露天煤矿端帮制导式螺旋钻采煤机的研发

关 旭，闫海龙，王紫瑞

（1.辽宁理工学院 信息工程学院，辽宁 锦州 121010；2.辽宁工程技术大学 研究生院，辽宁 葫芦岛 125105；3.辽宁瀚石矿山工程集团有限公司，辽宁 阜新 123000）

露天煤矿边端帮下遗存大量压余煤[1-3]，据统计我国露天煤矿边端帮下压煤量占边境内可开采量的14.7%。露天煤矿大部分采用内排的方式，随着露天矿内排的跟进，造成煤炭资源的永久性浪费[4]，同时，边帮压煤发生自燃，对环境造成污染，并因自燃导致边帮加速垮塌，一方面使矿坑进一步外延扩展、另一方面形成滑坡与崩塌自然与人为复合灾害[5-10]。基于上述情况，新近研发设计了一款露天煤矿端帮制导式螺旋钻采煤机（以下简称螺旋钻采煤机），针对此采煤机配套研发设计了一种制导式螺旋钻头。

1 螺旋钻采煤机

螺旋钻采煤机整机包括7 个部分。

1）钻头。LC-QH-1200 型露天矿螺旋采煤机的直筒型螺旋钻头改进为前半部半球壳状、后半部为圆筒型钻头部。

2）制导机构。螺旋钻头的改进，目的增加配备制导机构。

3）动力系统。包括移动承载平台装置、截割电机、进推/回拉液压动力机构、制导液压机构和钻杆拆卸液压机构等。

4）输煤槽与螺旋钻杆。输煤槽上部开口，底部设前后2 组行走轮，输煤槽内前后各设置1 支架和支架中央轴承，螺旋钻杆由螺旋叶片和直杆组成，输煤槽开口外缘或中下部两侧管线输导管。

5）钻杆拆卸机构。由支架、卡柄液压缸、卡柄和插销液压缸侧支板组成，位于移动承载平台装置之前和进推轨道前端。

6）进推轨道。由2 根光滑的钢轨组成，位于动力承载平台和输煤槽之下。

7）自动控制系统。包括2 个子系统：①自动控制子系统实时检测和监测钻进轨迹、信息反馈和指令纠倾纠偏；②指令转动截割、进推与回拉和钻杆拆卸动力动作。

LC-QH-1200 螺旋采煤机主要技术指标如下：①整机质量：131 t；②适应煤层的普氏硬度系数：2；③钻孔直径：1.2 m；④开采深度：60～ 150 m；⑤生产能力：25 万t/a；⑥钻杆转速：35 r/min；⑦钻进角度：0°～±5 °；⑧装机总功率：528 kW；⑨液压系统压力：25 MPa；⑩采煤机行走速度：285 m/h；⑪系统供电电压：6 000 V。

2 制导式螺旋钻头

2.1 制导式螺旋钻头结构

制导式螺旋钻头包括钻头和制导机构。螺旋钻头由半球壳状钻头部和圆筒型钻头部、半球壳状钻头部内固定“十字形”支架、支架中央为圆环构件组成。支架和圆环构件镶嵌前截齿，半球壳状钻头部和圆筒型钻头部二者焊接。制导机构包括与半球壳状钻头部曲度一致的微转动曲面圆环及其受推曲板、固定销轴、滑动圆环、固定圆筒、制导液压机构、固定连接板。微转动曲面圆环外表面镶嵌侧截齿和前缘镶嵌前截齿，制导式“十字型”螺旋钻头如图1。

图1 制导式“十字型”螺旋钻头

2.2 制导原理

微转动曲面圆环与半球壳状钻头部曲度一致，环套于半球壳状钻头部之外，两者间距在毫米量级，固定销轴穿插于微转动曲面圆环狭窄矩形切口，可保持半球壳状钻头部不脱离半球壳状钻头部且可在制导液压机构的顶推时绕两两对称的固定销轴构成的虚拟转轴发生转动，进行钻头钻进纠倾和纠偏。矩形切口纵向排列，共4 个，两两相对，与固定销轴数目一致。受推曲板固定于微转动曲面圆环后外缘，由支撑杆支撑。

固定圆筒套扣在滑动圆环的外部，由固定连接板固定在第1 节输煤槽上，可保持固定圆筒及固定其上的制导液压机构不转动而钻头和螺旋钻杆转动，固定圆筒外表面设置3 组制导液压机构。滑动圆环固定在所述圆筒型钻头部外表面，由2 组环形轴承组成。3 组制导液压机构，2 组对称固定在固定圆筒外表面，位于对应螺旋钻杆水平直径位置，另1 组位于固定圆筒外表面的底部，制导液压机构的活动缸杆前端设置1 组双轴承，可使顶推受推曲板时保持钻头1 转动灵活。

