翟雨生，史春祥，呂 曉，郭 岱

(天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030)

我國(guó)薄煤層資源豐富，分布廣泛，其在煤炭資源總儲(chǔ)量中的比重近20%，但受薄煤層開(kāi)采特性及開(kāi)采裝備技術(shù)的影響，過(guò)去各大礦區(qū)薄煤層開(kāi)采十分有限。然而，近幾年隨著中國(guó)煤炭行業(yè)的高速發(fā)展，易開(kāi)采的厚與中厚煤層資源越來(lái)越少，薄煤層所占的比例越來(lái)越高。為避免資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源均衡開(kāi)采，提升礦區(qū)資源可采儲(chǔ)量、延長(zhǎng)礦區(qū)生產(chǎn)服務(wù)年限，各大礦區(qū)均逐步加大了對(duì)薄煤層的開(kāi)采力度。

薄煤層開(kāi)采方式一般有炮采、螺旋鉆采煤、刨煤機(jī)采煤以及滾筒式采煤機(jī)采煤[1-3]。炮采因井下人員投入多、煤炭采出率低、安全隱患多、耗材高等缺點(diǎn)已基本被淘汰。螺旋鉆采煤需設(shè)鉆孔間煤柱及鉆孔組間煤柱，這樣導(dǎo)致煤炭資源浪費(fèi)，降低了采出率，加上工作總時(shí)間的大部分要進(jìn)行接長(zhǎng)和縮短鉆桿，工作時(shí)間利用率低等缺點(diǎn)，使該采煤方式的煤礦越來(lái)越少。刨煤機(jī)采煤對(duì)煤層地質(zhì)條件要求較高，煤層中不能有較大的斷層，傾角不宜過(guò)大，工作起伏不宜過(guò)大，煤質(zhì)硬度不宜過(guò)硬等等，因而極大地限制了其應(yīng)用范圍，僅有少數(shù)煤礦企業(yè)在使用。滾筒式采煤機(jī)采煤因適應(yīng)性強(qiáng)、采出率高、性能穩(wěn)定、噸煤投入少、管理難度較小等優(yōu)點(diǎn)，得到了多數(shù)煤礦企業(yè)使用，是目前應(yīng)用最廣泛的薄煤層采煤方式。因此，本文重點(diǎn)介紹薄煤層滾筒式采煤機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

與厚與中厚煤層相比，薄煤層機(jī)械化開(kāi)采存在著一些問(wèn)題：①空間狹小，工作條件差，設(shè)備安裝維護(hù)困難；②煤層厚度變化、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)薄煤層設(shè)備生產(chǎn)性能影響大；③投入產(chǎn)出比高，經(jīng)濟(jì)效益不如厚與中厚煤層；④薄煤層采煤機(jī)受結(jié)構(gòu)尺寸限制，設(shè)計(jì)難度大等。諸多原因造成一段時(shí)間內(nèi)薄煤層采煤機(jī)技術(shù)發(fā)展速度相對(duì)緩慢。

近年來(lái)，隨著各煤礦企業(yè)不斷加大對(duì)薄煤層的開(kāi)采力度，市場(chǎng)對(duì)薄煤層采煤機(jī)的需求逐漸增加，要求也越來(lái)越高。因而國(guó)內(nèi)外各采煤機(jī)生產(chǎn)廠家均加強(qiáng)了對(duì)薄煤層采煤機(jī)的研發(fā)力度，相繼推出了各種型號(hào)的大功率薄及較薄煤層采煤機(jī)，主要有：天地科技上海分公司的MG2×200/890-WD系列采煤機(jī)、西安煤機(jī)廠的MG2×200/925-AWD型采煤機(jī)、原雞西煤機(jī)廠的MG400/951-WD型采煤機(jī)、原美國(guó)JOY公司的7LS0型采煤機(jī)以及波蘭KOPEX公司的“黑龍系統(tǒng)”(如圖1所示)等[4-6]，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大功率薄及較薄煤層采煤機(jī)參數(shù)

圖1 波蘭KOPEX公司的“黑龍系統(tǒng)”

