履帶式無線遙控采煤機在急傾斜煤層采煤工作面的研究與應用

茹新華，劉順娟

(臨礦集團株柏煤礦，山東 臨沂 276112）

1 研究意義

隨著煤炭開采人工成本的不斷增加，炮采工藝已經滿足不了礦井的根本需求。實現機械化采煤，消除炮采造成的不安全因素，有效減輕工人的勞動強度已勢在必行。采用大傾角采煤機采煤工藝代替炮采，降低了工人的勞動強度和人工成本，提高了工作面安全系數，改善了井下作業環境。大傾角采煤機替代炮采工藝在勞動強度、經濟效益、安全方面都很有必要。

2 采煤機的選型理論依據

（1）該采煤機在外形尺寸、破煤工藝、控制方式等方面充分考慮現場條件，并經多次工作面模擬配套試驗，確保采煤機在與采煤工作面現場的適用性。

（2）采煤機主要由履帶行走機構、破煤裝置、液壓系統、電氣系統等部分組成。履帶行走機構由行走馬達驅動，同時，帶動破煤裝置行走，配合液壓牽引絞車，可在25°左右的坡度正常作業。破煤裝置通過大扭矩液壓馬達驅動，破煤能力強，最大采深500mm，最大轉角180°。液壓系統采用負載傳感變量系統，根據負載情況自動調節流量，工作平穩無沖擊，性能可靠。電氣控制系統主要由隔爆型電控箱、裝煤機用遙控發送器、礦用低濃度甲烷傳感器、礦用隔爆型LED 機車燈等設備組成。采用無線遙控控制，保證操作者操作時的人身安全，并極大地減輕了工人的勞動強度。

3 研究主要過程

（1）合理選擇柔性掩護支架結構。掩護支架結構形式的合理選擇是保證柔性掩護支架采煤法應用成功的先決條件。合理地選擇支架結構形式應滿足加工制造簡單，便于運輸，安裝、拆卸方便，易于控制下方，有足夠的強度和支架下有合適的安全操作空間等要求。根據株柏煤礦多年的開采實踐應用經驗，當煤層角度小65°時，應選用“八”字形掩護支架?！鞍恕弊中窝谧o支架具有以下優點。

①由于增加了支架下方的空間，使得工作面在爆破后的排煙時間縮短，從而增加了工作時間。②不易造成支架壓人事故。③不易竄矸。

④穩定性好，不易翻轉，便于控制下放，不易切入煤層底板。

（2）此次研究的創新點。

①煤礦用履帶式大傾角采煤機械采用電動全液壓驅動，通過無線遙控系統實現對整機的進行控制。

②大傾角采煤機械主要由履帶行走機構、破煤裝置、液壓系統、電氣系統等部分組成。履帶行走機構由行走馬達驅動，同時，帶動破煤裝置行走，配合液壓牽引絞車，可在30°左右的坡度正常作業。

③破煤裝置通過大扭矩液壓馬達驅動，破煤能力強，最大采深500mm，最大轉角180°。

④液壓系統采用負載傳感變量系統，根據負載情況自動調節流量，工作平穩無沖擊，性能可靠。

⑤電氣控制系統主要由隔爆型電控箱、無線遙控發送器、礦用低濃度甲烷傳感器、礦用隔爆型LED 機車燈等設備組成。采用無線遙控控制，最大限度保證操作者操作時的人身安全，并極大地減輕了工人的勞動強度。

（3）相較于原生產工藝流程的先進性。機采代替炮采是技術發展趨勢，同時，株柏煤礦實現急傾斜、復雜地質條件下的機械化采煤，將使株柏煤礦引領國內急傾斜煤層機械化開采技術。

①炮采工藝：爆破落煤，人工裝煤。工藝流程：打眼→煤層注水→裝藥→爆破落煤（灑水降塵）→人工裝煤（灑水降塵、支臨時支柱、鋪設搪瓷溜子）→移架（柔性掩護支架）→下一循環。

②機采工藝：采煤機落煤，人工裝煤。工藝流程：采煤機破煤→人工裝煤（灑水降塵、支臨時支柱、鋪設搪瓷溜子）→移架（柔性掩護支架）→下一循環。

③工藝改進后的優缺點綜合比較。炮采工藝：人工打眼，放炮落煤，勞動強度高，效率低下，存在安全隱患。機采工藝：無須打眼放炮，采煤機進入工作面內作業，操作人員在安全位置無線遙控采煤機破煤，破煤效率高，改善作業環境，降低了動強度，減少安全隱患。

