許 巖

(寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司產(chǎn)品研究所，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，753001)

1 引言

我國(guó)薄煤層資源分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，主要分布在河南、山西、河北、山東、四川、貴州、吉林、遼寧、安徽、內(nèi)蒙古等省區(qū)。目前，全國(guó)已探明的薄煤層可采儲(chǔ)量約占煤炭總可采儲(chǔ)量的19%，84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布，而且有的礦區(qū)薄煤層儲(chǔ)量更是占有相當(dāng)大的比重，如安徽省占到了72%，四川省占51.8%，貴州省占37.2%。

由于薄煤層在我國(guó)可采原煤中占有較大比重而且煤質(zhì)較好，因此薄煤層工作面的開(kāi)采日益受到關(guān)注，我國(guó)對(duì)薄煤層開(kāi)采工藝及技術(shù)的研究一直在持續(xù)推進(jìn)，并取得了一些成果。但是長(zhǎng)期以來(lái)，由于薄煤層開(kāi)采具有作業(yè)空間小、效率低、環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及經(jīng)濟(jì)效益低等缺點(diǎn)，致使全國(guó)薄煤層產(chǎn)量只占煤炭總產(chǎn)量的10.4%左右，遠(yuǎn)低于薄煤層可采儲(chǔ)量所占的比重。因此，實(shí)現(xiàn)薄煤層高效綜合機(jī)械化開(kāi)采對(duì)于提高礦井高效集中生產(chǎn)水平、實(shí)現(xiàn)資源平衡開(kāi)采、延長(zhǎng)礦井壽命、實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、創(chuàng)建資源節(jié)約型企業(yè)、提高煤炭產(chǎn)量和回收率、改善安全生產(chǎn)環(huán)境以及提升薄煤層開(kāi)采成套裝備的水平等都具有重要意義。

2 國(guó)內(nèi)外薄煤層開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外薄煤層開(kāi)采技術(shù)途徑與現(xiàn)狀

在薄煤層高效綜采的核心技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是機(jī)械化落煤技術(shù)。自20世紀(jì)40年代刨煤機(jī)采煤在德國(guó)問(wèn)世以來(lái)，很快就得到了推廣和發(fā)展，德國(guó)、波蘭、俄羅斯、法國(guó)、西班牙等主要產(chǎn)煤國(guó)使用刨煤機(jī)開(kāi)采的煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的50%以上，刨煤機(jī)成為薄煤層采煤綜合機(jī)械化的強(qiáng)大支柱。在德國(guó)，1.6m以下的薄煤層中幾乎全部采用刨煤機(jī)采煤，當(dāng)煤層厚度超過(guò)1.6m時(shí)，滾筒采煤機(jī)開(kāi)采占重要地位。在美國(guó)，采用大功率滾筒式采煤機(jī)開(kāi)采薄煤層比較普遍，其工藝途徑是切割部分巖石把采高提高到1.3m以上。

2.2 國(guó)內(nèi)薄煤層開(kāi)采技術(shù)途徑與現(xiàn)狀

目前，我國(guó)薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采主要有3種途徑，一是采用刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的刨煤機(jī)綜采機(jī)組，二是采用螺旋鉆機(jī)組，三是采用滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的采煤綜采機(jī)組。

2.2.1 刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的刨煤機(jī)綜采機(jī)組

1966年我國(guó)試制成功第一臺(tái)MBJ-1型拖鉤刨煤機(jī)，并得到推廣使用。20世紀(jì)70年代，我國(guó)刨煤機(jī)使用臺(tái)數(shù)達(dá)到高峰，當(dāng)時(shí)采煤機(jī)尚未在國(guó)內(nèi)大量推廣使用，而刨煤機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便以及成本較低等特點(diǎn)而成為當(dāng)時(shí)發(fā)展綜合機(jī)械化的主要機(jī)型。然而隨著采煤機(jī)的逐漸發(fā)展和完善，刨煤機(jī)逐漸暴露出了關(guān)鍵零部件可靠性差和損壞率高等弱點(diǎn)，刨煤機(jī)的使用效果也容易受到煤層厚度、傾角、頂?shù)装鍡l件和特殊地質(zhì)構(gòu)造的影響，要進(jìn)行安全高效集約化開(kāi)采，還有許多問(wèn)題有待解決。因此，刨煤機(jī)較采煤機(jī)綜采機(jī)組相比其使用范圍有較大的局限性。

