一次采全高短壁工作面采煤機及“割內放外”新型采煤工藝研究

摘 要：國內外針對大型礦井的采煤工藝和裝備發展迅速且較為成熟，而對中小型礦井使用的工藝和裝備則研究較少，尤其是高效機械化采煤設備更為稀缺，大量的資源整合礦井由于缺少相應的采煤設備，仍采用簡易機采或炮采的方式進行生產，不僅安全性差、生產效率低、產量低、經濟效益低，而且工作環境惡劣、資源丟失嚴重。本文所述的一次采全高采煤機應用先進科學的割內放外采煤工藝，具有結構緊湊、安全高效、節能環保的突出優點，可對中小塊段資源進行開采，極大的提高資源利用率。

關鍵詞：采煤機；采煤工藝；割內放外

1 “割內放外”新型采煤機及其工藝的研究背景

目前我國大采高工作面回采裝備（尤其是采煤機）絕大部分是以進口設備為主，與國際先進水平尚存在差距。一些礦井在設備的使用過程中也出現了不同的問題，設備的維修費用過高，配件需要進口，一些企業為了不耽擱生產不得不采購大量的配件以備應急之需，這樣就呆滯大量的資金。我國尚沒有一種體積小、結構緊湊、使用方便、采高達到4m以上的短壁采煤機，這種狀況極大的制約了中小型礦井機械化程度的提高。隨著煤礦企業兼并，重組整合工作的推進，大量的中小型礦井整合完成，按照“總量適度、優化布局、產能置換、關小上大、提升水平”的原則，這些礦井都面臨著改造升級的緊迫問題，但受限于設備、采高、供電、投入等原因無法實現安全高效的綜合機械化開采。

晉煤集團金鼎煤機礦業有限責任公司率先提出“割內放外”采煤工藝，并研制生產出了一次采全高短壁工作面采煤機及配套裝備。從一定程度上將解決大型綜采設備開采無法開采的資源相對分散、儲量相對較少的煤炭開采難題，對促進我國中小型礦井安全高效生產，提高資源回收率，將具有顯著經濟效益和社會效益。

2 一次采全高短壁工作面采煤機及“割內放外”工藝

一次采全高短壁工作面采煤機及“割內放外”工藝是為中小型礦井實現高效綜采生產而提出設計的，其核心是在回采過程中運用新型采煤機的結構特點，巧妙的利用頂板壓力、重力及采動影響作用，來實現 “割內放外”的采煤工藝。

一次采全高短壁工作面采煤機

一次采全高短壁工作面采煤機它是由多電機驅動的齒輪-銷軌式無鏈交流電牽引采煤機。該機由有三部電動機驅動，即牽引電機、截割電機和油泵電機。該采煤機主要由1、截割臂；2、行走輪組件；3、支腿組件；4、箱體總成；5、連接部；6、滑道；7、截割臂；8、回轉座；9、裝煤滾筒等組成。

2.2 “割內放外”采煤工藝工藝流程簡介

采煤機從刮板機機尾順槽巷道煤壁內直接進刀割煤，總截割深度為1.2 m，采煤機截割頭實際截割厚度為07～0.8 m，其余靠近采空區側煤體受礦壓、自重和采動的影響自然垮落進入刮板溜槽。

采煤機截割頭可隨截割臂上、下、內、外擺動。截割頭上下移動時，上部煤體垮落進入刮板輸送機，靠近底板的下部煤體由截割頭內外擺動實現截割。割落的煤體由采煤機后部的裝煤裝置推入刮板輸送機。當采煤機截割煤體向前移動后，緊隨其后的輕型大采高液壓支架即可拉架及時支護頂板（先拉架后推溜），最大限度的減少了頂板暴露面積和暴露時間，減少甚至避免了頂板超前冒落等事故的發生，極大的提高了工作面的安全性，保障工作面安全快速推進。采煤工藝流程如下圖所示：

圖2 “割內放外”采煤工藝流程圖

3 一次采全高短壁工作面采煤機及“割內放外”的工業性試驗

3.1 試驗地點及時間

2010年9月～2011年7月在晉煤集團趙莊二號井1305回采工作面進行了井下工業性試驗。

3.2 試驗環境

1305工作面采用傾斜長壁后退式綜合機械化采煤法，采高5m，采用全部垮落法管理頂板，開采煤層為3# 煤層，煤層傾角一般在10°以內，局部有褶曲，傾角可能增大，屬近水平煤層。區內地質構造簡單，斷層較少，可能出現無碳柱陷落柱煤層，易于開采。煤層頂、底部較軟、中部較硬。頂煤1.2m范圍內裂隙發育，層理明顯。距底板1.5m處有夾矸，夾矸下有軟煤，厚10-20mm， 夾矸穩定，而軟煤不穩定。頂板巖性主要為泥巖、沙質泥巖、砂巖互層。底板主要是泥巖、粉砂巖，局部為細砂巖。

3.3 工作面設備配套情況

1305工作面主要設備有：一次采全高短壁工作面采煤機、輕型大采高液壓支架和工作面三機，具體型號為：MG120/181-NMD采煤機、SGZ764/315刮板機、SZB764/132轉載機、PLM800破碎機、ZY5500/24/52型掩護式液壓支架、CZ6000/24/52進回風巷道超前支護支架。