上述采煤機(jī)中，天地上海分公司的890采煤機(jī)及西安煤機(jī)廠的925采煤機(jī)均采用正常機(jī)身布置+雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)截割部的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式因其運(yùn)行穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)大功率薄煤層采煤機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。原雞西煤機(jī)廠的951采煤機(jī)及JOY的7LS0采煤機(jī)采用的是由爬底板采煤機(jī)演變而來(lái)的懸機(jī)身布置結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式將截割電機(jī)、機(jī)身等主要部件布置在煤壁側(cè)，達(dá)到降低機(jī)面高度、增大過(guò)煤空間的目的，但由于其整機(jī)重心過(guò)于偏向煤壁側(cè)，導(dǎo)致其運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較差，對(duì)地質(zhì)條件要求也較高，大大限制了其使用范圍，其中雞西的951采煤機(jī)雖然得到了少數(shù)應(yīng)用，但并未獲大范圍推廣，而JOY的7LS0采煤機(jī)到目前為止仍沒(méi)有應(yīng)用案例。KOPEX的“黑龍系統(tǒng)”是滾筒采煤機(jī)和刨煤機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，采用鏈牽引方式，一個(gè)截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)滾筒，采高僅能靠支撐油缸微調(diào)，該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)身短，適應(yīng)工作面起伏能力強(qiáng)，且可端部直接進(jìn)刀，但缺點(diǎn)是采用鏈牽引，可靠性較齒軌式低，采高范圍調(diào)整幅度小，其僅適應(yīng)工作面傾角不大，采高穩(wěn)定的特定煤層開(kāi)采。該系統(tǒng)在波蘭已有應(yīng)用案例，近期國(guó)內(nèi)某煤炭公司訂購(gòu)了一套，使用效果有待驗(yàn)證。

雖然各廠家采用的結(jié)構(gòu)布置方式不盡相同，但從表1中不難看出，采煤機(jī)的總裝機(jī)功率基本都達(dá)到了800～900kW，較之前400～500kW有了大幅度的提升。究其原因主要有兩點(diǎn)：一是薄煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，加大功率有利于提高采煤機(jī)的過(guò)斷層能力，減少采煤機(jī)的故障率，減輕煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；二是薄煤層由于采高低，想產(chǎn)生效益必須實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效開(kāi)采，而加大采煤機(jī)功率是最有效的途徑之一。因此，為了實(shí)現(xiàn)薄煤層的高產(chǎn)高效開(kāi)采，加大采煤機(jī)功率是必然之勢(shì)。此外，表1中所述大功率薄煤層采煤機(jī)的最低采高都在1.3m左右，接近薄煤層定義的上限，因此在加大功率的同時(shí)，需要進(jìn)一步降低采煤機(jī)機(jī)面高度，實(shí)現(xiàn)更低煤層的開(kāi)采。綜合來(lái)看，發(fā)展矮機(jī)身大功率薄煤層采煤機(jī)成為了未來(lái)薄煤層采煤機(jī)的主要發(fā)展方向。

鑒于此，天地科技上海分公司于近兩年率先研發(fā)推出了兩款更大功率的薄及較薄煤層采煤機(jī)，分別為MG450/1050-WD型(如圖2所示)和MG2×250/1200-WD型采煤機(jī)，已分別在伊泰集團(tuán)和濟(jì)寧能源得到應(yīng)用，效果良好。兩款采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 新型大功率薄煤層采煤機(jī)參數(shù)

圖2 MG450/1050-WD型采煤機(jī)

2 關(guān)鍵技術(shù)

隨著薄煤層采煤機(jī)的功率不斷加大，機(jī)面高度不但不能增加反而還要越矮越好，導(dǎo)致整機(jī)功率密度越來(lái)越高，由此帶來(lái)一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待解決。

2.1 整機(jī)布置方式

尋求合理的整機(jī)布置方式，解決裝機(jī)功率、機(jī)面高度與過(guò)煤空間之間的矛盾，是發(fā)展矮機(jī)身大功率薄煤層采煤機(jī)面臨的首要問(wèn)題[7]。由于正常機(jī)身布置+雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)截割部的整機(jī)布置方式的優(yōu)越性，其仍是今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)大功率薄煤層采煤機(jī)主要采用的結(jié)構(gòu)形式，但結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也是非常必要的，在特定的地質(zhì)條件下，采用特殊的整機(jī)布置結(jié)構(gòu)形式會(huì)得到更好的效果。如天地科技上海分公司提出的半懸機(jī)身布置結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)了MG200/446-WD1型[8]和MG450/1050-WD型兩款薄煤層采煤機(jī)，使用效果良好。波蘭KOPEX公司提出的“黑龍系統(tǒng)”，雖然其適應(yīng)性和使用效果有待驗(yàn)證，但確是一種很好的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新嘗試。

2.2 高功率密度搖臂

目前，大功率薄煤層采煤機(jī)單搖臂的截割功率已經(jīng)達(dá)到400kW以上，而整個(gè)搖臂的厚度和體積又受限于整機(jī)機(jī)面高度不能加大，同時(shí)搖臂又是采煤機(jī)中受力最直接最惡劣的部件，因此高功率密度搖臂的設(shè)計(jì)成了關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。