2.2.2 螺旋鉆機(jī)組

螺旋鉆采煤機(jī)是在用于露天開(kāi)采的螺旋鉆機(jī)基礎(chǔ)上改造成型的，具有工作面無(wú)人、系統(tǒng)環(huán)節(jié)少、安全系數(shù)高和經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。但是螺旋鉆機(jī)組設(shè)備投資比較大，相鄰鉆孔之間要留有煤柱，回收率比較低，過(guò)巖能力較差。

2.2.3 滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的采煤綜采機(jī)組

隨著我國(guó)煤機(jī)制造能力的提高和機(jī)械化綜采的廣泛采用，采煤綜采機(jī)組的研制能力有了很大提高，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有煤機(jī)裝備進(jìn)行低矮化改進(jìn)，研制了一批用于薄煤層開(kāi)采的煤機(jī)裝備。與刨煤機(jī)綜采機(jī)組相比，滾筒采煤機(jī)綜采機(jī)組主要具有以下特點(diǎn):一是采高調(diào)整靈活，適應(yīng)于煤層厚度變化較大的工作面；二是適應(yīng)多種煤層結(jié)構(gòu)，對(duì)煤的硬度和節(jié)理發(fā)育無(wú)特殊要求；三是適用于含有夾矸或斷層的煤層回采；四是對(duì)工作面平直性和一致性要求較刨煤機(jī)綜采機(jī)組低。

通過(guò)以上薄煤層的裝備情況分析，由滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架配套的采煤綜采機(jī)組以其適應(yīng)性強(qiáng)、工作效率高和可采范圍廣的優(yōu)勢(shì)在薄煤層工作面中所占比例較大，作為其重要一環(huán)的薄煤層刮板輸送機(jī)也得到了較為廣泛的應(yīng)用。

與采煤機(jī)和液壓支架不同，目前正在使用的薄煤層刮板輸送機(jī)大部分并非針對(duì)薄煤層的開(kāi)采特點(diǎn)專門(mén)研制，而是直接選用溜槽高度較低的通用刮板輸送機(jī)。這類刮板輸送機(jī)的中部溜槽多采用軋制槽幫鋼焊接，高度為190～222mm，中板厚度為12～20mm，采用邊雙鏈結(jié)構(gòu)，裝機(jī)功率為90～180kW，刮板鏈直徑為14～18mm，輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度大多不超過(guò)100m。這類刮板輸送機(jī)可靠性差、使用壽命短，不能完全滿足滿薄煤層工作面的使用要求，集中反映的問(wèn)題為刮板鏈強(qiáng)度低、中部槽壽命短、機(jī)頭尾 “三角煤”難處理和輸送機(jī)“漂溜”等方面。有必要研究一種適用于薄煤層綜采的刮板輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)運(yùn)距、矮機(jī)身、大功率和高可靠性的要求，以滿足礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)的要求。

3 薄煤層工作面刮板輸送機(jī)的研發(fā)難點(diǎn)和重點(diǎn)

目前使用的薄煤層刮板輸送機(jī)主要存在以下問(wèn)題:

(1)多采用邊雙鏈布置形式，刮板鏈連接環(huán)包容在槽幫內(nèi)運(yùn)行。受到槽幫包容空間的限制，鏈條規(guī)格不可選得太大，目前的軋制槽最大只能容納?18×64mm規(guī)格的鏈條。該規(guī)格鏈條的破斷負(fù)荷只有410kN，適用的刮板輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度小于80m，如果需要進(jìn)一步增大鋪設(shè)長(zhǎng)度，必須采用限制刮板機(jī)運(yùn)輸能力的措施，否則極易發(fā)生斷鏈?zhǔn)鹿?。邊雙鏈形式的刮板輸送機(jī)大量使用開(kāi)口工接鏈環(huán) (馬蹄環(huán))作為圓環(huán)鏈和刮板的連接器，接鏈環(huán)的可靠性較低，影響了刮板鏈的可靠性。

