大倾角煤层综放俯斜开采采煤机工作状态分析与改进.doc

大倾角煤层综放俯斜开采采煤机工作状态分析与改进李化敏赵铁张义顺李志刚董新照张天顺范德衡方志彪摘要以理论分析、现场实测为基础，研究了大倾角煤层综放俯斜开采采煤机的受力及工作状态；提出了加高滑靴，调整摇臂摆动范围的采煤机防斜试验设计方案，并进行了现场试验与测试结果表明，该方案简单易行，便于安装更换，工作稳定可靠关键词大倾角煤层综放俯斜开采采煤机防斜中图法分类号TD823.96Analysis and Improvement on the Performance of Coal Cutter in Steep-seamFull Mechanized Sublevel Caving Bow Incline MiningLi HuaminZhao TieZhang Yishun(Dept.of Resourcs and materials Engineering, Jiaozuo Institute of Technology，Jiaozuo 454000)Li ZhigangDong XinzhaoZhang TianshunFan DehengFang Zhibiao(Zhengzhou Coal Inductrial Group Company)AbstractOn the basis of the theory analysis and site observation，the power and performance of coal-cutters in steep seam full mechanized sublevel caving bow incline mining have been studied. Some experimental plans on improving coal cutter incline by increasing slide shoe higher and adjusting rocker arm swing are put forward. Site test and observation have been performed. It has proved that the experimental plans are simple, and convenient to change. It is also stable and reliable when operating.Keywordssteep coal seam; full mechanized sublevel caving bow incline mining; improving coal cutter incline0引言郑州煤业集团主采的二1煤为倾角524的三软煤层，采用综放俯斜开采时拉架阻力小，一般情况下无需降架即可顺利实现支架前移；由于煤壁和顶煤沿倾斜方向的分力，使煤层受压力作用，可有效的抑制煤壁片帮和架前冒顶现象；综放俯斜开采，顶煤重力沿倾斜方向的分力还可使顶煤紧跟支架，放煤效果好，顶煤回收率高但当煤层倾角大于10以后，却给采煤机的正常工作带来了一系列问题采煤机在自身重力作用下，重心偏向滚筒一侧，机身压向煤墙，采煤机滚筒与煤壁摩擦力显著增加，采煤机负荷加重，工作不稳定，甚至出现“噎死”采煤机现象；传动机构在采空区侧润滑效果变差；采煤机螺旋滚筒叶片升角相对减小，滚筒内循环煤增多，装煤效果变差；采煤机事故增多如何充分利用俯斜开采的优势，克服由此带来的不利影响已成为综放俯斜开采制约生产的主要技术问题1采煤机受力及工作状态分析煤层倾角的增大导致了采煤机工作过程中的一系列问题，原因是随煤层倾角增大机身倾斜度增加，机身重心偏向煤壁侧，使采煤机对煤壁的正压力、摩擦力增加，并导致采煤机横向稳定性变差1.1采煤机对煤壁的正压力、摩擦力与工作面俯角的关系采煤机对煤壁的正压力、摩擦力与工作面俯角的关系用下式表示为Nz=Wsin(-10)Nm=Nz式中：Nz采煤机对煤壁的正压力，kN；W采煤机重量，kN；工作面俯角，()；Nm采煤机滚筒与煤壁之间的摩擦力，kN；采煤机滚筒与煤壁之间的摩擦系数以MLS3E-170采煤机为例计算出Nz和Nm值(见表1)表1采煤机对煤壁的正压力、摩擦力与工作面俯角的关系Tab.1Main press and frictional force of coal cutter to coal wall vs coal face an gle of depression工作面俯角/()正压力Nz/kN摩擦力Nm/kN12831314165162492537183305020412622249374由表1可知，随着煤层倾角的增大，采煤机对煤壁的正压力和摩擦力呈非线性急剧增加，从而导致了采煤机牵引工作阻力的剧增1.2采煤机横向受力分析为定量研究采煤机的横向稳定状况，对采煤机横向受力作如下分析：以MLS3E170采煤机为例，可将采煤机简化(见图1)图1采煤机受力示意Fig.1Sketch of stressing of coal cutter设W1为两滚筒的重量，W2为两摇臂的重量，W3为机身重量，L1为滚筒重心与机身重心作用点之间的距离，L2为摇臂重心与机身重心作用点之间的距离，L3为机身重心与合力作用点之间的距离采煤机在水平状态下工作时，其采煤机合力作用点距机身重心的距离根据静力平衡原理有W3L3=W1(L1-L3)+W2(L2-L3)L3=(L1W1+L2W2)(W1+W2+W3)采煤机重心与煤墙侧溜槽帮的距离XX=(B/2)-L3式中：B溜槽宽度，mm根据MLS3E170采煤机及工作面运输机实际参数计算得出L3为193mm， X为182mm，即在水平状态下，合力W作用点的位置距煤壁侧帮为182mm由采煤机结构可以看出，采煤机重心点0沿垂直方向距滑靴底部高度为840mm，采煤机两滑靴之间距离为750mm，根据几何关系可以得出煤层倾角多大时，采煤机重心即偏离溜槽煤壁侧支点因为tan=X/h=182/