劉 蕾

(西安航空職業(yè)技術學院，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的各個領域發(fā)揮著重要作用。隨著煤層開采復雜程度的增加，對開采機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量成當前重要的難題[1]。目前大多數的煤礦開采研究集中于厚煤層領域，但利用單刀頭結構的采煤機對薄煤層進行開采的技術引起了煤炭從業(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，本文開展了采煤機單刀頭結構的設計研究，以保證單刀頭結構能適應于復雜多變的薄煤層的高效開采，從而提升采煤機在煤層開采的適應性。

1 工程背景分析

1.1 地質情況

堅硬煤層開采主要是開采堅固性系數較大的煤層，開采難度大。而堅硬煤層占我國煤礦總資源約16.5%，相當于6.59億m3的煤，存儲量相對較大。盡管堅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]。由于硬煤層大多數是薄煤層，內部開采空間小。因此，對采煤機的結構要求更高，原有雙刀頭結構的采煤機已難以適應，而將單刀頭采煤機應用至堅硬煤層的開采中具有更大的應用前景。

1.2 開采機械的選用

我國相當大一部分煤層缺乏有效開采設備。其中，包括新型采煤機系統(tǒng)，帶單刀頭和側向導向的采煤機結構基本相同，但卻有顯然不同的技術方案，2類采煤機的自動化系統(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，單刀頭采煤機的開采技術關鍵問題還沒有完全解決。針對采煤機技術的研發(fā)，不僅要體現在采煤機結構上，而且需要對整個機械系統(tǒng)進行研發(fā)，尤其在切割頭結構和電氣系統(tǒng)方面。在先進截割頭采煤機設計過程中，需解決的關鍵問題為煤炭開采率對煤礦日產量的影響，這就要求設備的開采能力、裝載能力和截割頭工作能力、鏈條的運輸能力相匹配，從而提高開采效率。此外，目前單一的開采技術只能用于具有適當地質和開采條件的煤層，在我國通常是不適用的。采煤機主要存在問題是全自動化程度不夠，需要采煤機操作人員在機器附近進行監(jiān)控，造成了大量人工損失，降低了采煤機的工作效率。而裝載問題則是由采煤機中截割頭內部體積太小所造成的。假設煤礦日產量為4 000 t/d，若應用900 mm的輪轂截割頭，在采高h=1.0～1.6 m條件下，則無法實現設定日產量[4-6]。根據上述分析可知，用于開釆堅硬煤層的采煤機應滿足以下要求：①實現長壁系統(tǒng)的自動化操作；②將截割過程與裝載過程分開；③無需開槽即可進行新的截割作業(yè)。。

2 單刀頭采煤機結構設計

2.1 采煤機系統(tǒng)框架

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

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

配套的單頭采煤機整體如圖2所示。

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

采煤機包括機身、切割頭、運輸槽和2個空裝載機等。1個裝載機處于運動位置，而另一個裝載機處于待機位置，采煤機利用鏈條在輸送槽上拉動[6]。采煤機單刀頭直徑與煤層厚度相匹配，在我國堅硬煤礦特有的開采和地質條件下，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傳送帶上，對采煤機的單刀頭結構進行設計，單刀頭實物制造如圖3所示。

圖3 單刀頭實物設計示意Fig.3 Schematic diagram of physicaldesign of a single cutter head

利用單刀頭結構的采煤機，可將平時由輸送機實現的裝載功能改變?yōu)橛刹擅簷C實現。將轉載過程與截割過程分離是本研究的特點[7]。在采煤機運行過程中，采煤機的運動參數得到很大的提高，不存在物料散落在輸送機上的安全風險，提高了工作效率。

2.2 采煤機導向系統(tǒng)設計研究

采煤機傳統(tǒng)上是沿著輸送帶平行運動的，但新采煤機導向系統(tǒng)則采用了驅動單元來實現運行的，該方案可以縮小采煤機的整體尺寸。此外，在出現故障的情況時，新型采煤機可以被牽引至巷道中，避免設備的大規(guī)模搬運。單刀頭釆煤機導向運動設計如圖4所示。單刀頭采煤機的主體沿著特殊導軌和側壁移動[8]。將截割和導向裝置安裝在采煤機的主體面上，并在其內部空間布置驅動鏈結構。

圖4 單刀頭采煤機導向運動設計示意Fig.4 Schematic diagram of the guided movementdesign of a single-cutter head shearer

