薄煤层大倾角综采工作面采煤机关键技术应用研究

李加林，李 强，黎 亮，蒲海峰，白 虎

（四川华蓥山广能集团嘉华机械有限责任公司，四川广安 638600）

薄煤层大倾角综采工作面采煤机关键技术应用研究

李加林，李 强，黎 亮，蒲海峰，白 虎

（四川华蓥山广能集团嘉华机械有限责任公司，四川广安 638600）

分析了采煤机在薄煤层大倾角综采工作面的应用条件，结合薄煤层采煤机和大倾角采煤机的技术特点，研制出一种能适应薄煤层大倾角工作面的采煤机。详细介绍了MG200/495－QWD型采煤机关键技术在薄煤层大倾角综采工作面的应用。

薄煤层;大倾角;采煤机

Application of Coal-cutter Key Technology in Full-mechanized Mining Thin Coal-seam with Large Inclined Angle

多年以来，薄煤层和大倾角煤层的开采理论与关键技术研究进展缓慢。但近年来，薄煤层和大倾角煤层开采在我国越来越引起采矿界的重视，其主要原因是我国薄煤层和大倾角煤层分布广泛，储量巨大。若能综合薄煤层采煤机和大倾角采煤机的技术特点，有效地解决现有的采煤机在大倾角工作面和薄煤层工作面遇到的难题，研制出既能适应薄煤层又能适应大倾角煤层综采的采煤机，提高薄煤层大倾角工作面综合机械化水平，将对我国煤炭工业的发展具有十分重要的作用。

1 应用条件分析

在我国已探明的煤炭可采储量中，薄煤层和大倾角煤层储量巨大，分布范围广泛。但薄煤层和大倾角煤层综合机械化开采技术水平都比较落后。针对世界煤炭资源枯竭急剧增加的形势，为提高薄煤层和大倾角煤层综采技术，有效地利用资源，广能集团先后自主研发了MG200/495－QWD型大倾角采煤机和MG150/421－PFD型薄煤层采煤机，并成功应用。然而大倾角采煤机因机面高而不能适应薄煤层开采;薄煤层采煤机也因功率小、制动防滑不可靠等因素不能适应大倾角煤层开采。

采煤机要能适应薄煤层大倾角工作面需同时具备薄煤层采煤机和大倾角采煤机的特点:机身尽可能矮、短，以适应薄煤层狭小的开采空间;具有大的牵引力，高强度的行走轮，保证采煤机能在大倾角工作面上行走;具有可靠的制动和防滑装置，保证采煤机在大倾角工作面上工作时不发生“飞车”事故;具有可靠的润滑系统，保证所有齿轮和轴承得到充分润滑;具有先进的监控系统，保障煤矿工人在复杂地质条件下安全、高效生产。

2 MG200/495－QWD型采煤机关键技术应用

为了提高薄煤层大倾角工作面综合机械化水平，综合薄煤层和大倾角煤层采煤机特点，克服了薄煤层大倾角工作面复杂的地质和开采条件，研制了MG200/495－QWD型薄煤层大倾角采煤机，并成功应用于贵州世纪公司雷公山煤矿。

2.1 采煤机结构及俯采受力分析

为了适应薄煤层开采条件，MG200/495－QWD型采煤机的机身采用悬臂式布置，不仅拥有较低的机面高度和较大的过煤空间，还极大地缩短了机身长度。如图1所示，行走箱部件悬臂式伸出，行走轮通过导向滑靴与销轨齿合行走，支撑滑靴安装在牵引箱靠近采空侧处，整机悬臂式“骑在”刮板输送机上。其电控系统和液压系统分别布置在并排的过桥一、过桥二上。

图1 MG200/495－QWD型薄煤层大倾角采煤机

悬臂式结构的采煤机缺点是较难保持机身的稳定和平衡，尤其是俯采时更易因机身失稳而向前倾倒。故悬臂式采煤机合理布置机身使其具有可靠稳定性至关重要。

取采煤机为隔离体，则采煤机俯采时的受力如图2所示。

图2 采煤机俯采时受力分析

图中G1是采煤机所受重力，据MG200/495－QWD型采煤机技术参数，取275.35kN;F2为工作面刮板输送机靠采空侧对采煤机施加的下拉力，kN;N是输送机对采煤机的支持力，kN;ψ为采煤机机身的倾斜角度，一般为0～10°，在此取10°。各力对点O（采煤机与输送机靠煤壁侧的接触点）的力矩平衡方程:

各力对垂直轴取力平衡方程:式中，a为采煤机重心到输送机中部槽靠煤壁侧的距离;b为输送机中部槽的宽度。

联立方程 （1）、（2），求得

由此可知，当a值越小 （即采煤机重心离输送机中部槽越近）F2越小。据MG200/495－QWD型采煤机技术参数:a=0.135m，b=1.017m，G1=275.35kN。将参数带入方程 （3）、 （4），求得F2=36kN，N=307kN。

由计算可知当F2大于36kN时采煤机就不会向前倾倒。

输送机靠采空区侧对采煤机向下拉力主要由输送机重力提供。对输送机与采煤机接触的O点取力矩平衡，有平衡方程:

式中，G为采煤机倾倒引起输送机翘起所需克服的输送机重力，kN。

由式 （3）、（5）可得G=2aG1/b=73kN，即当G不小于73kN时采煤机才没有倾倒危险。据相关资料，MG200/495－QWD型采煤机机身布置至少占据3节输送机中部槽，3节中部槽总重为40kN。为保证采煤机受力平衡，需要在采煤机靠采空侧设置“采煤机平衡装置”，需提供73－40=33kN的荷载。当采煤机在倾角为θ的工作面上工作时，所需平衡载荷为33sinθcosψkN。由此可见当工作面倾角越大，采煤机所需的平衡载荷越小。该平衡载荷主要由液压支架提供。

