贠东风，任奉天，伍永平，雷 奇，谷 斌

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

基础研究

大倾角综采面采煤机装煤效果分析

贠东风1,2，任奉天1，伍永平1,2，雷 奇1，谷 斌1

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

装煤为综采工作面五道工序之一，装煤效果直接决定刮板输送机的推移量和综采面生产效率。大倾角煤层走向长壁综采生产实践表明，随着工作面倾角的增大，装煤效果急剧变差。基于滚筒装煤原理和工作面倾角，分析了影响大倾角煤层走向长壁综采工作面采煤机装煤效果的主要因素。指出在未采用弧形挡煤板时,采煤机下行割煤的滚筒装煤效果远比上行割煤要好。而加装弧形挡煤板后，上、下行割煤均可获得最佳装煤效果。建议采取加装弧形挡煤板、优化滚筒参数和降低溜槽高度措施改善大倾角煤层走向长壁工作面采煤机装煤效果。

大倾角煤层；综采工作面；装煤；弧形挡煤板

煤炭作为我国的主要能源，对我国经济发展具有不可替代性[1]。随着开采强度的加大，赋存条件较好的煤层逐渐开采殆尽，大倾角煤层开采愈加受到国内学者和业内人士的关注。大倾角煤层储量约占我国煤炭探明储量的20%和产量的10%，且半数以上为优质焦煤和无烟煤[2-3]。自20世纪80年代我国着手研究大倾角煤层综合机械化开采技术(简称大倾角综采,下同)以来，先后在辽宁沈阳、安徽淮南、河北开滦、新疆乌鲁木齐等矿区进行过试验。1998年四川华蓥山矿务局与西安科技大学合作的绿水洞煤矿大倾角中厚煤层走向长壁综采技术研究攻关项目的成功，为我国大倾角综采经验积累和理论完善奠定了基础[4]。近十多年来我国大倾角煤层安全高效长壁综采技术有了长足的发展。

现场生产实践表明，大倾角煤层长壁综采面采煤机装煤效果远不如缓倾斜煤层，而且工作面倾角越大，装煤效果越差。显然，改善采煤机装煤效果可减少浮煤，有利于将刮板输送机推到位并提高工作面产量。而针对如何改善装煤效果这一问题，近年来许多专家学者从不同角度进行了研究，例如通过建立滚筒螺旋叶片参数与滚筒装煤能力间的数学模型，得到最佳滚筒结构和运动参数[5]；从筒毂形状入手，设计锥形筒毂以充分利用煤层的压张效应，锥形筒毂附加轴向力还可加快煤流的输送速度[6]；在分析块煤在螺旋叶片上运动状态的前提下，通过建立数学模型以获得采煤机滚筒参数最优区间，另外运用PSO-GACA算法使得滚筒和摇臂结构参数得以优化[7]。总体来看，大部分研究侧重于装煤机理、滚筒参数、摇臂结构等方面。而遗憾的是尚未检索到专门针对大倾角煤层长壁综采面采煤机装煤效果差及其如何改善的研究文献，与大倾角工作面支架防倒防滑、采煤机牵引制动、刮板输送机销排及其支承座的强化等方面的研究与试验所取得的卓有成效结果形成鲜明对照的是，采煤机装煤效果差一直未引起足够重视。

1 大倾角综采面装煤特点

目前大倾角工作面基本上沿用近水平煤层采煤机，只是为适应工作面倾角增大，采煤机增大了牵引力和提高了行走轮强度，采用可靠制动系统以及改善润滑效果，以保证采煤机能在大倾角工作面安全运行[8-9]。由于两滚筒螺旋叶片分别为左右螺旋，为保证螺旋叶片向刮板输送机装煤，螺旋叶片的旋向应与滚筒转向相适应[10-11]，所以两滚筒旋向相反(左螺旋叶片滚筒逆时针旋转，而右螺旋叶片滚筒顺时针旋转)。前后滚筒装煤方式可参照螺旋输送器。就装煤而言，滚筒对煤的作用机理为螺旋叶片将滚筒截齿割落的煤通过抛射和推挤2种方式装入刮板输送机[12]。

