較薄煤層采煤機裝載效果分析與輔助裝載技術

章立強，盛永林

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

隨著中厚及以上煤層的大量開采，薄及較薄煤層已逐漸成為我國的主采煤層[1]，其具有儲量大、分布廣、賦存多樣化等特點[2]。隨著薄及較薄煤層高效綜采的需要不斷提高，薄煤層采煤機技術也隨之升級，其發展趨勢為功率增大化、牽引快速化、適應廣泛化等，以適應更復雜的地質條件,實現盡可能高的產量,適應更大的采高范圍，提高設備的通用性,降低設備投入等。2003年左右，較薄煤層采煤機典型機型MG200/456-WD，配套機面高度850 mm，總功率456 kW，單側截割功率200 kW，牽引速度可達6 m/min，適應采高范圍1.2～2.2 m，首臺使用效果良好，隨后不斷得到推廣應用，2003—2013年間平均每年銷售量15臺左右。近5年，相繼出現總功率為710 kW、890 kW的較薄煤層采煤機，并不斷得到推廣。MG400/890-WD型較薄煤層采煤機，配套機面高度約900 mm，總功率890 kW，單側截割功率400 kW，牽引速度可達10 m/min，適應采高范圍1.3～2.8 m，滾筒直徑φ1 250～φ1 600 mm。

較薄煤層采煤機綜合性能的提高，突出了如何開采的問題，特別是較薄煤層采煤機的裝載問題。在較薄煤層采煤機大功率化高效開采,追求最大產量的驅使下，只要通過開采技術手段(如通過刮板輸送機直推鏟裝大量剩余的浮煤等)能解決的，使用者往往不太追求裝煤效果。但當遇到特殊地質條件、舊設備兼容性配套問題，裝載效果因素影響正常開采或產量無法達到預期目標時，該問題的解決就變得尤為迫切。因此，較薄煤層開采的裝載技術問題仍需要重點研究。

1 裝載效果主要影響因素及分析

1.1 裝載效果主要影響因素

1) 復雜地質條件。較薄煤層的開采，往往要求大功率較薄煤層采煤機，實現盡可能大的采高，同時又可適應盡可能低的采高，以適應復雜多變的工作面煤層的開采。這種情況下，往往使用較小直徑的滾筒，雙滾筒實現開采厚度大的煤層，總體裝載效果不理想。當遇到大角度俯采、矸石占比大等特殊條件的工作面開采時，裝載效果嚴重受影響。

2) 相關配套參數。通常彎搖臂裝煤效果比直搖臂更好，主要是因為搖臂臂架下方形成了滾筒裝煤通道。然而當配套帶伸縮梁或翻轉擋煤板的支架時，由于滾筒最小挑頂量需要保證，搖臂臂架的向下彎曲的角度相應減小，以滿足配套適應性需要，滾筒裝煤通道減小，裝載效果變差。隨著薄煤層采煤機的功率升級，機身與搖臂長度增加，對配套刮板輸送機的適應性降低，因此需要更大的安全間隙，如鏟尖距:過小的鏟間距可能導致出現滾筒割鏟板問題；鏟尖距加大，滾筒對煤炭的裝載效果變差。出于對產量的考慮，800 mm截深相比原有630 mm截深滾筒的應用，煤壁側剩余更多的浮煤無法裝入刮板輸送機內。

3) 相關設計參數。隨著較薄煤層采煤機大功率化，搖臂傳動系統體積增大，搖臂臂架外形增大，彎搖臂下方過煤通道相應更窄，滾筒至輸送機的裝載距離增大；搖臂行星機構直徑增大，一定直徑下滾筒裝載所需的有效葉片形成的裝煤面積減??；為了適應高效開采，滾筒轉速增大，小直徑滾筒往后甩煤量明顯增大。這些都對裝煤效果產生不良影響。

