淺談薄煤層采煤機(jī)

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薄煤層采煤機(jī)淺談

鄉(xiāng)寧煤校閆鵬

1.1課題背景

煤炭是我國的主要能源，煤炭工業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。但是煤炭工業(yè)面臨著大量困難和問題，主要包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，生產(chǎn)投入不足，勞動條件差等方面的問題。它在一定程度上解決了這些方面的問題，采煤機(jī)械化是最終發(fā)展的必然。所以如何提高采煤效率以滿足我國現(xiàn)代化建設(shè)中迅猛發(fā)展的經(jīng)濟(jì)對能源的需要就成了十分迫切的要求。

按煤層賦存的條件，對煤炭的開采可以分為露天開采和地下開采。采煤方法不同，所使用的采煤機(jī)械也不同。在地下開采中，我國所采用的采煤方法基本上以走向長壁式方法為主。在走向長壁式采煤方法中，有可以分為前進(jìn)式、后退式、全部垮落式和填充式等。目前國內(nèi)外采用這些采煤方法的國家所用采煤機(jī)械，絕大多數(shù)是滾筒式采煤機(jī)、刨煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)，只有少數(shù)先進(jìn)的煤礦采用薄煤層采煤機(jī)等設(shè)備。

1.2薄煤層采煤機(jī)的分類及其特點

由于受到煤層厚度的限制，薄煤層采煤機(jī)分為騎溜子式和爬底板式兩類。

騎溜子式采煤機(jī)的機(jī)身騎在刮板輸送機(jī)上，并靠其支撐和導(dǎo)向。當(dāng)電動機(jī)功率為100KW時，電動機(jī)高度h=350mm，過煤空間高度至少為C=140~160mm，輸送機(jī)中部槽高度為180~190mm，則機(jī)面高度至少達(dá)到A=600~650mm.考慮到頂梁厚度，頂板下沉厚度以及過機(jī)空間高度Y（尋常Y=90~200mm），則騎溜子薄煤層采煤機(jī)只能適用于0.75~0.95m以上的煤層（小值對單滾筒，大值對雙滾筒）。假使電動機(jī)功率加大，則電動機(jī)高度相應(yīng)增大，因而最小采高還要加大。

爬底板式采煤機(jī)，機(jī)身位于機(jī)道內(nèi)，因而機(jī)面高度降低，使過煤空間高度及過機(jī)空間高度增大（?240mm），這不僅改善了機(jī)器性能，而且可使采煤機(jī)在0.6~0.8m的及薄煤層中工作。采用機(jī)身在煤壁側(cè)機(jī)道內(nèi)的爬底板式采煤機(jī)的工作面通風(fēng)斷面大，提高了工作的安全性。因此，爬底板采煤機(jī)是當(dāng)前薄煤層采煤機(jī)主要的發(fā)展方向。

1.3薄煤層采煤機(jī)在我國的應(yīng)用狀況

我國薄煤層采煤機(jī)的研究始于60年代。60年代初,在頓巴斯-1型采煤機(jī)基礎(chǔ)上,我國開始自行研制生產(chǎn)采煤機(jī)。這類薄煤層滾筒采煤機(jī)主要有MLQ系列采煤機(jī),如1964年生產(chǎn)的MLQ-64型,1980年生產(chǎn)的MLQ-80型淺截石單滾筒采煤機(jī),另外還有MLQ3-100型采煤機(jī)。

70年代至80年代初期,我國自行研制開發(fā)了中小功率薄煤層滾筒采煤機(jī)。比較典型的有山東煤研所和淄博礦務(wù)局研制的ZB2-100型單滾筒騎輸送機(jī)采煤機(jī)。ZB2-100型采煤機(jī)裝機(jī)功率100kW,鏈牽引,牽引傳動方式為液壓調(diào)速加齒輪減速。牽引力90kN,牽引速度0～214m/min,采高0175～113m、煤質(zhì)硬度為中硬以下的緩傾斜薄煤層。