采煤机在近水平及缓倾斜煤层中割煤时，前滚筒割落的煤块相对于煤层底板有一定的初始高度，并且沿滚筒切向和轴向有一定的初速度分量，故在下落过程中煤块沿滚筒轴向的推送距离相对较远[13]。即使不装弧形挡煤板，大部分割落的煤块也能通过螺旋叶片推送或甩到刮板输送机内，剩余部分通过滚筒螺旋叶片带动最终被甩到滚筒后下方煤壁与溜槽之间底板上形成浮煤，待后滚筒割煤时再被装入刮板输送机。

后滚筒割煤时，由于自身割煤高度较低，摇臂下的过煤空间较小(采用弯摇臂有所改善但仍显不够)，再加上铲煤板附近遗留浮煤对这部分被装煤块的阻碍，仅有部分破碎煤块和前滚筒遗留浮煤被推入刮板输送机，相当数量的煤被抛撒到滚筒后方底板上再次形成浮煤。割落煤块的运行轨迹主要受螺旋叶片向后抛射的影响，抛射距离与滚筒的转速和直径成正比。

采煤机单向割煤时，反向清浮煤。浮煤受到滚筒螺旋叶片的轴向推力和法向甩力，尤其是高于刮板输送机的浮煤，在螺旋叶片的作用下也能装入刮板输送机槽内。而低于槽帮的浮煤主要靠推移刮板输送机时铲煤板将其铲入刮板输送机槽内。

由于缓倾斜煤层综采工作面采煤机截割下的煤抛射相对较近，加上弧形挡煤板在实际使用中的翻转不畅和大块矸石别卡等原因，国内几乎所有煤矿在订购采煤机时均舍弃了弧形挡煤板。

但国外的近水平煤层超长综采面仍然采用弧形挡煤板配合滚筒装煤，以实现良好的装煤效果且能及时推溜到位并双向割煤。例如，位于美国西弗吉尼亚州的美国穆林(Mureey)能源公司马里昂(Marion)煤矿，长约427m的近水平煤层综采工作面，采用德国DBT采煤机牵引速度快且滚筒转速高，采煤机仍装有弧形挡煤板，装煤效果很好(据本文第一作者于2016年暑期赴美参加国际采矿岩层控制会议并考察马里昂煤矿的出访报告)，为推移输送机到位和双向割煤创造了有利条件，实现了工作面的快速推进。

在大倾角综采工作面，随着煤层倾角增大，落煤在自身重力和滚筒旋转的综合作用下向采煤机后下方采空区侧抛射，尤其在不使用弧形挡煤板时，落煤很难及时装入刮板输送机。在抛射过程中，块煤率下降，浮煤向下端头方向堆积，工作面粉尘量也大大增加。

究竟在大倾角综采工作面，采煤机有无必要采用弧形挡煤板配合滚筒螺旋叶片装煤一直存在激烈争议。赞成者(也包括本文作者)认为弧形挡煤板能阻挡煤炭抛射，达到良好的装煤效果，且可为双向割煤创造条件并消除刮板输送机头人工清理大量浮煤所带来的重体力劳动和安全隐患。反对者则认为弧形挡煤板依然存在翻转不畅甚至卡死的老问题，且难以有效发挥装煤作用。

“王家山煤矿大倾角综放技术研究”系西安科技大学与靖远煤业集团合作的难采煤层科技攻关项目。“三机”选型配套为该项目的重点研究内容之一。在进行“三机”选型配套方案论证时，就针对采煤机是否加装弧形挡煤板的问题，课题组和采煤机厂家曾有过激烈的争论。出于安全和改善装煤效果考虑，课题组坚持加装机械控制、可360°翻转的弧形挡煤板。但厂家认为弧形挡煤板翻转不畅，采煤机几乎都不用而不愿加装。最终在靖远煤业集团协调下厂家作出让步并勉强同意加装。现场实践表明加装弧形挡煤板装煤效果良好，浮煤量极少且推溜顺畅。