4) 相關使用參數。根據產量最大化的目標要求，較薄煤層采煤機實際使用時往往按所配套的最大能力進行開采，牽引與截割基本接近滿載。過快的牽引速度，使得滾筒截割后的煤來不及裝入輸送機就被拋甩至后方堆積，剩余浮煤量很大，裝載效果變差。

1.2 裝載效果主要影響因素的分析

對于厚度變化范圍大的較薄煤層通常按下限采高作為大功率較薄煤層采煤機設計的要求，搖臂既要符合薄煤層開采的通行空間，又要滿足大功率傳動系統的緊湊型設置要求。產生的結果便是搖臂殼體相對寬厚、行星機構直徑粗、長度大、輸出轉速高、殼體下方裝載口小，對于小直徑大筒圈只有有效裝載葉片高度的滾筒,僅僅優化葉片，裝載效果改善有限。末端無行星機構的搖臂配套小直徑滾筒，相對具有更好的裝載效果，但這種搖臂設計無法實現大功率化。向內側旋轉的滾筒安裝方式適合煤層厚度接近一個滾筒直徑的薄煤層的開采，不適用于厚度變化較大的較薄煤層開采，因為這種安裝方式后滾筒裝載量基本很少，總體效果僅僅相當于一個滾筒的裝載。矮槽幫刮板輸送機的選擇一般適用于中短長度工作面的選型使用，即使使用扁平鏈等結構，200 mm以下高度矮槽幫結構刮板輸送機也無法滿足300 m長的高效開采工作面的配套需要。配套過大直徑的滾筒可能無法適應采高范圍多變的工作面，尤其是西南地區復雜的地質條件，一般按最小厚度煤層選擇滾筒直徑。具有活動鉸接式推移裝置的刮板輸送機對于較多浮煤的工作面能夠取到較好的裝載效果，但過多的浮煤使得推溜力過大,影響溜槽使用壽命，該種方式是被動開采。單向開采生產效率低，不能滿足高效生產要求。以上這些措施都未能從根本上解決較薄煤層的裝載問題。

復雜地質環境，挑頂量、鏟尖距、截深等配套參數，大功率化的設計參數、使用參數，這些因素有的作為客觀條件無法改變，有的作為硬性指標必須滿足。雖然從相應各方面進行了改進[4-7]，但考慮到設備對各種使用條件的適應性、通用性、可靠性需求等硬指標，僅僅通過局部改進的方式，很難對裝載效果有較大的改進與提高。

2 現有輔助裝載技術

現有輔助裝載技術中，采用擋煤機構輔助裝載是提高采煤機裝煤效果的有效途徑。擋煤機構通常有兩種類型：一種為弧形擋煤板機構，見圖1，另一種為鏈板式擋煤板機構，見圖2。

圖1 弧形擋煤機構的安裝及工作位置

圖2 鏈板式擋煤板機構的安裝及工作位置

2.1 弧形擋煤板機構

弧形擋煤板機構是一種過渡板末端連接弧形懸板的結構，過渡板中心位置開設中心孔，套掛在搖臂行星機構外側，處于滾筒與搖臂殼體大平面之間。工作過程中為了避免干涉，過渡板與滾筒、過渡板與搖臂殼體大平面之間通常保留足夠間隙并限位。為了適應采煤機的雙向開采，弧形擋煤板機構設置成繞搖臂行星機構可回轉結構，相應的弧形懸板可以翻轉至另一側，翻轉驅動有的采用人工，有的采用動力驅動。采用人工翻轉結構的簡易式弧形擋煤板結構簡單，但開采過程中操作麻煩，并容易受到異常擠壓變形，使用壽命很短。采用動力翻轉，由于采用馬達、齒輪齒圈結構，結構更復雜，同時占用了原本就緊張的較薄煤層采煤機搖臂的前端裝煤的空間，使用中同樣存在易擠壓變形問題，操作中需要特別注意,且需要后期維護。