(2)薄煤層開(kāi)采裝備的高度必須小于開(kāi)采的煤層厚度，否則只能采用掘頂或掘底的方式擴(kuò)大工作面空間，這將極大地增加開(kāi)采難度并降低原煤品位。刮板輸送機(jī)必須降低與采煤機(jī)牽引系統(tǒng)的嚙合高度，以達(dá)到降低采煤機(jī)機(jī)面高度的目標(biāo)，消除或減少薄煤層工作面掘頂或掘底。因此，如何降低輸送機(jī)機(jī)身高度 (既降低齒軌高度)成為衡量薄煤層刮板輸送機(jī)適用與否的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)薄煤層采煤機(jī)滾筒直徑較小，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行到刮板輸送機(jī)的機(jī)頭或機(jī)尾時(shí)，滾筒割不到底，形成的 “三角煤”影響工作面兩端的推溜和移架，因此在進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)前必須人工清理 “三角煤”，這既增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度又造成了工作面停頓，嚴(yán)重影響了工作效率。因此，改進(jìn)刮板輸送機(jī)頭和尾部的形式，解決采煤機(jī)切割 “三角煤”的問(wèn)題是提高薄煤層工作面開(kāi)采效率的關(guān)鍵問(wèn)題。

(4)薄煤層采煤機(jī)的滾筒直徑大多在800mm以下，裝煤效果普遍不好。薄煤層工作面刮板輸送機(jī)中部槽不但要作為采煤機(jī)的運(yùn)行軌道，還要更多的擔(dān)負(fù)工作面落煤的鏟裝任務(wù)。為了降低高度，薄煤層刮板輸送機(jī)的中部溜槽的推移點(diǎn)往往較低，再加上溜槽重量輕，在推溜時(shí)不能提供足夠的下壓力，中部溜槽往往不能保持鏟板緊貼底板前移而發(fā)生 “漂溜”。特別是在煤層底板出現(xiàn)變坡下扎的情況下，大量煤炭進(jìn)入中部槽封底板和工作面底板之間，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)顯著抬高，嚴(yán)重影響薄煤層工作面的正常工作，甚至采煤機(jī)不能通過(guò)，必須依靠人工清理或采煤機(jī)割頂進(jìn)行處理，處理過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下且不安全。

以上問(wèn)題的存在嚴(yán)重影響了薄煤層工作面的開(kāi)采效率和經(jīng)濟(jì)性的提高，必須研制薄煤層工作面專用的長(zhǎng)運(yùn)距、矮機(jī)身、大功率和高可靠性的刮板輸送機(jī)，以促進(jìn)薄煤層工作面開(kāi)采技術(shù)和工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

4 薄煤層工作面刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

4.1 新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽

新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽采用鑄造槽幫焊接而成，齒軌座放置在擋板槽幫側(cè)面，在保證中部槽整體強(qiáng)度的前提下，最大限度的降低的齒軌高度。鏈條采用準(zhǔn)中雙鏈布置方式。鏈條不再受槽幫包容范圍的限制，在不增加刮板輸送機(jī)中部槽高度的情況下加大鏈條規(guī)格為?26×92mm扁平鏈 (選擇扁平鏈的原因是盡量壓縮鏈條高度)，鏈條中心距為220mm。準(zhǔn)中雙鏈形式的刮板鏈每隔30m安裝一個(gè)接鏈環(huán)，與邊雙鏈每隔1m需要一個(gè)接鏈環(huán)相比，接鏈環(huán)的數(shù)量減少了96%，極大降低了接鏈環(huán)質(zhì)量低于圓環(huán)鏈而導(dǎo)致的刮板鏈可靠性低的問(wèn)題。在加大鏈條規(guī)格、提高刮板和接連環(huán)強(qiáng)度的前提下，又比中雙鏈 (鏈條中心距120mm)布置方式增加采煤機(jī)過(guò)煤空間，允許更大尺寸的塊煤通過(guò)采煤機(jī)底托架。新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽如圖1所示。

圖1 新型鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽

4.2 “漂溜”問(wèn)題的解決

由于薄煤層工作面采煤機(jī)滾筒裝煤效果差，刮板輸送機(jī)不僅承擔(dān)采煤機(jī)的導(dǎo)向和承載任務(wù)，還要負(fù)責(zé)鏟裝工作面煤壁側(cè)的煤炭。薄煤層刮板輸送機(jī)重量較輕，再加上推移點(diǎn)較低，經(jīng)常造成刮板輸送機(jī)鏟板槽幫不能很好貼合工作面底板前移，從而造成 “漂溜”現(xiàn)象。為了解決這種 “漂溜”現(xiàn)象，專門(mén)在輸送機(jī)擋板側(cè)加裝抬高調(diào)斜裝置，當(dāng)輸送機(jī)鏟板槽幫不能貼合工作面底板前移時(shí)，通過(guò)在抬高調(diào)斜裝置提高推溜作用點(diǎn)，增大輸送機(jī)的下扎力，從而從根本上解決 “漂溜”現(xiàn)象。