80年代,我們在引進(jìn)了德國、英國等采煤機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,自主開發(fā)和制造適應(yīng)我國不同的煤層條件的滾筒式采煤機(jī)系列產(chǎn)品,并在90年代中期初步完成了主導(dǎo)機(jī)型,由液壓牽引采煤機(jī)向電牽引采煤機(jī)升級換型工作。1980年,黑龍江煤礦機(jī)械研究所和雞西煤礦機(jī)械廠共同開發(fā)出BM系列騎輸送機(jī)滾筒采煤機(jī),其中BM-100型雙滾筒采煤機(jī),性能良好,能自開缺口、強(qiáng)度高、工作可靠,在我國薄煤層采煤中廣泛應(yīng)用。但是用雙滾筒采薄煤層,結(jié)構(gòu)較繁雜,機(jī)身又長,所以使用不便,于是又生產(chǎn)出更加簡化的BMD-100型單滾筒薄煤層采煤機(jī)。

進(jìn)入90年代以來,為了滿足厚薄煤層薄煤層作為解放層開采礦井的迫切需要,并代中厚煤層滾筒采煤機(jī)技術(shù),1997年,由務(wù)局、煤科總院上海分院聯(lián)合研制了MG200/450-BWD型薄煤層采煤機(jī),該采用多電機(jī)驅(qū)動、交流變頻調(diào)速、無鏈牽引總裝機(jī)功率達(dá)450kW,其中截割功率2×牽引功率2×25kW,牽引力400kN,牽引速6m/min。采用騎輸送機(jī)布置方式,可用于110～117m的薄煤層綜合機(jī)械化工作面。樣機(jī)于1997年12月在晉華宮煤礦9#層83面投入使用,取得了最高月產(chǎn)量916萬噸、產(chǎn)量5300噸的好成績。國內(nèi)幾種類型薄煤層采煤狀況比較見表。

表1-1我國幾種類型薄煤層采煤機(jī)基本狀況比較

型號采高范圍/M牽引力/KN牽引方式生產(chǎn)年代

BM-1000.75-1.3120(液壓)錨鏈牽引705MG200-B0.8-1.5160(液壓)錨鏈牽引70MG344-PWD1.0-1.8180(液壓)錨鏈牽引70MG250-BW0.9-1.6350/262(交流)齒輪—銷軌式無鏈牽引80MG200/450-BWD0.85-1.5440(液壓)無鏈牽引80-90MG250/550-BWD1.0-1.7440(交流)無鏈牽引90

我國薄煤層采煤機(jī)經(jīng)過40多年的發(fā)展,技術(shù)已趨成熟。但一個突出的問題是:目前我國薄煤層采煤機(jī)為便利設(shè)計,在行走機(jī)構(gòu)上均采用中厚煤層采煤機(jī)所用的相關(guān)參數(shù),例如銷排節(jié)距,一般大都采用126mm。這樣做雖能保證其正常運行,但其強(qiáng)度余量過大。

近幾年來,我國薄煤層采煤機(jī)得到了很大的發(fā)展,但在質(zhì)量和壽命和高新技術(shù)應(yīng)用等方面與國內(nèi)大型采煤機(jī),特別是與國外采煤機(jī)相比,還存在較大的差距。因此我們還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和更新。

1.4薄煤層采煤機(jī)設(shè)計的目的及意義

在產(chǎn)品的總體方案設(shè)計階段，首先要明確產(chǎn)品必需實現(xiàn)哪些功能，還要明確用戶使用產(chǎn)品的各種條件和用戶對產(chǎn)品的要求和愿望。然后根據(jù)國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，基于設(shè)計能力和產(chǎn)品制造技術(shù)水平，從宏觀方面考慮所要求的功能。并能實現(xiàn)用戶要求的各種結(jié)構(gòu)方案，最終經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，確定一種或兩種結(jié)構(gòu)方案繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，通過總體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計，不至于使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案出現(xiàn)大的失誤，也不至于從開始設(shè)計時就糾纏與具體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)而忽略拉總體結(jié)構(gòu)的合理性，甚至照成設(shè)計的返工而浪費時間。在此基礎(chǔ)上再對薄煤層采煤機(jī)的截割部進(jìn)行細(xì)致設(shè)計使其有更高的生產(chǎn)效率.對滾筒式采煤機(jī)的使用經(jīng)驗說明只有依照“量體裁衣〞的原則來設(shè)計采煤機(jī)，這樣的采煤機(jī)才能在煤炭開采中滿足要求。到本世紀(jì)末，我國原煤的產(chǎn)量必需超過十四億噸。才能滿足我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。為此必需加大煤炭生產(chǎn)機(jī)械化力度，大幅度提高煤炭生產(chǎn)率。這就要求我們不斷開采出技術(shù)先進(jìn)，高效率并且可靠的新型采煤機(jī)，不僅滿足過內(nèi)生產(chǎn)之需，而且力爭打入國際市場。

