下和硬度大但水平節(jié)理發(fā)育的薄煤層，在刨削煤巖過程中，經(jīng)常會(huì)遇到煤層內(nèi)存在異構(gòu)結(jié)構(gòu)，煤巖的物理化學(xué)特性差異很大，傳統(tǒng)按煤層的抗壓強(qiáng)度f值(即普氏系數(shù))來衡量煤層硬度的方法經(jīng)實(shí)踐證明并不可靠，f值是一個(gè)綜合性指標(biāo)，只是從總體上反映了煤巖的堅(jiān)固程度，當(dāng)涉及到不同類別的煤巖破碎方法，用它作為一種統(tǒng)一的衡量尺度，就具有很大的局限性，刨煤機(jī)的破煤方式充分利用了地壓和煤層的層節(jié)理特征，采用煤層的適應(yīng)刨削特性參數(shù)來反映煤巖可刨性，有利于煤巖的刨削。煤層適刨性研究主要影響因素有煤層硬度、煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、煤層底板、煤層直接板、煤層老頂、煤層厚度、煤層節(jié)理裂紋、煤層傾角、涌水瓦斯發(fā)火期等。遼寧工程技術(shù)大學(xué)李貴軒、趙麗娟等人，采用堅(jiān)固性系數(shù)f、截割阻抗A、脆韌性、可刨性Fs、可切割性能量指數(shù)U綜合分析煤層適刨性，為我國(guó)的刨煤機(jī)開采提供理論依據(jù)，如表1和圖4所示[5]。

表1 按A值對(duì)韌性煤分級(jí)Table 1 Tenacious level of coal by A value

圖4 韌脆性煤崩落角的差別Fig.4 Difference of tenacious and fragile coal breaking angle

高強(qiáng)度的強(qiáng)力刨頭、高強(qiáng)度牽引刨鏈的設(shè)計(jì)制造技術(shù)是刨煤機(jī)可靠運(yùn)行、減少設(shè)備故障率的保證，針對(duì)刨頭和刨鏈的設(shè)計(jì)過程中，采用傳統(tǒng)方法對(duì)刨煤機(jī)部件進(jìn)行有限元分析和可靠性優(yōu)化研究，這些方法是假設(shè)設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)參數(shù)服從正態(tài)分布，但由于工程實(shí)際的復(fù)雜性和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，使得設(shè)計(jì)參數(shù)的分布概率很多，各種設(shè)計(jì)參數(shù)服從多種形式的概率分布，有些完全不服從正態(tài)分布，單純使用正態(tài)分布的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)帶來一定的誤差;另一方面刨頭等鑄件單一化且形狀復(fù)雜、精度要求較高，刨頭制造成本高。采用參數(shù)化軟件對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，參數(shù)化模型表示了零件圖形的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束。結(jié)構(gòu)約束是指幾何元素之間的拓?fù)浼s束關(guān)系，如平行、垂直、相切、對(duì)稱等;尺寸約束則是通過尺寸標(biāo)注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關(guān)系，通過定義尺寸變量及它們之間在數(shù)值上和邏輯上的關(guān)系來表示。而APDL技術(shù)和VB、VC的應(yīng)用將允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性有權(quán)控制，擴(kuò)充了更高級(jí)運(yùn)算，提高設(shè)計(jì)靈敏度，如圖5所示[6]。

圖5 刨煤機(jī)牽引塊受力優(yōu)化分析Fig.5 Force optimization analyzing for plough driving block

刨頭不能隨時(shí)大量抬高臥底量，遇底板起伏不平，會(huì)造成“飄刀”、“啃底”現(xiàn)象，增加刨頭煤巖識(shí)別能力，特別是刨煤機(jī)切割狀態(tài)的在線識(shí)別(或煤巖界面的自動(dòng)探測(cè))，將煤巖特性參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并通過煤巖識(shí)別數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比。按照采煤工作面頂?shù)装宓淖兓虬凑杖藶樵O(shè)定的規(guī)律自動(dòng)調(diào)整刨頭的工作高度，避免刨煤機(jī)切割頂?shù)装寤虮３猪數(shù)装宓钠秸裕⒆詣?dòng)控制刨削刨深和刨速。

