掘进机截割头受力分析与掘进采煤方法实例分析

史俊鹏

（阳煤集团沙钢矿业投资有限公司， 山西 临汾 043500）

引言

巷道掘进是煤矿常用的一种综合采煤方法，巷道掘进的效率不仅取决于掘进机的自动化程度而且与各相关配套设备间生产工序的安排紧密相连[1-2]。

1 掘进机截割头受力分析

截割头是掘进机进行巷道掘进与割煤的主要执行部件，截割头上有众多截齿对周围的煤层进行切割。分析掘进采煤过程中截割头的受力是掘进机选型与后期优化的基础。掘进机截割头以角速度ω旋转的同时，还沿水平方向以速度v向前掘进，因此截割头的受力是复合力，在分析时不需要对所有截齿单独进行受力分析，只要分析他们的矢量和即为截割头的受力。在掘进机的截割过程中，以角速度ω旋转割煤，煤层对截割头相反的作用力为截割阻力F3；掘进机向前运动时，煤层对其有反作用力，为进给阻力F1；同时，为便于进给，截割头形状为近似三角形，所以还有煤层对其的侧向力F2。截割头所受力的示意图与力分解如图1所示。

图1 截割头所受力的示意图与力分解

2 巷道掘进设备及采煤工艺特点

作者根据多年的巷道掘进一线生产经验，通过查阅相关资料与现场调研可知，目前应用于我国的煤矿矿井巷道的掘进采煤的方法主要有以下四种方案[3]，具体如图2所示。

图2 巷道掘进设备方案图

从图2中可以看出，以上四种方案共用的设备是掘进机，掘进机是煤矿巷道掘进采煤作业过程中的最重要设备，其机械化、自动化程度决定了后续设备间衔接的流畅性，对掘进效率起决定性作用。

方案1主要由掘进机、转载机和皮带输送机组成。这种方案在我国煤矿巷道掘进中有着最为广泛的应用。该方案配套设备有悬臂式掘进机、转载机和皮带机。转载机搭接在掘进机与皮带机之间，掘进机截割头切割煤炭与岩石后通过转载机过渡，最终将物料卸在皮带输送机上使其运出巷道，具体流程如图3所示。

图3 采煤方案1示意图

该方案的主要优点：可实现煤炭岩石等物料的连续运输，减少物料的转运与停歇时间，能充分体现出掘进机的生产效率，各设备间的等待时间较短，且能够应用于长度较长的巷道工况；该方案的主要缺点为设备的投资较大，在独头巷道长度小于800 m时，其掘进工效不能得到有效的发挥，巷道长度越长，对其高效率掘进的作用越明显[4-5]。

3 实例分析

阳煤集团某矿矿井井田面积为120.252 5 km2，资源储量10.8亿t，以生产优质无烟煤为主。矿井采用主斜井、副立井联合开拓方式。采用大采高一次采全高采煤工艺，根据现有地质条件，掘进巷道的断面尺寸为4 500 mm×3 500 mm，运输巷道的长度为1 200 m。

参考实际工况进行搭接梭车，使各部衔接较为灵活，但不能实现连续掘进破煤与装卸载，且只适用于装卸地点与掘进点运输距离较短的场合，所以采用梭车的方案3不合适；方案4可以适用于断面较小，对空间要求较小的中小型矿井，主要是由于各设备间没有形成连续性生产，掘进机的使用率不高，对工时的浪费较为严重，导致掘进速度与效率不高。所以方案4也不合适[6]。

同时参考其巷道总长为1 200 m，远大于800 m，根据上述方案1的特点，方案1可以充分发挥其开采运输连续性的特性。因此巷道配套较为合理的方案为方案1，即掘进机+转载机+皮带机组合。将方案1应用于该矿掘进面巷道，经过长时间的生产作业，该方案适用性较好，掘进采煤效率高。

4 结语

煤矿巷道掘进采煤是一种常见的煤炭开采技术，截割头作为掘进机的主要部件，其受力分析对掘进机选型及优化有着重要意义。针对不同的地质条件选择不同的开采工艺可提高开采效率，同时也为其他不同地质条件的煤矿巷道掘进开采提供参考。