掘進機截割頭受力分析與掘進采煤方法實例分析

史俊鵬

（陽煤集團沙鋼礦業投資有限公司， 山西 臨汾 043500）

引言

巷道掘進是煤礦常用的一種綜合采煤方法，巷道掘進的效率不僅取決于掘進機的自動化程度而且與各相關配套設備間生產工序的安排緊密相連[1-2]。

1 掘進機截割頭受力分析

截割頭是掘進機進行巷道掘進與割煤的主要執行部件，截割頭上有眾多截齒對周圍的煤層進行切割。分析掘進采煤過程中截割頭的受力是掘進機選型與后期優化的基礎。掘進機截割頭以角速度ω旋轉的同時，還沿水平方向以速度v向前掘進，因此截割頭的受力是復合力，在分析時不需要對所有截齒單獨進行受力分析，只要分析他們的矢量和即為截割頭的受力。在掘進機的截割過程中，以角速度ω旋轉割煤，煤層對截割頭相反的作用力為截割阻力F3；掘進機向前運動時，煤層對其有反作用力，為進給阻力F1；同時，為便于進給，截割頭形狀為近似三角形，所以還有煤層對其的側向力F2。截割頭所受力的示意圖與力分解如圖1所示。

圖1 截割頭所受力的示意圖與力分解

2 巷道掘進設備及采煤工藝特點

作者根據多年的巷道掘進一線生產經驗，通過查閱相關資料與現場調研可知，目前應用于我國的煤礦礦井巷道的掘進采煤的方法主要有以下四種方案[3]，具體如圖2所示。

圖2 巷道掘進設備方案圖

從圖2中可以看出，以上四種方案共用的設備是掘進機，掘進機是煤礦巷道掘進采煤作業過程中的最重要設備，其機械化、自動化程度決定了后續設備間銜接的流暢性，對掘進效率起決定性作用。

方案1主要由掘進機、轉載機和皮帶輸送機組成。這種方案在我國煤礦巷道掘進中有著最為廣泛的應用。該方案配套設備有懸臂式掘進機、轉載機和皮帶機。轉載機搭接在掘進機與皮帶機之間，掘進機截割頭切割煤炭與巖石后通過轉載機過渡，最終將物料卸在皮帶輸送機上使其運出巷道，具體流程如圖3所示。

圖3 采煤方案1示意圖

該方案的主要優點：可實現煤炭巖石等物料的連續運輸，減少物料的轉運與停歇時間，能充分體現出掘進機的生產效率，各設備間的等待時間較短，且能夠應用于長度較長的巷道工況；該方案的主要缺點為設備的投資較大，在獨頭巷道長度小于800 m時，其掘進工效不能得到有效的發揮，巷道長度越長，對其高效率掘進的作用越明顯[4-5]。

3 實例分析

陽煤集團某礦礦井井田面積為120.252 5 km2，資源儲量10.8億t，以生產優質無煙煤為主。礦井采用主斜井、副立井聯合開拓方式。采用大采高一次采全高采煤工藝，根據現有地質條件，掘進巷道的斷面尺寸為4 500 mm×3 500 mm，運輸巷道的長度為1 200 m。

參考實際工況進行搭接梭車，使各部銜接較為靈活，但不能實現連續掘進破煤與裝卸載，且只適用于裝卸地點與掘進點運輸距離較短的場合，所以采用梭車的方案3不合適；方案4可以適用于斷面較小，對空間要求較小的中小型礦井，主要是由于各設備間沒有形成連續性生產，掘進機的使用率不高，對工時的浪費較為嚴重，導致掘進速度與效率不高。所以方案4也不合適[6]。

同時參考其巷道總長為1 200 m，遠大于800 m，根據上述方案1的特點，方案1可以充分發揮其開采運輸連續性的特性。因此巷道配套較為合理的方案為方案1，即掘進機+轉載機+皮帶機組合。將方案1應用于該礦掘進面巷道，經過長時間的生產作業，該方案適用性較好，掘進采煤效率高。

4 結語

煤礦巷道掘進采煤是一種常見的煤炭開采技術，截割頭作為掘進機的主要部件，其受力分析對掘進機選型及優化有著重要意義。針對不同的地質條件選擇不同的開采工藝可提高開采效率，同時也為其他不同地質條件的煤礦巷道掘進開采提供參考。