煤矿井下连续采煤机分体式浮动装载部的设计

宋明江

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

连续采煤机技术常用于地下煤炭开采，巷道掘进、房柱式开采等地下工程的准备都离不开这种连续切割设备。它具有采掘一体化、高效灵活、投资小、见效快等特点，与连续运输系统、梭车、行走支架、锚杆钻车、铲车等共同组成了短壁开采技术装备,不仅适用于主采区煤田开采、边角煤回收和“三下”煤层的开采，在煤巷快速掘进中也得到了大量运用。

在高产高效矿井的开采和煤巷掘进中，连续采煤机对长壁综采遗存的煤柱、不规则块段和残采区进行开采，提高资源回收率。在煤巷掘进中，其速度是传统掘进机的3～4倍，可使煤矿采掘比例严重失衡的矛盾得到根本改观，为大型和特大型矿井的开采创建新模式；同时，也为中小型煤矿的机械化改造和“三下”压煤的开采提供了技术途径和装备基础[1]。

如今，在高新技术的带动下，连续采煤机向薄煤层低矮型、厚煤层大采高两极发展，整机及元部件性能向大功率体积比、长工作周期、高可靠性及自动化控制、智能化控制乃至无人化方向迈进[2]。截割系统、装运系统和行走系统是连续采煤机最重要的结构系统。各系统的元部件性能及可靠性是整机性能的直接反映和有效保证[3]。笔者长期跟踪连续采煤机井下应用现场，对设备在使用过程中的现场问题和数据进行了大量收集和详细总结。现针对连续采煤机装载部存在的问题进行分析总结，并提出相应解决办法，以供业界人士共同交流探讨。

1 连续采煤机装载部存在的问题

连续采煤机主要有截割部、装载部、行走部、机架、运输部、除尘系统、液压系统、电气系统、水冷却喷雾系统9部分组成。连续采煤机实体样机如图1所示。

图1 连续采煤机实体样机

装载部主要由铲板体、装运电动机、装运减速器、耙爪组件、链轮组件组成,如图2所示。装载部安装在连续采煤机的前端,通过一对销轴铰接于主机架上。在铲板油缸的作用下，装载部铲板可绕销轴上下摆动，耙爪组件在装运电动机、装运减速器的共同作用下高速转动扒煤，实现煤炭等其他矿物的快速装载运输[4]。

1-铲板体;2-爬爪组件;3-装运减速器;4-装运电动机;5-链轮组件。

下面就连续采煤机装载部在现场使用过程中存在的问题做出总结：

1) 装载部铲板体积庞大，下井、运输极为不便。国内中小煤矿大多为立井提升，设备下井需要拆解后罐笼或用平板车运输下井。因井下巷道规格小、罐笼尺寸小，连续采煤机部件尺寸相对较大，装载部铲板同样体积庞大，所以部件在下井过程中频繁出现罐笼装不下、巷道通不过的问题，给设备的正常使用推广造成了极大的不便和障碍。

2) 装载部铲板宽度固定，机身侧浮煤难以清理。连续采煤机短壁机械化开采具有采掘合一、投资少、效益高、机动灵活等特点。可进行煤巷掘进，煤柱及不规则块段、“三下”压煤等资源的短壁开采，也可对露天煤矿边坡压煤资源进行端帮开采。常见工艺有井下单巷掘进、双巷掘进、多巷道掘进，以及井下房式回采、房柱式回采、旺格维利法回采等。连续采煤机施工巷道宽度一般在5.4～6.0 m，连续采煤机装载部铲板宽度固定，巷道浮煤清理不便，需反复调机至作业完成。

3) 装载部铲板油缸控制，巷道底板起伏适应性差。连续采煤机在巷道施工过程中，因操作水平差异导致拉底时将巷道底板切割成波浪状。设备向前推进时,装载部铲板铲尖部位会碰触突起岩体，严重时造成部件开裂损坏故障。如遇到凹陷底板，装载部铲板铲尖又不能及时贴合底板面，造成巷道浮煤不能有效清理。

2 连续采煤机装载部改进设计

笔者通过长期的现场调研和数据分析，针对连续采煤机装载部存在的问题进行了研究，并提出了相应的解决办法。

2.1 装载部铲板分体式设计

连续采煤机装载部铲板整体尺寸长2 800 mm，宽3 150 mm，高1 025 mm，该尺寸已经超出很多中小矿井的提升罐笼内部容积尺寸，给设备下井带来不便。改进设计时，对装载部铲板进行有效的结构分解，实施了铲板分体式设计,如图3所示。改进设计既保证了部件的功能性和强度，又保证了现场所需的要求尺寸，将装载部铲板最大不可拆解尺寸降至长2 500 mm，宽2 000 mm，高1 000 mm。通过有限元仿真分析手段，对装载部铲板进行了静强度分析计算,其应力应变云图如图4所示。

图3 连续采煤机装载部铲板分体式设计

2.2 装载部铲板扩展式设计

针对连续采煤机装载部铲板宽度固定，机身侧面撒煤、露煤，巷道浮煤清理不便等问题，在装载部铲板改进设计时研发了左、右伸缩铲板体。铲板收集物料时宽度范围直接增加600 mm，且在行走时可以完全收回原有宽度，不影响整机通过性[5]。

2.3 装载部铲板浮动式设计

目前国内外现有的连续采煤机装载部铲板仅具有铲煤、装煤功能。浮动控制技术可实现铲板的提升、下降、定位和沿巷道底板的浮动。它可以使铲板紧贴巷道底板行进，既不会遇浮煤抬起上翘，也不会铲进底板以下，进而达到良好的清理巷道浮煤效果，节省人工劳动，提高生产效率，节约成本[6]。

图4 装载部铲板最大受力下应力应变云图

通过有限元仿真分析手段，对装载部铲板进行了动力学仿真分析计算，确定了铲板举升油缸的受力，如图5所示。油缸在举升过程中装载部所施加力逐步增大，装载部局部结构反受力也在逐步增大。

图5 装载部铲板作用力加载时间历程曲线

铲板升降油缸控制铲板的提升、下降、固定和沿巷道底板的浮动。铲板浮动可使铲板不会铲进底板轮廓线内，实现沿巷道底板漂浮。铲板运动由两个单作用的液压油缸控制，下降靠自身重力；回路中装有蓄能器便于实现浮动功能；平衡阀为铲板升降油缸提供备压，以便控制铲板的下降速度,铲板的浮动控制原理如图6所示[7]。

1-铲板举升油缸;2-蓄能器;3-安全阀;4-多路阀;5-背压阀。

3 结语

分体式浮动装载部自研制成功以来，部件推广应用至连续采煤机、掘锚一体机、掘进机等多种煤矿井下采掘装备。国家能源神东煤炭公司、乌海能源公司、榆神能源公司、陕北矿业集团、内蒙古伊泰集团、蒙泰集团等多家国有大型煤炭生产企业成为该项技术的应用客户。该项技术应用效果显著，提高了设备下井运输的适应性，对中小矿井、老旧矿井的入井条件要求降低；设备掘采作业工艺性好，能够高质量完成巷道掘进作业，对矿井标准化建设具有积极的推动作用；设备维护操作性强，提高了设备维护的便捷性，降低了维护操作的难度，减轻了工人的劳动强度。