2.2 鏈板式擋煤板機構

鏈板式擋煤板機構是一種由鏈連接的可翻轉的板狀結構，連接板一端設置上下兩個同軸的連接耳，通過銷軸固定在與殼體連接定位的上下同軸的兩個板座孔中，連接板繞該端翻轉。連接板的另一端與鏈的一端固定，鏈的另一端通過銷軸固定在與殼體連接定位的鏈座孔中。鏈板式擋煤板機構設置于采煤機左右兩個滾筒之間，并盡可能靠近滾筒。如圖2所示，向右前行時，鏈板式擋煤板張開，由鏈拉拽呈90°，將滾筒甩至后方的煤阻擋，反向時，鏈板式擋煤板縮回，不影響開采，同時也不改善裝載效果。由于鏈條結構呈自由懸掛狀態，為了避免與滾筒的干涉，設計時需要考慮將擋煤板機構整體向滾筒的反方向移置，預留出足夠的安全空間，因此鏈板式擋煤板不能適應較薄煤層開采，否則連接板與前滾筒過后的底部煤臺干涉。同時該結構裝載量小，滾筒懸出距離較大，總體裝載效果改善不大。

3 解決裝載問題的新思路

3.1 較薄煤層采煤機裝載特點

通過對上述較薄煤層采煤機裝載效果主要影響因素的分析，以及作為輔助裝載的弧形擋煤板機構與鏈板式擋煤板機構的現有技術及結構分析，可以看出,目前較薄煤層采煤機的裝載問題仍沒有從根本上得到解決。大功率較薄煤層采煤機在高效開采的應用條件下，其發展方向主要側重在矮機身、大功率化、高速化(牽引速度與截割速度)，較薄煤層采煤機大功率化發展后出現的裝載問題明顯突出。

通過對不安裝擋煤機構的較薄煤層采煤機的實際使用裝載效果進行觀察(如圖3)，可以看出在配套中小直徑滾筒開采2～2.8 m較薄煤層時，其有如下裝載特點：

1) 前滾筒開采頂刀煤對煤壁進行截割與裝載，由于搖臂殼體下方堆積浮煤至臨近滾筒,從而影響一部分裝載,大截深滾筒在高轉速驅動下將部分煤炭直接甩至后方,通過寬厚的搖臂殼體“堆砌”成浮煤墻，根據較薄煤層機型及滾筒直徑、滾筒轉速的不同配置，前滾筒過后留于煤臺上的浮煤高度約為滾筒直徑的50%～80%。

2) 后滾筒對剩下的煤臺進行截割與裝載，由于搖臂殼體下方的裝載口較小,截割后的煤一部分通過下裝載口擠出，一部分通過搖臂殼體上方甩出，另一部分連同前滾筒的浮煤一起被甩至后滾筒的后方形成總浮煤，根據不同配置情況，總浮煤高度約為0.8～1.3 m。

3) 由于前滾筒的浮煤基本處于后滾筒的前側中上方，無法形成后滾筒對其推送所需的行程，浮煤在未到達滾筒端部或被拋甩出滾筒前，就直接被甩至后方，同時也加重了后滾筒的負載，前滾筒浮煤對后滾筒裝載及總浮煤的占比大。

圖3 較薄煤層采煤機裝載示意圖

3.2 解決裝載問題的新思路

通過對較薄煤層開采裝載特點的分析可知，只要解決前滾筒浮煤的影響，便可大大減輕整機浮煤對開采的影響。通過對現有弧形擋煤機構與鏈板式擋煤機構的結構特點進行分析，擇優避短，可對新型裝載結構提高裝煤效果有一定的啟發。

4 結論

對較薄煤層采煤機裝煤效果的影響因素與現有輔助裝載的擋煤板結構進行了分析，介紹了現有薄煤層采煤機輔助裝載技術。通過對較薄煤層采煤機裝載特點的分析，提出了解決較薄煤層采煤機裝載問題的新思路，以便更好地實現大功率化較薄煤層采煤機的適應性、可靠性與通用性。