应当说明，在工业性试验的44407工作面使用中遇到摇臂上端顶部加装的弧形挡煤板翻转齿轮马达外壳与支架顶梁干涉导致滚筒割顶高度降低(挑顶量不足)，加之弧形挡煤板翻转过程出现的别卡问题难以在现场及时处理，迫于无奈最终将弧形挡煤板拆除。这就必然造成大倾角综采工作面下部浮煤堆积，导致推溜距不足(如图1所示)，有效截深减小，采煤机滚筒与液压支架梁端发生干涉。必须再次强调，拆掉弧形挡煤板并非因其装煤效果不佳。

图1 下部堆煤导致推溜距不足

2 装煤效果及其分析

在大倾角综采工作面，采煤机割煤方式也是影响装煤效果的因素之一。由于工作面倾角增大，大倾角煤层采煤机割煤有了上行与下行之分，其装煤效果也出现了极大的差异。

2.1 上行割煤

上行割煤即从刮板输送机机头向机尾割煤。采煤机上行割煤时(上滚筒割顶煤，下滚筒割底煤)，如图2所示。上滚筒割落的部分顶煤由螺旋叶片带动，还未来得及向刮板输送机侧旋推就被甩向或者滑落到滚筒后下方，仅有少部分煤被滚筒旋推到刮板输送机。上滚筒割落的煤在下落过程中部分被装入刮板输送机，剩余的煤成为浮煤。到了下滚筒割底煤时，前方遗留的浮煤和部分底煤再一次被旋起。在未安装弧形挡煤板时，底板上的浮煤及割落的底煤被左螺旋逆时针旋转的下滚筒螺旋叶片旋起，至最高点后以初速度V0向下作抛物线运动[14]。

图2 上行割煤

与落煤抛射方向相反，采煤机以牵引速度Vj沿工作面倾斜上行。采煤机上行牵引速度Vj使被抛射的煤块落点上移。与近水平或缓倾斜综采工作面相比，大倾角综采工作面随着煤层倾角增大，落到底板上的点(触底点)不仅下移(如图3所示)而且落煤还要向下滑滚，这就导致机头处浮煤大量堆积。

图3 落煤运动分析

当采煤机牵引速度Vj为0m/s，即采煤机在原地装煤时，煤块会以初速度V0向下端头方向抛射。若忽略煤流中煤块的相互作用，底板上的煤块受叶片旋转作用被旋抛起到图3所示位置时，初速度V0可分解为沿煤壁平面的分量V01和沿滚筒轴向的分量V02。其中做圆周运动的初速度分量V01为

V01=λVt

(1)

式中，λ为底板浮煤被螺旋叶片旋起后与螺旋叶片的相对运动速度系数，λ∈[0,1]。未被旋起时，λ=0；被旋起且与螺旋叶片无相对运动时，λ=1。Vt为t时刻煤块在滚筒轮毂至螺旋叶片边沿间运动的线速度。

Vt=ωRt

(2)

式中，ω为滚筒转速，rad/s；Rt为t时刻煤块在螺旋叶片上做圆周运动的圆周半径，Rt∈[r,R]，(r为滚筒轮毂半径,m；R为滚筒半径，m)。

因此，滚筒旋转带动浮煤旋转的速度与滚筒转速、轮毂半径、螺旋叶片高度以及浮煤与滚筒的相对运动有关。当忽略浮煤与滚筒螺旋叶片之间的相对运动时，

V01max=ωR

(3)

V01min=ωr

(4)