刨煤機(jī)的變頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)可控啟動(dòng)和停車，實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行，易于實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制，通過控制電動(dòng)機(jī)輸出功率實(shí)現(xiàn)節(jié)能，雙機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡好。電動(dòng)機(jī)通過變頻調(diào)速的方式能夠?qū)崿F(xiàn)在刨煤機(jī)成套開采系統(tǒng)的整個(gè)工作過程中無級(jí)調(diào)速，從而顯著提高傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速效率，使得傳動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速;同時(shí)，在刨煤機(jī)成套開采系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，變頻電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓由零慢慢提升到額定電壓，動(dòng)力裝置在啟動(dòng)過程中的啟動(dòng)電流就由過去過載沖擊電流不可控制變?yōu)榭煽刂?，并且可根?jù)需要調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流的大小。變頻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑地啟動(dòng)運(yùn)行，從而顯著降低刨煤機(jī)成套開采系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)承受的振動(dòng)載荷，避免了刨頭牽引電動(dòng)機(jī)因頻繁啟動(dòng)、換向而發(fā)熱。

3.2 液壓支架關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)的成套自動(dòng)化就必須突破液壓支架的“定向定量推移技術(shù)”、“液壓支架端頭的自動(dòng)化支護(hù)技術(shù)”、“液壓支架參數(shù)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)”、“雙向鄰架、雙向成組控制技術(shù)”、“電液控制技術(shù)”。采用可視化參數(shù)設(shè)計(jì)方法和模糊優(yōu)化方法研究液壓支架支撐強(qiáng)度，并提高其伸縮比，以降低液壓支架的支撐高度;采用APDL的液壓支架參數(shù)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)液壓支架，提高液壓支架在異構(gòu)地質(zhì)條件的適應(yīng)性;采用高強(qiáng)度復(fù)合材料，提高頂梁支撐強(qiáng)度，并保證頂梁壽命;液壓支架采用鋸齒型布置，根據(jù)刨頭位置和自身推移傳感器行程來決定移架，根據(jù)立柱壓力和推移行程傳感器自動(dòng)控制支架的降移升動(dòng)作并保證雙向鄰架、雙向成組控制;根據(jù)輸送機(jī)位置、輸送機(jī)的形狀和刨深參數(shù)自動(dòng)控制調(diào)整推溜動(dòng)作;液壓支架端頭的自動(dòng)化支護(hù)技術(shù)，保證系統(tǒng)的支撐安全;實(shí)現(xiàn)液壓支架聯(lián)動(dòng)平衡、側(cè)護(hù)，實(shí)現(xiàn)平衡差動(dòng)、側(cè)護(hù)板抬底，如圖6所示。電液比例控制技術(shù)是保證液壓系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵，由于我國(guó)基礎(chǔ)元件質(zhì)量和密封條件還達(dá)不到要求，大量電液比例控制閥還需要進(jìn)口。

圖6 薄煤層刨煤機(jī)配套液壓支架Fig.6 Thin-seam support for plough

3.3 刨煤機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)的成套自動(dòng)化就必須突破“三機(jī)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)”、“成套設(shè)備的實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)技術(shù)”、“成套設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)”、“系統(tǒng)自動(dòng)噴霧技術(shù)”。刨煤機(jī)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)是保證成套裝備自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵，包括刨煤機(jī)順槽內(nèi)檢測(cè)、控制器進(jìn)行集中控制和刨煤機(jī)多路負(fù)荷中心控制、實(shí)現(xiàn)刨煤機(jī)及刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)部功率平衡、全自動(dòng)化控制系統(tǒng)(錨固監(jiān)測(cè)、刨煤機(jī)負(fù)荷監(jiān)測(cè)、推移千斤頂行程、立柱壓力監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸機(jī)負(fù)載監(jiān)測(cè)、刨頭位置方向、水平控制、工作面形狀)、“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)、實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備的實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)技術(shù)、成套設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)、系統(tǒng)自動(dòng)噴霧技術(shù)、刨頭位置監(jiān)測(cè)校正及遠(yuǎn)程可視化、刨煤機(jī)鏈輪張緊控制、刨煤機(jī)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、刨煤機(jī)過載保護(hù)監(jiān)測(cè)與控制[6]。