4.2 “三角煤”問(wèn)題的解決

(1)在刮板輸送機(jī)整個(gè)鋪設(shè)長(zhǎng)度內(nèi)，其機(jī)頭、機(jī)尾中板與中間段中板處于同一高度，始終是水平布置的。該布置的優(yōu)點(diǎn)在于能使安裝在刮板輸送機(jī)上的采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu) (齒軌、鏈軌等)保持平直布置，能保證采煤機(jī)在整個(gè)工作面內(nèi)運(yùn)行時(shí)機(jī)身高度不變、滾筒下擺角不變以及切割深度不變，從而解決薄煤層綜采切割工作面兩端三角煤的問(wèn)題。

圖2 機(jī)頭溜煤裝置示意圖

(2)機(jī)頭和機(jī)尾刮板運(yùn)行的下鏈道是反曲線形，刮板鏈經(jīng)過(guò)機(jī)頭鏈輪進(jìn)入下鏈道前有一個(gè)沿底板上升的過(guò)程，每件刮板運(yùn)行在該段時(shí)與底板碰撞，將粘附在刮板鏈上的原煤震掉并沿機(jī)頭滑出機(jī)頭。該結(jié)構(gòu)減少刮板輸送機(jī)下鏈道拉回頭煤，對(duì)于封底式刮板輸送機(jī)該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)突出。

4.3 巷道漏煤?jiǎn)栴}的解決

(1)機(jī)頭溜煤裝置。連接裝置安裝在輸送機(jī)機(jī)頭鏟板側(cè)，當(dāng)推移輸送機(jī)或采煤機(jī)滾筒行走至機(jī)頭附近時(shí)，可將煤推進(jìn)機(jī)頭溜煤裝置，從而卸載到轉(zhuǎn)載機(jī)上。機(jī)頭溜煤裝置如圖2所示。

(2)機(jī)尾回收裝置。連接裝置安裝在輸送機(jī)機(jī)尾鏟板側(cè)，通過(guò)調(diào)整機(jī)尾回收裝置，在采煤機(jī)滾筒與機(jī)尾回收裝置之間形成一個(gè)弧形通道，強(qiáng)制位于采煤機(jī)滾筒和彎板之間的原煤沿采煤機(jī)滾筒螺旋線拋出，并進(jìn)入輸送機(jī)運(yùn)煤通道，最終被輸送機(jī)運(yùn)走。機(jī)尾回收裝置如圖3所示。

圖3 機(jī)尾回收裝置示意圖

5 薄煤層工作面刮板輸送機(jī)前景展望

新型的薄煤層刮板輸送機(jī)較當(dāng)前軋制槽幫鋼整焊而成的整焊式刮板輸送機(jī)有了較大的發(fā)展和提高，達(dá)到了較高的自動(dòng)化水平，但是仍然存在以下問(wèn)題需要進(jìn)一步解決:

(1)薄煤層開(kāi)采人員工作空間狹小，工人需要側(cè)臥進(jìn)行跟機(jī)操作，比在中厚煤層工作更加艱苦。因此，有必要通過(guò)進(jìn)一步研究在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程機(jī)械化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的自動(dòng)化和智能化控制，過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制和故障診斷，確保刮板輸送機(jī)的正常工作和及時(shí)維護(hù)，結(jié)合液壓支架的電液控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推溜、刮板機(jī)中部槽和液壓支架的姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整等功能。

(2)薄煤層工作面空間狹小，維護(hù)和更換零部件非常困難，因此，需要進(jìn)一步提高輸送機(jī)的可靠性和使用壽命。通過(guò)改進(jìn)輸送機(jī)槽幫、中板和鏈條的材質(zhì)以及引入先進(jìn)的耐磨材料和工藝等手段，減少在采煤工作面更換零部件的次數(shù)，以提高產(chǎn)煤效率和減少井下工人的工作強(qiáng)度。在當(dāng)前暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)不更換零部件的情況下，注重零部件設(shè)計(jì)的小型化和易拆裝性，降低薄煤層工作面設(shè)備的維修難度。

(3)對(duì)輸送機(jī)的卸載方式和驅(qū)動(dòng)部布置形式進(jìn)行研究，減小輸送機(jī)頭和機(jī)尾部占用空間大的問(wèn)題，改善薄煤層工作面的通風(fēng)條件，保證井下采煤工作的安全進(jìn)行。

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