为了进一步缩短机身长度，MG200/495－QWD型采煤机的牵引部采用了双行星机构，减小了牵引部的体积，增大了有效牵引力。

2.2 采煤机上行割煤受力分析

采煤机要在大倾角工作面作业必须具有较大的牵引力。MG200/495－QWD型采煤机顺工作面上行正常割煤时的受力情况如图3所示。图中G1是采煤机所受重力，取275.35kN;N01是煤壁对前滚筒顺工作面方向的推进阻力，kN;N02是煤壁对后滚筒顺工作面方向的推进阻力，kN;f1，f2分别是采煤下行或上行时输送机对采煤机产生的顺工作面方向的摩擦力，kN;F是行走轮对采煤机作用的牵引力，kN，MG200/495－QWD型采煤机牵引机构选用2台40kW的牵引电机，可提供2×341kN的最大牵引力;Q1是采煤机前滚筒截割阻力，kN;Q2是采煤机后滚筒截割阻力，kN;θ是工作面倾角，雷公山煤矿煤层平均倾角为45°，N21为工作面倾斜时，输送机对采煤机的支持力。

图3 采煤机上行割煤受力分析

由图3可知，采煤机上行割煤过程中的稳定条件是:

式中，μ1为采煤机与输送机之间的接触摩擦系数，取0.2;N21=307×sinθ=217kN。

将数据代入公式（4）、（7）可得:f2=43.4kN。

影响滚筒推进阻力的因素比较复杂，很难精确地计算。当采煤机牵引力确定，在煤层倾斜条件下，常采用下式近似估算:式中，Fmax为采煤机的最大牵引力，kN;K2为前、后滚筒的截割阻力之比，一般为0.2～0.8，针对薄煤层，取小值为0.2。代入数据可得:N01+N02=267.1～335.3kN。

将数据代入式 （6）可得:F≥505.8～574kN。

根据以上计算分析结果，当采煤机牵引力为2×341kN，大大超过采煤机上行割煤时所需的牵引力，即上行割煤时采煤机不存在下滑危险。

MG200/495－QWD型采煤机改变传统采煤机的行走轮结构，采用大节距和大模数行走轮齿。同时增加了齿宽，进一步加强了行走轮强度，保证采煤机在大倾角工作面上能正常行走。

2.3 采煤机二级防滑装置

为了保证采煤机在大倾角工作面上工作的安全性，MG200/495－QWD型采煤机在常用的制动系统的基础上，研制出了第二道机械防滑装置，保证了采煤机在大倾角工作面上工作的安全性。二级防滑装置结构如图4所示。

图4 MG200/495－QWD型采煤机二级防滑装置

二级防滑装置工作原理:采煤机下牵时，电磁阀合电，电磁阀供液，液压千斤顶伸出，左右防滑装置的防滑块防滑端同时离开销轨的槽口，防滑功能解除;采煤机电源与电磁阀电源连锁反应，当采煤机牵引断电，电磁阀同时自动断电，液压千斤顶中的油通过电磁阀回到油池，液压千斤顶活塞杆复位，同时弹簧组件中弹簧外力解除，弹簧筒推出，防滑装置的防滑块防滑端卡入到销轨的槽口内，防滑功能生效启用。采煤机上牵时，电磁阀一直处于断电复位状态，防滑块搭销轨行走，当采煤机下滑（一级制动失效）时，防滑块卡在销轨的槽口内，防滑功能生效启用。

2.4 润滑系统

强制润滑系统和分腔润滑系统是保证大倾角采煤机润滑的常用方式。强制润滑系统能对采煤机各齿轮、轴承输油润滑，但因结构复杂、成本高、需维护等缺点而常用于倾角很大的工作面。分腔润滑系统通过将减速机构分离为多个单独的腔体来保证齿轮、轴承的润滑。分腔润滑系统不需维护，常被用于较大倾角的工作面。MG200/495－QWD型采煤机的截割部采用了分腔润滑系统，设置有高速高温腔、隔离冷却腔、低速低温腔和行星润滑腔，有效地控制油温超高带来的负面影响，并保证采煤机在大倾角工作面上工作时，各级减速机构的良好润滑。

2.5 遥控器技术

薄煤层大倾角工作面倾角大，开采空间狭小，飞矸严重，采煤机运行难且极易被矸石砸伤，安全威胁大。MG200/495－QWD型采煤机采用了最先进的采高控制技术和遥控器技术。遥控器上还能显示采煤机的其他监测参数，保证采煤机实时监控。设油温监测及超温保护，保证采煤机各部件工作状况受到监控，方便采煤机司机随时掌握采煤机工况，可远程监控采煤机位置，并与液压支架紧密配合，实现电液自动控制。

综上所述，MG200/495－QWD型采煤机具备薄煤层大倾角开采的关键技术 （小体积、大牵引、高可靠性、操作方便等）。该采煤机正在雷公山煤矿薄煤层大倾角工作面现场应用。

3 结束语

针对世界煤炭资源枯竭急剧增加的形势，大倾角薄煤层开采已越来越被国家重视。通过MG200/495－QWD型采煤机的关键技术在雷公山煤矿薄煤层大倾角工作面的应用研究，为薄煤层大倾角采煤机研究设计提供了参考和借鉴依据。

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1006-6225（2013）06-0043-03

2013－06－20

李加林 （1963－），男，四川华蓥人，机电工程师，现从事煤矿机械产品设计研究工作。

［责任编辑:王兴库］