履带式无线遥控采煤机在急倾斜煤层采煤工作面的研究与应用

茹新华，刘顺娟

(临矿集团株柏煤矿，山东 临沂 276112）

1 研究意义

随着煤炭开采人工成本的不断增加，炮采工艺已经满足不了矿井的根本需求。实现机械化采煤，消除炮采造成的不安全因素，有效减轻工人的劳动强度已势在必行。采用大倾角采煤机采煤工艺代替炮采，降低了工人的劳动强度和人工成本，提高了工作面安全系数，改善了井下作业环境。大倾角采煤机替代炮采工艺在劳动强度、经济效益、安全方面都很有必要。

2 采煤机的选型理论依据

（1）该采煤机在外形尺寸、破煤工艺、控制方式等方面充分考虑现场条件，并经多次工作面模拟配套试验，确保采煤机在与采煤工作面现场的适用性。

（2）采煤机主要由履带行走机构、破煤装置、液压系统、电气系统等部分组成。履带行走机构由行走马达驱动，同时，带动破煤装置行走，配合液压牵引绞车，可在25°左右的坡度正常作业。破煤装置通过大扭矩液压马达驱动，破煤能力强，最大采深500mm，最大转角180°。液压系统采用负载传感变量系统，根据负载情况自动调节流量，工作平稳无冲击，性能可靠。电气控制系统主要由隔爆型电控箱、装煤机用遥控发送器、矿用低浓度甲烷传感器、矿用隔爆型LED 机车灯等设备组成。采用无线遥控控制，保证操作者操作时的人身安全，并极大地减轻了工人的劳动强度。

3 研究主要过程

（1）合理选择柔性掩护支架结构。掩护支架结构形式的合理选择是保证柔性掩护支架采煤法应用成功的先决条件。合理地选择支架结构形式应满足加工制造简单，便于运输，安装、拆卸方便，易于控制下方，有足够的强度和支架下有合适的安全操作空间等要求。根据株柏煤矿多年的开采实践应用经验，当煤层角度小65°时，应选用“八”字形掩护支架。“八”字形掩护支架具有以下优点。

①由于增加了支架下方的空间，使得工作面在爆破后的排烟时间缩短，从而增加了工作时间。②不易造成支架压人事故。③不易窜矸。

④稳定性好，不易翻转，便于控制下放，不易切入煤层底板。

（2）此次研究的创新点。

①煤矿用履带式大倾角采煤机械采用电动全液压驱动，通过无线遥控系统实现对整机的进行控制。

②大倾角采煤机械主要由履带行走机构、破煤装置、液压系统、电气系统等部分组成。履带行走机构由行走马达驱动，同时，带动破煤装置行走，配合液压牵引绞车，可在30°左右的坡度正常作业。

③破煤装置通过大扭矩液压马达驱动，破煤能力强，最大采深500mm，最大转角180°。

④液压系统采用负载传感变量系统，根据负载情况自动调节流量，工作平稳无冲击，性能可靠。

⑤电气控制系统主要由隔爆型电控箱、无线遥控发送器、矿用低浓度甲烷传感器、矿用隔爆型LED 机车灯等设备组成。采用无线遥控控制，最大限度保证操作者操作时的人身安全，并极大地减轻了工人的劳动强度。

（3）相较于原生产工艺流程的先进性。机采代替炮采是技术发展趋势，同时，株柏煤矿实现急倾斜、复杂地质条件下的机械化采煤，将使株柏煤矿引领国内急倾斜煤层机械化开采技术。

①炮采工艺：爆破落煤，人工装煤。工艺流程：打眼→煤层注水→装药→爆破落煤（洒水降尘）→人工装煤（洒水降尘、支临时支柱、铺设搪瓷溜子）→移架（柔性掩护支架）→下一循环。

②机采工艺：采煤机落煤，人工装煤。工艺流程：采煤机破煤→人工装煤（洒水降尘、支临时支柱、铺设搪瓷溜子）→移架（柔性掩护支架）→下一循环。

③工艺改进后的优缺点综合比较。炮采工艺：人工打眼，放炮落煤，劳动强度高，效率低下，存在安全隐患。机采工艺：无须打眼放炮，采煤机进入工作面内作业，操作人员在安全位置无线遥控采煤机破煤，破煤效率高，改善作业环境，降低了动强度，减少安全隐患。