雖然薄煤層采煤機(jī)的型號、規(guī)格有大量,但它的各主要組成部分大同小異，其區(qū)別主要在截割機(jī)構(gòu)的傳動和截割部上,因此合理選擇薄煤層采煤機(jī)的截割部的參數(shù)，可以改善其工作性能和減少采煤比能耗。選擇這個題目就是要進(jìn)一步熟悉薄煤層采煤機(jī)各部分的

工作原理，對其進(jìn)行更好的改進(jìn)，并對它的截割部減速器進(jìn)行細(xì)致分析設(shè)計，使其耐用并且省時省力簡單裝修，使其在工作中能夠有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

2薄煤層采煤機(jī)的總體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計

2.1實現(xiàn)采煤機(jī)基本功能的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

用于走向長臂采煤法的采煤機(jī)應(yīng)當(dāng)具有的如下三種基本功能；(1)把煤從煤煤壁上破碎下來的功能；

(2)把破碎先來的煤裝在工作面輸送機(jī)上的功能；(3)采煤機(jī)能沿著工作面自移的功能；2.1.1實現(xiàn)破碎煤壁功能結(jié)構(gòu)方案(1)銑削式結(jié)構(gòu)方案

在鼓形滾筒的表面或在旋轉(zhuǎn)滾筒的葉片上安裝截齒，滾筒隨采煤機(jī)前移并自轉(zhuǎn)，截齒便用銑削的方式把煤從煤壁上截割下來，這就是銑削式結(jié)構(gòu)。

具體分為側(cè)銑和端銑兩種，側(cè)銑方式中螺旋滾筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用最普遍，其主要優(yōu)點是它不僅能實現(xiàn)截落煤的功能還能實現(xiàn)裝煤的功能；水平旋轉(zhuǎn)軸調(diào)整滾筒高度便利，對不同的煤層厚度的適應(yīng)性好；具有自開缺口的功能等。端銑式結(jié)構(gòu)是在齒冠外側(cè)安裝大截齒當(dāng)齒冠自轉(zhuǎn)并隨采煤機(jī)移動時，截齒實現(xiàn)破煤功能。這種結(jié)構(gòu)的特點是截齒安裝的比較少，煤的塊度大，機(jī)器能耗小；實現(xiàn)簡單，制造簡單；負(fù)荷變化大，機(jī)器動特性較差。

圖2-1水平軸螺旋滾筒結(jié)構(gòu)圖2-2垂直軸滾筒結(jié)構(gòu)

圖2-3端銑式結(jié)構(gòu)方案

(2)鉆削式結(jié)構(gòu)方案

鉆削式結(jié)構(gòu)在喚醒懸臂的前端安裝截齒，這種懸臂的內(nèi)表面上也安裝有截齒。這種結(jié)構(gòu)被稱為鉆削頭，懸臂則被成為鉆削臂。當(dāng)鉆削頭自轉(zhuǎn)并沿其軸線方向推進(jìn)時，首先在煤層中由鉆削頭截割出現(xiàn)截槽，而此環(huán)形槽所圍成的柱狀煤體則被鉆削頭內(nèi)的截齒所破碎。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造便利；集落煤和裝煤功能于一體；煤的坡度大，機(jī)器能耗低。其缺點是這種結(jié)構(gòu)應(yīng)布置于采煤機(jī)的端面，機(jī)身必沿其鉆削出的空間前