由此可见，降低滚筒转速ω、减小螺旋叶片高度(也就是减小滚筒半径R)和轮毂直径(也就是减小轮毂半径r)有利于降低浮煤向下抛射的初速度。

下端头靠近煤壁输送机机头处三角煤主要靠下滚筒进行截割并装载。由于过渡槽高度相对标准槽升高，再加上重力和煤层倾角的影响，下滚筒在截割过程中会将落煤向下端头抛撒，最终造成下端头处大量浮煤堆积。尤其当大倾角综采工作面下段倾角变小(如绿水洞6134工作面下段倾角降为28°左右)或采用圆弧段布置(如王家山44407工作面)时，浮煤在机头处堆积量更大(如图4所示)。机头处集聚的大量浮煤即使靠采煤机反复多趟装载，未加装弧形挡煤板的滚筒也难以将机头处堆积的浮煤装净，刮板输送机头无法推移到位，必须人工清煤，劳动强度大，效率较低且存在工作面飞煤矸伤人的安全隐患[15]。

图4 工作面圆弧段机头处浮煤堆积

特别是煤遇水泥化(如窑街煤电公司长山子煤矿大倾角综放面的煤遇水严重泥化)后，与滚筒螺旋叶片粘结，减小了装煤有效容积，更为严重的是煤泥淤积在刮板输送机机头与煤壁之间，随着抛撒量增加，越积越多[16]，大量淤积浮煤直接导致刮板输送机机头不能推移到位，有时强顶硬推造成连杆与溜槽连接销被剪断，如图5所示。

图5 浮煤导致连接销被剪断

2.2 下行割煤

下行割煤即从机尾割向机头，如图6所示。割煤过程中采煤机牵引阻力大幅度减小，下滚筒割落的煤也会向刮板输送机与煤壁之间抛射，但抛射煤量相对上行割煤锐减，并且沿滚筒轴向距端面最远处的螺旋叶片会给其附近落煤一个阻止其自由下落的力，使得采煤机下滚筒割落的煤向上滚筒方向运动。靠近端面的落煤受到截割圆弧面的约束和螺旋叶片的作用，依靠滚筒旋推力，从滚筒附近滑落到刮板输送机或暂时滞留在滚筒下部。

图6 下行割煤

上滚筒割煤时，底煤高度相对下滚筒割的顶煤高度较低，部分割落的煤在截齿的作用下会朝下滚筒方向运动，最终堆到底板或者采煤机机身后。其余部分和下滚筒割落的煤受弧形煤壁约束无法直接向下端头抛射，会顺着刮板输送机一侧滑落或者在螺旋叶片旋推作用下装入刮板输送机。落煤向液压支架及人行道抛射的问题也得到了缓解。通过及时伸出前探梁并打开护帮板，能有效支护顶板，割通运输平巷下帮后，采煤机上行清煤，安全性好[17]。

据现场观察发现浮煤多分布在机身附近的底板上，在一定程度上减少了割落煤块的下滑，缓解了圆弧段处浮煤的堆积。因此，下行割煤对改善装煤效果极为有利。

综上所述，下行割煤煤块抛向采空区侧的数量、速度及范围都远小于上行割煤。而且下行割煤能耗较小且能防止因制动失灵导致的采煤机下冲。相比之下，下行割煤明显优于上行割煤。所以为了避免上行割煤的缺点，绿水洞煤矿6134工作面、靖远王家山煤矿44407工作面、东峡煤矿37220综放工作面均采用下行割煤，上行清浮煤的割煤方式[15,17-18]。目前几乎所有的大倾角煤层走向长壁综采综放面都采用这种自上而下的割煤方式。