3 單刀頭參數設計

在堅硬煤層厚度發(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，建議設計切削范圍為1.0～1.6 m，提供直徑為1.0、1.2、1.4、1.6 m等截割頭。假設使用直徑1.2 m的截割頭，本文采用實際日產量作為評價堅硬煤層開采的指標[9]。圖5顯示了工作面長260 m、采高1.2 m的日產量示例。每日產出的示例分析也在相關圖表上標記，形成了三維視圖。

圖5 煤炭產量數據統(tǒng)計示意Fig.5 Schematic diagram of coal production statistics

據計算時間設定為2 min，模擬每天采煤機工作時間為13 h，則每天產量為6 000 t左右。如果將每日工作時間延長到15 h，擬合計算時間將延長到8 min，所獲得的日產量也會增大。目前對日產量的分析僅考慮了工作面參數(工作面長度、采高)、采煤機參數(切割、裝載數據)和工作組織參數(日工作時間、組織時間)，但是，采煤機跟進速度與輸送機運輸能力的關系一直被忽略。因此，根據工作面高度以及輸送機的關鍵參數，采煤機參數要求如下[10]：①鏈條輸送機：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、長壁鏈條輸送機和其他設備幾何參數輸入到Autodesk Inventor 3D仿真軟件進行仿真。其中，采煤機系統(tǒng)包括單刀頭采煤機、長壁鏈條輸送機、長壁支架、鏈條輸送機，如圖6 所示。在長壁輸送機的兩端，安裝了采煤機的驅動器。

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

采煤機本體的設計方法：根據實際目標，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)。除了驅動單元外，截割頭由液壓系統(tǒng)進行驅動，自動化控制和診斷系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)提供故障預警，隨著采煤機沿著工作面移動，搖臂的長度是根據采礦過程中獲得的煤流量來確定的[11]。

單刀頭采煤機設計如圖7所示。采煤機由主體、驅動單元、裝載機組成，驅動單元與截割頭安裝在軸端。裝載機通過搖臂和伺服馬達安裝在采煤機主體上。裝載機安裝在主動位置，而驅動單元安裝在被動位置。釆煤機機身配備有2個壁式轉輪和2個截割轉輪。在截割和裝載的一側，主體裝備有電纜分配器和電纜。每個裝載機都配備10個滾輪截齒，滾輪安裝在裝載機底板邊緣放置。

圖7 單刀頭采煤機設計示意Fig.7 Schematic diagram of design of a single cutter head shearer

采煤機煤流道沿輸送機的側壁導軌移動，截割方向為輸送機的導軌移動方向。長壁系統(tǒng)配備了糾正伺服馬達。單刀頭采煤機安裝如圖8所示。巷道的底板水平相對于長壁工作面工作水平較低，從而使得輸送機驅動單位和采煤機驅動器可以同步。

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

4 工程經濟效益分析

將研究成果應用到實際煤礦中，提高了煤炭資源回收率。開采期間，根據礦井已有的生產系統(tǒng)，采用上行開采沿空留巷技術，降低了巷道掘進效率，而新采煤機的使用，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)已取得經濟效益。對4個采煤工作面進行實踐，共計產出原煤70萬t，取得了很好的經濟效益，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，獲得經濟效益1 400萬元；少掘煤層巷道3 000 m，獲得直接經濟效益900萬元左右。

(2)預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=27 400萬元。②每年降低瓦斯治理成本:采用設計采煤機進行開采，瓦斯治理達標、經濟效益好，預計瓦斯災害治理工程量可比現有方法減少近50%、有效抽采達標時間縮短近50%。該礦目前的煤層瓦斯治理成本按30元測算下，保護開采卸壓瓦斯治理節(jié)約成本50%，按每年20萬t原煤生產預計，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計10萬t，按該礦井現洗煤與運輸成本26元/t預算，每年節(jié)約成本至少為260萬元。

5 結語

煤層的開采厚度和開采效率是目前采礦機械制作過程中所重點關注的，隨著煤炭資源的逐步延伸，堅硬煤層和薄煤層的有效開采是目前煤礦所面臨的難題，本文設計的單刀頭采煤機，在煤層厚度發(fā)生變化情況下，實現了更換截割頭的可能性，采煤機操作的控制系統(tǒng)是通過糾正伺服電機來實現，并研發(fā)了單刀頭釆煤機系統(tǒng)，對系統(tǒng)的實際日產量進行了分析和計算，特別是采煤機工作參數的計算，充分證實了設計的合理性。最后進行了工程經濟效應分析，取得了較好的經濟效益。研究對指導采煤機設備的升級以及提高煤礦開采效率具有重要指導意義。