進(jìn)，因此，機(jī)身長；這種結(jié)構(gòu)不能自開缺口；為使地板平整還必需配有截割盤，沿頂板和地板截割煤層，因此使整個機(jī)器繁雜化；此外這種結(jié)構(gòu)對煤層厚度的適應(yīng)性小。(3)滾壓式結(jié)構(gòu)方案

滾壓式破煤結(jié)構(gòu)是在螺旋筒的旋葉上和滾筒端面安裝滾演盤刀當(dāng),當(dāng)滾筒前移并自轉(zhuǎn)時，盤刀壓向煤壁，其刃部的擠壓和剪切作用達(dá)到破沒的目的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，彩霞煤的塊度大，煤塵明顯低；機(jī)器能耗??；盤刀壽命長。缺點在于機(jī)構(gòu)繁雜，成本高。

采煤機(jī)的落煤功能是采煤機(jī)的第一功功能，因此，現(xiàn)在把既有落煤功能的結(jié)構(gòu)稱為采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)。在采煤機(jī)的設(shè)計中，工作機(jī)構(gòu)設(shè)計的適合與否，對采煤機(jī)的工作占有舉足輕重的地位。

2.1.2實現(xiàn)裝煤功能的設(shè)計方案

把煤從煤壁上破碎下來以后，還要裝在工作面輸送機(jī)里運到工作面之外。實現(xiàn)扎中裝煤功能的機(jī)構(gòu)與落煤結(jié)構(gòu)的種類有關(guān)。經(jīng)過淘汰和篩選，只有兩種類型的裝煤結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。

一種是與落煤結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不僅具有落煤功能而且兼有裝煤的功能。譬如，螺旋滾筒式工作機(jī)構(gòu)，采煤下來的碎煤被螺旋葉片自煤壁向采空區(qū)方向輸送，并裝到工作面輸送機(jī)里。另一種是專門用于裝煤的機(jī)構(gòu)，如裝煤犁，這是一種斜面結(jié)構(gòu),和犁地的犁一般，被單獨的牽引機(jī)構(gòu)牽引，在工作面來回運行，把碎落在底板上的煤裝入輸送機(jī)里。這種結(jié)構(gòu)往往與沒有裝煤功能的工作機(jī)構(gòu)協(xié)同。2.1.2實現(xiàn)采煤機(jī)自動移動功能的結(jié)構(gòu)方案

采煤機(jī)沿工作面移動被稱為牽引，能使采煤機(jī)實現(xiàn)自移的結(jié)構(gòu)有稱作牽引機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的牽引機(jī)構(gòu)可以分為兩大類；既鏈牽引機(jī)構(gòu)和無鏈牽引。(1)鏈牽引機(jī)構(gòu)

鏈牽引機(jī)構(gòu)是由圓環(huán)鏈、鏈輪、和緊鏈裝置組成。牽引鏈的兩端固定在緊鏈裝置上，并與采煤機(jī)的鏈輪嚙合。當(dāng)鏈輪裝動時，由于鏈輪與圓環(huán)鏈的嚙合作用，采煤機(jī)便沿牽引鏈移動。

圖2-4鏈牽引機(jī)構(gòu)

(2)無鏈牽引機(jī)構(gòu)

隨著采煤機(jī)功率的不斷加大，采煤機(jī)的總裝機(jī)容量已超過1000KW。牽引鏈中的拉力也已增至400-800KN。因此牽引鏈機(jī)構(gòu)已限制了采煤機(jī)功率的提高。無鏈牽引機(jī)構(gòu)就隨之產(chǎn)生和發(fā)展起來了。無鏈牽引機(jī)構(gòu)種類繁多，大體上可歸納為三類；主動輪—齒條、閉合鏈—齒條和邁步油缸推進(jìn)三類。其中主動輪—齒條無鏈牽引系統(tǒng)應(yīng)用最廣。