1)電機(jī)技術(shù)。雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)和懸截割電機(jī)等結(jié)構(gòu)形式，雖然可在一定程度上減弱對(duì)電機(jī)尺寸的要求，但隨著截割功率的不斷加大，電機(jī)的尺寸已成為制約搖臂厚度的關(guān)鍵所在，因此必須開(kāi)發(fā)體積小、功率大的薄煤層采煤機(jī)采用隔爆電機(jī)。對(duì)于采煤機(jī)廠家來(lái)說(shuō)，電機(jī)基本都屬于外購(gòu)件，他們本身并沒(méi)有開(kāi)發(fā)電機(jī)的技術(shù)，這就需要采煤機(jī)廠家積極與國(guó)內(nèi)外專業(yè)的電機(jī)廠家合作，采用新技術(shù)、新手段，共同開(kāi)發(fā)所需的小體積、大功率電機(jī)。

2)高強(qiáng)度殼體研制。薄煤層采煤機(jī)受空間限制，搖臂殼體要求盡量減薄設(shè)計(jì)。與中厚煤層采煤機(jī)相比，大功率薄煤層采煤機(jī)對(duì)殼體的強(qiáng)度要求更高。對(duì)高強(qiáng)度殼體的研制，各采煤機(jī)廠家都已進(jìn)行了大量的研究工作，也取得了不錯(cuò)的效果，搖臂殼體較之前具有更好的綜合力學(xué)性能，即較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、硬度和沖擊韌性等[9，10]，但與國(guó)外還是有差距，后續(xù)應(yīng)從材料成分、鑄造技術(shù)、熱處理工藝等方面著手，進(jìn)一步提高殼體性能及質(zhì)量穩(wěn)定性。

3)行星機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。行星機(jī)構(gòu)是采煤機(jī)搖臂的關(guān)鍵組成部分，一般位于搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)末端，傳遞功率大，受的載荷復(fù)雜，極易發(fā)生故障，其性能優(yōu)劣決定采煤機(jī)的性能。對(duì)于薄煤層采煤機(jī)搖臂，也有將行星機(jī)構(gòu)前置的布置方式，這樣行星機(jī)構(gòu)受的載荷相對(duì)變小，直徑也沒(méi)有那么嚴(yán)格的限制，但這種結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性有限。因而對(duì)于大功率薄煤層采煤機(jī)，仍多數(shù)選用行星機(jī)構(gòu)置于搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)末端的結(jié)構(gòu)，這就要求行星機(jī)構(gòu)既要具有高的可靠性，直徑又要盡量的小。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在行星機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需充分利用現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立行星機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，尋求最優(yōu)的參數(shù)配置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到緊湊型大功率高可靠行星機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4)傳動(dòng)系統(tǒng)溫升控制。對(duì)于高功率密度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，溫升控制尤為重要，否則將引起潤(rùn)滑油失效等問(wèn)題的發(fā)生，進(jìn)而影響齒輪傳動(dòng)效果，導(dǎo)致輪齒磨損加劇、發(fā)生膠合等。針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)溫升控制問(wèn)題，可從兩個(gè)方面進(jìn)行研究：一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如齒輪修形[11]、有限空間內(nèi)合理增大搖臂殼體內(nèi)腔體積、嚴(yán)格控制搖臂各軸系尺寸鏈及增加軸承高效潤(rùn)滑系統(tǒng)等；另一個(gè)是冷卻系統(tǒng)布置優(yōu)化，采用溫度場(chǎng)分析找出高溫部位，然后有針對(duì)性的布置冷卻循環(huán)水路和冷卻器等。

2.3 高速高可靠牽引行走系統(tǒng)

對(duì)于大功率薄煤層采煤機(jī)，過(guò)斷層不可避免，同時(shí)為了獲得高的效益，還必須長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)行，因此對(duì)采煤機(jī)牽引行走系統(tǒng)提出了更高的要求。

2.3.1 行走輪

行走輪在采煤機(jī)工作過(guò)程中主要起牽引、傳動(dòng)的作用，是采煤機(jī)牽引行走系統(tǒng)極其重要的零件。對(duì)于薄煤層高效開(kāi)采工作面，采煤機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在高速重載工況下，行走輪極易發(fā)生齒根斷裂、齒面剝落磨損等問(wèn)題，行走輪已成為影響采煤機(jī)工作可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)之一，因此提高行走輪的使用壽命對(duì)于提高大功率薄煤層采煤機(jī)的可靠性具有十分重要的意義。