1060=0.1717所以=arctan(X/h)=10由计算看出，煤层倾角=10，为采煤机重心在内侧支点的临界角，也就是说，当煤层倾角小于10时，采煤机重心在工作面运输机两槽帮之间，采煤机在010之间工作时，采煤机的全部重量将完全由工作面运输机的两支点承担，不产生向煤壁倾斜的力然而当煤层倾角大于10时，采煤机重心偏至煤壁侧支点以外，此时，采煤机向煤壁侧倾斜，机身压向煤壁因此，要降低滚筒对煤壁的压力，必须减小采煤机机身的倾斜角度，内移重力作用点的位置2试验设计方案2.1方案设计根据采煤机两滑靴之间的距离计算采煤机机身倾斜每减小1需增加的机腿高度Vh13.110mm增加机腿高度有两种方案：方案1将采煤机煤墙侧机腿改为可调高油缸，调高范围50100mm，减少机身倾斜37.63方案2将采煤机靠煤墙侧的滑靴加高，以滑靴高度补偿机身的倾斜角度方案2采用直接增加滑靴高度的方法，结构简单，无需增加任何辅助设施，容易实现，滑靴更换方便，不影响工作面正常生产，故采用方案22.2参数设计滑靴加高方案中最主要的技术参数是增加高度高度增加过小，起不到应有的作用，增加过大，一方面受机身与电缆槽之间间隙(158mm)的限制，另一方面采煤机的卧底量将减小，故滑靴增加的高度应有一合理的范围，保证采煤机机身上端与电缆槽不接触，并保证有一定的卧底量计算(1)机身可调的最大角度：max=arctan(h/l)式中：max机身可调的最大角度，()；h与电缆槽对应的机身高度，500mm；l机身与电缆槽之间的间距，158mm根据机身与电缆槽之间的间距计算，机身可调的最大角度max为17.54机腿可增调的最大高度hmax：hmax=maxVh1=13.117.54=230mm式中：Vh1采煤机机身每调节1机腿增加的高度，mm.(2)根据采煤机的最大卧底量1，机腿加高前的最大卧底量K0=A-C/2-Lsin-D/2式中：A机面高度，MLS3E170为1290mm；C电动机高度，460mm；L摇臂长度，1109mm；D滚筒直径，1600mm；摇臂向下的最大摆角，17计算可得K0为64mm滑靴加高值与调节角度以及滚筒抬高量三者的关系见图2图2加高值h、调节角与抬高量H三者关系Tab.2Increasing height and adjust anglevs quality to lift表2调节角度与抬高量H关系计算Tab.2Adjust angle vs quality to lift调节角/()加高值h/mm抬高量H/mm机身端抬高量H/m21620740031714181.435127812158302239101302522008104202160678.4152120452.310180.2注：h=756sin，H=1450sin，H=1150sin，H为靠近机身端滚筒抬高量 由表2和图2可以看出，加高后的最大卧底量等于K0+H，即加高h使采煤机卧底量减小甚至出现正台阶解决办法是调整采煤机摇臂套扇形突缘定位(空心锁)孔由MLS3E-170采煤机摇臂结构可知，采煤机在出厂时扇形突缘定位有两种状态，即分别对应滚筒直径D=1350mm和滚筒直径摇臂摆动范围，当D=1600mm时对应=+65-17，D=1350mm对应=+52-30，目前采煤机采用的滚筒直径D=1600mm，为增加卧底量可调整扇形突缘定位孔即使用D=1600mm滚筒，用摇臂摆动范围处在+52-30的定位孔此时增加的卧底量(计算简图如图3所示)可由下式计算：h1=1190sin(-17)=-348mmh2=1190sin(-30)=-595mm图3卧底量计算Fig.3Diagram of count of lying bottomh=h2-h1=-247mm调整后机腿加高前采煤机的最大卧底量：k=h+k0=-247-64=-311mm采煤机机腿调高后的实际最大卧底量K应为：K=K+H3试验结果试验在王庄矿57011工作面进行，工作面煤层倾角一般在1618，选用滚筒直径1600mm，加高滑靴104mm，调斜8，调节滚筒摇臂处在+52-25，最大卧底量219mm其试验结果如下：(1)采煤机牵引力阻力减小及牵引速度提高实施试验方案后，采煤机机身俯角随之减小，负载减轻，启动时采煤机无需空转开机窝再进行割煤，节省了启动开退机窝的时间；牵引负荷明显降低，牵引速度提高试验前牵引部压力表读数在13MPa左右，实施试验方案之后牵引部压力表读数降至10MPa以下牵引速度平均提高了1.0m/min以上(2)采煤机装煤效果改进后采煤机滚筒螺旋升角相对增大，装煤效果明显改善此前，采煤机后滚筒遗留浮煤较多，需专人清煤后方可推溜改进后基本无浮煤，不需人工清理即可直接推溜，工时利用率大大提高，每班平均减少生产准备时间1?h以上，减少了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，降低了生产成本(3)改进后采煤机故障率降低，维修率提高，可靠性得到改善改进前根据对57021工作面统计，采煤机平均无故障工作时间为32.2min，平均故障停机时间(维修时间)为16min，故障率和维修率分别为=0.0311(1/min)、=0.0625(1/min)；采煤机的可用度A=/(+)=0.67改进后根据对57011工作面1997年12月25日统计，采煤机平均无故障工作时间为105min，平均故障时间(维修时间)为8.6min，故障率和维修率分别为=0.00952(1/min)、=0.116(1/min)；采煤机的可用度A=/(+)=0.92改进后采煤机的可用度提高0.25(比改进前提高了37.3%)同时，运输机、液压支架的可靠性都得到了不同程度的改善，从而使工作面生产系统可靠性也得到了较大提高4结论(1)大倾角综放俯斜开采当煤层倾角大于10以后，采煤机出现的机身压向煤墙、采煤机负荷加重、工作不稳定等一系列问题，其原因主要是采煤机身重心作用点偏至运输机煤墙侧槽帮以外所致(2)试验结果表明，直接加高滑靴的方法思路正确，简单易行，便于安装更换，工作稳