4 薄煤層刨煤機(jī)成套裝備應(yīng)用實(shí)例分析

陜西南梁礦業(yè)有限公司南梁煤礦20302(1)工作面位于203盤區(qū)，工作面北側(cè)為203盤區(qū)巷道，南側(cè)和西側(cè)為小回采區(qū)域(采空區(qū))，根據(jù)工作面鉆孔資料顯示，煤層平均厚度1.40 m，傾角1°～3°，煤層頂板巖性為細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖和粉砂巖，厚度12.70 m，底板為泥巖，厚度1.35 m，遇水底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重。工作面涌水量較小。工作面瓦斯含量很低。煤硬度f＞3，黏度大。以陜西某礦工作面地質(zhì)條件為例，進(jìn)行三機(jī)配套設(shè)計(jì)，三機(jī)配套圖如圖7所示。其主要參數(shù)如下所示。

滑行刨煤機(jī):設(shè)計(jì)長(zhǎng)度300 m、理論生產(chǎn)能力800 t/h、適應(yīng)煤層厚度 0.9 ～1.7 m、適應(yīng)煤層傾角≤25°、適應(yīng)煤層硬度＜350 N/mm、刨煤部裝機(jī)功率2×400 kW、調(diào)速范圍0.64 ～2.3 m/s、刨削深度小于120 mm、自動(dòng)化和遠(yuǎn)程集中控制。

輸送機(jī):輸送能力1 200 t/h、刮板鏈速1.32 m/s、刮板鏈規(guī)格34×126 mm扁環(huán)鏈、刮板間距1 008 mm、中部槽1 500 mm×724 mm×303 mm。

液壓支架:支架結(jié)構(gòu)高度900～1 800 mm、支架額定初撐力5 057 kN、支架額定工作阻力7 000 kN、推移步距600 mm、支撐強(qiáng)度0.76～1.05 MPa電液控制。

自動(dòng)控制系統(tǒng):全部由德國(guó)EEP公司引進(jìn)，實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備的實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)技術(shù)、成套設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)、系統(tǒng)自動(dòng)噴霧技術(shù)、刨頭位置監(jiān)測(cè)校正及遠(yuǎn)程可視化、刨煤機(jī)鏈輪張緊控制、刨煤機(jī)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、刨煤機(jī)過載保護(hù)監(jiān)測(cè)與控制，并將參數(shù)上傳至地面中協(xié)調(diào)度室。自動(dòng)化刨煤機(jī)系統(tǒng)設(shè)備配置如圖8所示[7，8]。

5 結(jié)語

我國(guó)已經(jīng)研制出高性能刨煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)，這為我國(guó)實(shí)現(xiàn)0.6～1.3 m薄煤層全自動(dòng)化刨煤機(jī)成套提供可行性，通過產(chǎn)學(xué)研和國(guó)際平臺(tái)的合作，采用APDL參數(shù)化技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、煤巖識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)化調(diào)高調(diào)速技術(shù)、三機(jī)聯(lián)動(dòng)技術(shù)、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)薄煤層年生產(chǎn)能力100萬 ～200萬t，使薄煤層國(guó)產(chǎn)裝備的生產(chǎn)能力、自動(dòng)化水平、工作可靠性和使用壽命等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或接近國(guó)際同類裝備的先進(jìn)水平，為薄煤層刨煤機(jī)無人工作面的生產(chǎn)提供技術(shù)保障[9]。

圖7 刨煤機(jī)三機(jī)配套(單位:mm)Fig.7 Plough complete equipment(unit:mm)

圖8 自動(dòng)化刨煤機(jī)系統(tǒng)設(shè)備配置Fig.8 Automatic plough system equipment disposition

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