為提高行走輪的整體強(qiáng)度，加大模數(shù)是最有效的方法，但由于薄煤層采煤機(jī)尺寸限制，模數(shù)能加大的空間有限，應(yīng)從下面兩方面進(jìn)行深入研究：①研究行走輪材料、熱處理工藝、表面強(qiáng)化技術(shù)等，提高行走輪的強(qiáng)度和耐磨性；②研究行走輪與銷(xiāo)齒嚙合的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)狀況，建立采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，得到性能最佳的行走輪齒形曲線，降低牽引過(guò)程中的沖擊負(fù)荷，滿足高速重載牽引的需要。

2.3.2 導(dǎo)向滑靴

導(dǎo)向滑靴在采煤機(jī)工作過(guò)程中起著承載、導(dǎo)向的作用，是采煤機(jī)牽引行走系統(tǒng)的重要組成部分。在高速重載牽引工況下，導(dǎo)向滑靴很容易出現(xiàn)斷裂和磨損失效，同時(shí)薄煤層空間狹小，拆裝和更換非常困難，因此提高導(dǎo)向滑靴的強(qiáng)度和耐磨性非常必要。通過(guò)理論和有限元軟件對(duì)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行受力分析，在有限的空間內(nèi)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高導(dǎo)向滑靴強(qiáng)度的有效途徑之一。此外，需對(duì)各種耐磨材料和提高材料耐磨性的方法等進(jìn)行深入研究，以提高導(dǎo)向滑靴的耐磨性。

2.4 緊湊型電控系統(tǒng)

受薄煤層采煤機(jī)機(jī)面高度、過(guò)煤空間及整機(jī)適應(yīng)性等因素的影響，薄煤層采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是其整體外形尺寸會(huì)受到嚴(yán)格的限定。對(duì)于大功率薄煤層采煤機(jī)，又要求整機(jī)功率、截割功率、牽引功率、牽引速度等在以前的基礎(chǔ)上有大幅度的提升，這就對(duì)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，需要在深入研究電控系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更加科學(xué)合理的軟、硬件開(kāi)發(fā)，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵元器件選型、優(yōu)化總體結(jié)構(gòu)與布局、電控系統(tǒng)抗振性能和防水性能設(shè)計(jì)等，提升電控系統(tǒng)可靠性，并保證電控系統(tǒng)在薄煤層開(kāi)采條件下的可維護(hù)性。

2.5 裝煤效果問(wèn)題

薄煤層采煤機(jī)裝煤效果差是普遍存在的問(wèn)題，也是制約薄煤層高效開(kāi)采的主要障礙之一。解決此問(wèn)題可以從優(yōu)化滾筒本身設(shè)計(jì)、采煤機(jī)各工作參數(shù)的合理匹配及采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的合理布置等方面考慮，比如運(yùn)用理論分析與離散元數(shù)值模擬的方法，分析牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、葉片螺旋升角等對(duì)采煤機(jī)裝煤性能的影響規(guī)律及顯著程度，找出最優(yōu)取值[12，13]。采用特殊的搖臂結(jié)構(gòu)形式、增加合理的輔助裝煤裝置等也是解決此問(wèn)題的有效途徑。

2.6 拖纜問(wèn)題

由于薄煤層采煤機(jī)機(jī)面高度矮，電纜槽深度有限，采用傳統(tǒng)的圓電纜及配套電纜夾，其折彎半徑過(guò)大，導(dǎo)致采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電纜夾與支架頂梁干涉，往往需要人工干預(yù)處理，嚴(yán)重制約了采煤效率，對(duì)于大功率薄煤層采煤機(jī)，電纜直徑更大，該問(wèn)題尤為突出。開(kāi)發(fā)自動(dòng)拖纜系統(tǒng)是解決此問(wèn)題的有效途徑之一，波蘭的“黑龍系統(tǒng)”就配備了自動(dòng)拖纜系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也有廠家正在研究和試驗(yàn)自動(dòng)拖纜系統(tǒng)。改用折彎半徑較小的扁電纜及其專用的電纜夾板也可以一定程度上解決此問(wèn)題，天地科技上海分公司已在其薄煤層采煤機(jī)上應(yīng)用，效果良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于薄煤層工作面，為了降低采高、提高采煤機(jī)過(guò)斷層能力和開(kāi)采效率，矮機(jī)身大功率成了主要發(fā)展方向，而隨著功率不斷加大，急需解決一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并分別給出了解決思路或建議，可為大功率薄煤層采煤機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。文中所列并沒(méi)有涵蓋所有需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，且隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，一定還會(huì)遇到新的問(wèn)題及新的解決方案。此外，自動(dòng)化和智能化也是今后薄煤層采煤機(jī)的必然發(fā)展方向，同樣有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待解決，也必須投入大量的時(shí)間和精力去研究。