2.2薄煤層采煤機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)的確定

(1)截深

截深是指薄煤層采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)完全按截入煤壁的深度，即采煤機(jī)沿工作面走向一次推進(jìn)的距離。對于中厚和厚煤層，考慮到工作面輸送機(jī)的最大輸送能力以及充分利用頂板壓力對煤壁的予破壞效應(yīng)，截深絕定為0.6m。對于薄煤層，為保證工作面單產(chǎn)和生產(chǎn)率，適當(dāng)加大截深，取截深0.75-1.0m.通過設(shè)計分析，截深取為0.8m。(2)采高

才高是指最大可能開采的高度，是由采煤機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定的。對于單一煤層的開采，才高要與煤層厚度相當(dāng)。當(dāng)厚煤層分層開采時，按最大分層厚度約為最大才高的90-95%，最下煤層厚度約為最小采高的110-120%來確定采煤機(jī)的采高。薄煤層的厚度是在0.8-1.3mm，此次設(shè)計的最大采高為1.2m.最小采高取為0.65m。這樣可以滿足要求。(3)牽引速度

采煤機(jī)牽引速度由煤層厚度、截深、煤層物理機(jī)械性質(zhì)以及用戶對采煤機(jī)生產(chǎn)率的要求確定的。牽引速度即采煤機(jī)沿工作面移動的速度。由于煤層的機(jī)械力學(xué)性質(zhì)繁雜多變，需要隨時調(diào)理牽引速度，使采煤機(jī)能在正常負(fù)載下工作。當(dāng)用戶生產(chǎn)率已定，則當(dāng)采高和截深加大牽引速度就減?。划?dāng)采高和截深小，勢必加大牽引速度。當(dāng)煤層中含矸量較

大或煤層硬度較高，才么及的牽引速度也必需減低。我國采煤機(jī)的牽引速度在2.5-5m/min的范圍，國外的可達(dá)15m/min.由于生產(chǎn)率依照正常的計算取15t/min故由QT=60HJVq?

式中H—薄煤層采煤機(jī)采高，m;J—薄煤層采煤機(jī)截深，m;

Vq—薄煤層采煤機(jī)可能達(dá)到的平均牽引速度，m/min;

3?—煤的密度，一般為1.3~1.35t/m

QT—薄煤層采煤機(jī)理論生產(chǎn)率，t/h.

采高H,薄煤層的厚度在0.6-1.2米。截深J也已設(shè)計給出為0.8m。煤的密度由煤巖性質(zhì)取1.35t/m。則

Vq=

QT（2-1）

60HJ?3這樣取牽引速度0~9.1m/min便可滿足設(shè)計要求。(4)牽引力

采煤機(jī)的牽引力是采煤機(jī)戰(zhàn)勝牽引阻力的能力。采煤機(jī)的牽引阻力取決于煤層的物理機(jī)械性質(zhì)、工作面傾角、采煤機(jī)自重以及導(dǎo)向裝置摩擦阻力等。在初定牽引力時，可按p=(1-1.3)N

p—采煤機(jī)牽引力，KN。N—采煤機(jī)總裝機(jī)功率，KW。

表2-1采煤機(jī)裝機(jī)功率

采煤機(jī)裝機(jī)功率（KW）采煤機(jī)牽引力（KN）50100100100-120150160-180200200-220300250-300

表2-2采煤機(jī)裝機(jī)功率

煤層阻抗AKN/m240設(shè)計生產(chǎn)率T/min(5)截割速度

截割速度是截煤滾筒截齒圓圍切向速度，此速度與滾筒直徑、滾筒轉(zhuǎn)速以及采煤機(jī)牽引速度有關(guān)。實踐證明，截齒的截割速度與截齒的磨損速度相關(guān)。為減緩截齒磨損取低截割速度。當(dāng)采高大，牽引速度大，為不發(fā)生滾筒裝煤堵塞和對煤的二次破損，滾筒速度應(yīng)加大則截割速度也相應(yīng)加大。目前，截割速度一般為3.5-5.0m/s，對小直徑滾筒而言截割速度甚至為1.85-2.7m/s。

(6)裝機(jī)功率

采煤機(jī)裝機(jī)功率，是指采煤機(jī)總裝機(jī)功率。可按下表估算。(7)采煤機(jī)設(shè)計生產(chǎn)率

采煤機(jī)理論設(shè)計生產(chǎn)率按下式計算：Q