4 柔性掩護支架受力分析

柔性掩護支架沿煤層偽傾斜工作面布置，其上方為采空區冒落矸石，下方為工作空間，前后方分別為煤層頂底板。由于頂底板無支護，在礦山壓力的作用下，采空區頂底板巖石冒落在掩護支架上。由于掩護支架的寬度小煤層厚度，支架不支撐煤層頂底板，因此，不受頂底板壓力的直接作用。自掩護支架安裝、下放到拆除，其上方冒落矸石的作用大體可以分為以下3個階段。

（1）在掩護支架工作面上平巷安裝支架階段，支架處于靜止狀態，當放頂并構成巖石墊層時，支架所受矸石壓力逐漸增大。開始時，支架所受矸石壓力隨冒落矸石重量的增加較快增大，當增大到一定值后，隨著冒落矸石增加，支架所受矸石壓力的增加減緩，并趨于穩定。

（2）在支架下放過程中，支架上方矸石壓力急劇下降，是支架下放前的40%～50%，而且支架緩慢下放時的壓力又比快速下放時小。其原因在于，掩護支架在下放過程中，緊貼支架的那部分巖石的下落與支架下放同步，上部巖石則由于巖石之間的摩擦力以及頂底板對其作用力的影響而滯后下落，所以支架上部巖石堆積密度降低，作用在支架上的壓力也降低。

（3）掩護支架下放結束在下平巷拆除階段，支架再次處于靜止狀態，初期壓力增加很快，以后逐漸處于穩定，其最大壓力小于支架安裝階段回柱放頂時的最大壓力，這是由于在掩護支架停止下放后，其上方矸石又重新密集起來，堆積矸石密度的增加引起支架所受壓力的增大。

5 鋼絲繩受力狀況與支護要求

在掩護支架工作面，鋼絲繩只是作為聯結鋼梁的一個柔性構件，一般情況下，支架后方碎矸石的重量是由鋼梁承受，并通過支撐點傳遞給兩側的煤壁支座，如每根支架均支撐在兩側煤壁上，則鋼絲繩基本不受力。故在工作面的上下水平段，鋼絲繩可能處于松弛狀態，但當支架轉入偽傾斜工作面中以后，就可能由于工作面傾角不一致，或由于局部地段兩側煤壁支座被破壞，而使該段支架出現懸空現象。此時. 這一段支架的鋼絲繩處于撓曲狀態，支架自重和上方荷重將完全由鋼絲繩來承擔。但由于偽傾斜工作面中，除了兩側有煤壁支座支托鋼梁外，地溝中每隔2～2.5m 還有單體液壓支柱在鋼梁下臨時支托鋼梁，故鋼絲繩不可能出現長距離懸垂的撓曲狀態。另外，由于支架下一般都是3 根以上鋼絲繩共同托住鋼梁，故每根鋼絲繩一般不會受到很大的拉力。根據多年來的實踐經驗，一般選用φ28 ～φ32mm 鋼絲繩即可，而且除已銹蝕或斷絲嚴重外，鋼絲繩還可復用。

綜上所述，在生產中必須經常注意保持工作面平直和兩側煤壁完整，或在溜子道中支設控制點柱，并嚴格掌握好點柱的方位和支設質量，以確保鋼絲繩常處于不承受拉力的良好狀態。

6 研究成果

單體柔性掩護支架采煤法工作面幾何參數確定和相關巷道的優化布置，將煤炭的回采率提高到98%以上，降低了噸煤掘進率，千噸煤掘進率為110m。運用相關力學理論對支架進行受力分析，確定了支架的“八”字型結構和基本參數，便于支架的安設和工作面正常推進過程中的支架行走，提高了工作面的工作效率，減輕了工人的勞動強度。深入研究了工作面內皺架、竄矸及煤層自燃對生產能力的制約，并提出運用超前釬棍、工作面下行通風等防治措施，為工作面的高效開采提供了保障。

7 結語

單體柔性掩護支架采煤法工作面幾何參數確定和相關巷道的優化布置，確定了正規循環作業和循環產量的計算及相關參數的計算。運用相關力學理論對支架進行受力分析，確定了支架的結構和基本參數?，F場實際和理論相結合，深入研究了工作面內皺架、竄矸及煤層自燃對生產能力的制約，并提出運用了針對性的防治措施，此方法的研究與應用內對相同條件的礦井有很大的借鑒價值。