在钻进采矿过程中，自动控制系统可实时监测钻进轨迹状况。当钻进轨迹与钻杆轴线发生偏离时，自动控制系统即时向操作室（控制室）发出预警信号，操作人员可针对接收到的钻进轨迹偏离信号，采用遥控或手动的操作方式，给出纠偏或纠倾指令，自动控制系统启动制导机构液压动力，进行纠偏或纠倾。偏斜度以1/100 为准则，即钻进深度100 m，允许偏斜1 m。在纠偏和纠倾偏斜度小于1/100 之后，自动控制系统指令制导机构停止顶推，活动缸杆回缩至原位。

在操作室配置了实时偏斜度检测和监测智能系统和监控屏，偏斜度的检测和监测以预定的直线钻进轨迹为准则，当实际钻进轨迹为曲线时即与预定直线钻进轨迹发生偏离并偏离度达到或超过1/100时智能自控系统发出预警和纠偏纠倾预备指令，同时显示在监控屏上，等待操作人员确认，并答复智能自控系统正式下达纠偏或纠倾指令，人工或通过遥控或手动下达纠偏或纠倾指令，实施纠偏或纠倾。

圆筒型钻头部上的4 个两两相对的固定销轴构成2 个相互垂直的微转动曲面圆环的转动轴，当钻进轨迹发生向左偏离即左侧斜时，需向右导向纠偏，在钻进的同时，左侧的制导机构启动，活动缸杆伸出顶推受顶推曲板，使微转动曲面圆环绕虚拟轴转动直至达到纠偏，自动控制系统指令活动缸杆回缩停止顶推脱离顶推受顶推曲板。

向左导向纠偏，与向右导向纠偏为相反的镜像过程动作，不再赘述。向上导向纠倾，过程和动作与上述类似，只是底部的制导机构启动，活动缸杆伸出顶推受顶推曲板，直至达到纠倾。同时出现左侧斜和倾斜，或者同时出现右侧斜和倾斜，需要左侧／右侧和底部制导机构同时工作，可以达到采煤机纠偏和纠倾的目的地。

3 采煤工艺过程

3.1 工艺过程

工艺工作过程：①平整作业场地后，埋设侧移轨道；②沿边端帮煤壁开槽，布设带式输送机；③在开采位置布设垂直于煤壁的接导煤带式输送机或刮板输送机；④在侧移轨道上安装制导式螺旋钻机，安装制导机构；⑤布设监测钻进轨迹的通讯线缆和部件；⑥在钻进采矿过程中，自动控制系统实时监测钻进轨迹状况，当钻进轨迹发生与钻杆轴线偏离时，自动控制系统即时向操作室发出预警信号，操作人员可针对接收到的钻进轨迹偏离信号，采用遥控或手动的操作方式，给出纠偏或纠倾指令，自动控制系统启动制导机构液压动力，进行纠偏或纠倾。

钻杆装接极大地简化了钻杆装接工艺与过程。因为螺旋钻杆与输煤槽为一体且输煤槽为标准的圆筒式，钻杆位于输煤槽的中央，输煤槽行走轮夹卡在进推轨道上。这样，前后2 节输煤槽和钻杆的对接部位可准确相对。钻杆后端为台锥状螺纹头（类似榫头），前段为内凹的台锥状螺纹（类似卯槽）。

当待装接输煤槽+钻杆（末1 钻杆）置于进推轨道上后，截割电机在进推液压机构的缓慢前推下，电机转轴与钻杆后端对接，电机转动直至榫卯拧紧、并由插销固锁。末1 钻杆继续前推，与末2 钻杆对接，电机转动直至榫卯拧紧、并由插销固锁。

螺旋钻采煤机钻杆拆卸机构为2 组样式相同的机构，位于进推/回拉轨道前端和中后部，钻杆拆卸机构由“门字形”支架、卡柄和插销液压缸及卡柄等组成，固定液压缸缸底固定于“门字形”支架之横梁之下，并在两侧通过固定支板固定于“门字形”之侧立柱，卡柄液压缸的活动缸杆与卡柄固定，卡柄卡口部为开口的等6 边形，与所述螺旋钻杆直杆6 棱柱体相匹配，以方便固定。截割电机正转或反转，即可实现钻杆的装接或拆卸。

3.2 开采与矿硐充填

在自动控制系统控制下，依次启动动力系统，螺旋钻采煤机开始实施采煤作业。钻进截割下来的煤在螺旋叶片之间随螺杆旋转顺次转运出硐外，经运带式输送机转载堆放或直接装车外运。

螺旋采煤机工作时，矿硐内无人作业。待若干个矿硐开采完成后，利用螺旋采煤机进行矿硐充填。矿硐充填有2 个关键环节：①须将截割钻头更换为充填头；②与采煤时截割电机的转动方向相反，可将充填物料传输进矿硐。充填物料需要经过实验进行配比，主要物料可就地取材，剥离的矸石等均可利用。

4 结语

螺旋钻采煤机的螺旋钻头可制导、可纠偏纠倾。螺旋钻杆对准和装接无需附加机构，螺旋钻杆拆卸工艺简捷。整机结构简单实用、自控系统简化、易操作易控制。螺旋钻采煤机在结构上进行了简化和优化，方便操作、控制、侧移和转场，具备采充一体化功能。