3.4 試驗內容

試驗研究了一次采全高短壁工作面采煤機能否實現如下功能：

3.4.1 采高2.6～6 m，臥底量≤320 mm，總重30 t以下；

3.4.2 截深1000～1200 mm，生產能力250 t/h以上；

3.4.3 適應工作面傾角 ≤15°；

3.4.4 適應煤質硬度普氏系數 ≤ 3；

3.4.5 電壓1140V，裝機功率小于200 kW；

3.4.6 采用交流電牽引系統， 擺線輪銷排式無鏈牽引；

3.4.7 采用PLC控制，具有狀態檢測、過載保護、故障診斷功能；

3.4.8 具有手動控制和無線電遙控兩種操作方式；

3.4.9 配套刮板機SGZ764/200或SGZ764/315。

3.5 試驗過程記錄

3.5.1 采煤機運行狀況

第2代采煤機于2010年9月27日在趙莊二號井1305工作面開始試采，2010年9月27日～10月19日期間，每班割煤平均30架左右；2010年10月20～10月24日期間，割煤效率有所提升，平均每班45架；2010年10月26日～12月15日期間，采煤機可以輕松實現每班割煤一刀及一刀以上，甚至在11月26日、12月12日實現了一班生產兩刀的突破。

2011年2月中旬至3月底，隨著對設備配套中問題和不足的持續改進，工人對新型設備的操作日益熟練后，正常生產中，每天（兩個班生產）可以較輕松地實現四刀的產量。

在采煤機的工業性試驗中，1305回采工作面運行情況如下：

3.5.1.1工作面設備配套：配套尺寸符合設計要求；在頭部、尾部采煤機的臥底量符合要求。

3.5.1.2 采煤機性能：各手把、按鈕、搖控器操作靈活、準確，符合設計要求；各儀表、顯示屏正確清晰。

3.5.1.3 采高4.5～5.3 m，支架最大工作高度5.2 m可以滿足要求（移架時間最快25～30秒/架）。采煤機在輸送機機尾巷道內直接進刀，不用斜切進刀。新型采煤機“采內”的最大截深700 mm，平均截深600 mm，“放外”實現的剝煤的截深500～700 mm；這樣采煤機就很好地實現了一次切割的“割內放外”的采煤機截深1.2m的技術目標。大大地提升采煤機的切割效能，比傳統的滾筒式采煤機體現出顯著的技術進步。

3.5.1.4 割煤速度：統計表明，割10架煤用時20分。

工作潛在能力推算：工作面61架，正常工況，2小時可割完1刀煤，4小時可割2刀煤。1305工作面傾斜長85m（幫-幫），采高5 m，采煤機截深1.2m，則1刀煤體積為：

煤體容重γ為1.42t/m3，一刀煤換成產量噸：85×1.2×5=510（m3）

考慮綜合回采率為93%，那么一刀可生產煤為：510×1.42=724.2（t）

那么，在工業試驗中采煤機可以達到的生產能力為：724.2×93%=673.5（t）

達到了采煤機設計生產能力為250 t/h的要求。

3.5.2 采煤機存在的問題和改進

3.5.2.1 切削煤體后存在前方煤壁不平整現象。

3.5.2.2 工作面裝煤不夠理想，清理底面效果不夠平整，影響移溜，這成為約束采煤機每班生產能力的瓶頸，故裝煤裝置有待改進。

4 一次采全高短壁采煤機的優化改進設計

針對一次采全高短壁采煤機及“割內放外”采煤工藝的工業性試驗中暴露的問題，為了更好的滿足中小型礦井實現高效生產，我公司對采煤機作了優化改進，將一次采全高短壁大采高采煤機通過永磁驅動采煤滾筒與掘進機式截割部的有機結合，成功實現對6m及以下厚煤層進行一次采全高。其中，下部永磁驅動采煤滾筒直徑1600mm，截深1200mm，通過變頻技術進行控制永磁電機驅動，主要負責截割下部煤體并完成裝煤，永磁電機的引入有助于降低能耗，實現綠色截割；上部掘進機式截割部的滾筒直徑500mm，截深1200mm，通過控制擺臂油缸（內擺2°，外擺13°）完成截深，通過常規電機驅動，主要負責截割中上部煤體。整體永磁驅動采煤滾筒與掘進機式截割部都安裝在一個可以在機組采區側進行滑動的滑板上，可以實現在機尾順槽直接進刀，在機頭割透，不留三角煤。

圖3 改進后的短壁大采高采煤機結構圖

改進后的采煤機解決了上一代采煤機清煤、裝煤效果差、底板切割不平整及切割效率低的缺陷問題，更能滿足中小型礦井高效、綠色開采。

5 結束語

采用“割內放外”工藝的一次采全高短壁工作面采煤機，具有機械化水平高、設備體積小、重量輕、功耗低、塊率大、用工少、適應性強、投入小、產出大、安全高效等突出優點，適合大中小型各類礦井的采煤需要，是一種先進的、綠色環保、科學合理的新型采煤機和新型開采方法，是中小型礦井最理想的采煤裝備和工藝，具有廣闊的市場前景和巨大的經濟效益和社會效益。

作者簡介：卞衛忠（1980-），男，助理工程師。2005年畢業于中北大學，現在山西晉城煤業金鼎煤機礦業有限責任公司工作。