4 柔性掩护支架受力分析

柔性掩护支架沿煤层伪倾斜工作面布置，其上方为采空区冒落矸石，下方为工作空间，前后方分别为煤层顶底板。由于顶底板无支护，在矿山压力的作用下，采空区顶底板岩石冒落在掩护支架上。由于掩护支架的宽度小煤层厚度，支架不支撑煤层顶底板，因此，不受顶底板压力的直接作用。自掩护支架安装、下放到拆除，其上方冒落矸石的作用大体可以分为以下3个阶段。

（1）在掩护支架工作面上平巷安装支架阶段，支架处于静止状态，当放顶并构成岩石垫层时，支架所受矸石压力逐渐增大。开始时，支架所受矸石压力随冒落矸石重量的增加较快增大，当增大到一定值后，随着冒落矸石增加，支架所受矸石压力的增加减缓，并趋于稳定。

（2）在支架下放过程中，支架上方矸石压力急剧下降，是支架下放前的40%～50%，而且支架缓慢下放时的压力又比快速下放时小。其原因在于，掩护支架在下放过程中，紧贴支架的那部分岩石的下落与支架下放同步，上部岩石则由于岩石之间的摩擦力以及顶底板对其作用力的影响而滞后下落，所以支架上部岩石堆积密度降低，作用在支架上的压力也降低。

（3）掩护支架下放结束在下平巷拆除阶段，支架再次处于静止状态，初期压力增加很快，以后逐渐处于稳定，其最大压力小于支架安装阶段回柱放顶时的最大压力，这是由于在掩护支架停止下放后，其上方矸石又重新密集起来，堆积矸石密度的增加引起支架所受压力的增大。

5 钢丝绳受力状况与支护要求

在掩护支架工作面，钢丝绳只是作为联结钢梁的一个柔性构件，一般情况下，支架后方碎矸石的重量是由钢梁承受，并通过支撑点传递给两侧的煤壁支座，如每根支架均支撑在两侧煤壁上，则钢丝绳基本不受力。故在工作面的上下水平段，钢丝绳可能处于松弛状态，但当支架转入伪倾斜工作面中以后，就可能由于工作面倾角不一致，或由于局部地段两侧煤壁支座被破坏，而使该段支架出现悬空现象。此时. 这一段支架的钢丝绳处于挠曲状态，支架自重和上方荷重将完全由钢丝绳来承担。但由于伪倾斜工作面中，除了两侧有煤壁支座支托钢梁外，地沟中每隔2～2.5m 还有单体液压支柱在钢梁下临时支托钢梁，故钢丝绳不可能出现长距离悬垂的挠曲状态。另外，由于支架下一般都是3 根以上钢丝绳共同托住钢梁，故每根钢丝绳一般不会受到很大的拉力。根据多年来的实践经验，一般选用φ28 ～φ32mm 钢丝绳即可，而且除已锈蚀或断丝严重外，钢丝绳还可复用。

综上所述，在生产中必须经常注意保持工作面平直和两侧煤壁完整，或在溜子道中支设控制点柱，并严格掌握好点柱的方位和支设质量，以确保钢丝绳常处于不承受拉力的良好状态。

6 研究成果

单体柔性掩护支架采煤法工作面几何参数确定和相关巷道的优化布置，将煤炭的回采率提高到98%以上，降低了吨煤掘进率，千吨煤掘进率为110m。运用相关力学理论对支架进行受力分析，确定了支架的“八”字型结构和基本参数，便于支架的安设和工作面正常推进过程中的支架行走，提高了工作面的工作效率，减轻了工人的劳动强度。深入研究了工作面内皱架、窜矸及煤层自燃对生产能力的制约，并提出运用超前钎棍、工作面下行通风等防治措施，为工作面的高效开采提供了保障。

7 结语

单体柔性掩护支架采煤法工作面几何参数确定和相关巷道的优化布置，确定了正规循环作业和循环产量的计算及相关参数的计算。运用相关力学理论对支架进行受力分析，确定了支架的结构和基本参数。现场实际和理论相结合，深入研究了工作面内皱架、窜矸及煤层自燃对生产能力的制约，并提出运用了针对性的防治措施，此方法的研究与应用内对相同条件的矿井有很大的借鉴价值。