需要特别指出的是，下行割煤进刀后反向上行割三角煤时，上行割煤的落煤抛撒、难以装入刮板输送机的问题会依然存在，加装弧形挡煤板是解决此问题的最佳选择。

3 提高滚筒采煤机装煤效果措施

3.1 加装弧形挡煤板

综上所述，弧形挡煤板作为采煤机滚筒螺旋叶片装煤的一种配套装置，对提高装煤效率至关重要，国外不但未淘汰反而在坚持使用。尤其在大倾角综采工作面,采煤机仍然沿用普通采煤机滚筒(并未针对大倾角综采工作面专门设计)，滚筒转速偏高，煤块滑滚和抛射将导致装煤效率锐减。如何将抛射滑落的煤炭限制在装煤范围是大倾角煤层采煤机提高装煤效率的关键。王家山煤矿44407大倾角特厚煤层综放面采煤机加装弧形挡煤板后获得了良好的装煤效果[19]。冀中能源股份有限公司葛泉矿1621工作面在采煤机滚筒安装挡煤板和适当调整采煤机割煤速度后，装煤效率可达80%以上[20]。

由此可见，弧形挡煤板对改善大倾角综采工作面装煤效果是必要的。当务之急应重点从设计制造方面集中攻关解决弧形挡煤板因别卡造成的翻转不畅的问题。

3.2 优化滚筒参数

合理的滚筒参数会直接改善装煤效果。在大倾角工作面，滚筒若能及时有效地把截落的煤装入刮板输送机里，抛撒滚落的煤量自然会减少。建议针对大倾角综采面坡度大的特点，设计制造并试验低转速、小直径专用滚筒。优化叶片高度、节距与叶片螺旋升角，并使采煤机牵引速度与滚筒转速相匹配，以期解决大倾角综采面上行割煤装煤效率低下的难题。

3.3 降低刮板输送机高度

在不影响刮板链强度和正常运行的前提下，可借鉴德国DBT公司的技术，将竖立的刮板链环的上半环设计为水平状，下半环保持不变，如图7所示，以降低刮板输送机槽帮高度，有利于装煤和铲煤板铲起浮煤，提高装煤效率。

图7 平顶形立环刮板链环

4 结 论

(1)随着煤层倾角增大，大倾角综采面采煤机装煤效果急剧变差，工作面下部浮煤堆积影响推溜，造成推溜距不足，严重时导致采煤机滚筒与支架梁端干涉。

(2)下行割煤采煤机牵引阻力相对较小，落煤向采空区抛撒较少，装煤效果和人员设备安全性较好，下行割煤优于上行割煤。

(3)通过恢复性地采用弧形挡煤板，降低刮板输送机高度、优化滚筒参数和使采煤机牵引速度与滚筒转速相匹配等综合措施，以期全面改善大倾角工作面装煤效果。

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[责任编辑：王兴库]

Analysis of Coal Loading Effect of Coal Cutter in Fully Mechanized Coal Mining Face with Dip Angle

YUN Dong-feng1,2，REN Feng-tian1，WU Yong-ping1,2，LEI Qi1，GU Bin1

(1.Energy School，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Key Laboratory of Education Ministry Western Mine Mining and Disasters Prevention and Control，Xi’an ，710054，China)

Coal loading process is one of five processes of fully mechanized coal mine face,scraper conveyor processing amount and fully mechanized working face production rate was determined by coal loading effect directly.The production practical of longwall mining along the strike with large angle coal seam showed that coal loading effect decreased obviously with working face incline angle increased.Based on roller coal loading principle and working face dip angle，then the main factors that influenced coal cutter loading effect of longwall mining along the strike with large angle coal seam were analyzed.Roller coal loading effect was more better with downward cutting method then upward without arch spillplate，when arch spillplate was applied，the optimal coal loading effect could arrived with all cutting method.it suggests that coal cutter loading effect of longwall mining along the strike with large dip angle coal seam could be improved under arch spillplate application and optimized roller parameters and decreased chute height.

coal seam with large dip angle ；fully mechanized coal mining face；coal loading；arch spillplate

2016-12-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.001

国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90210012);国家自然科学基金重点项目“大倾角煤层长壁工作面安全高效开采基础研究”(51634007)

贠东风(1962-)，男，陕西临潼人，教授，主要从事巷道支护、复杂煤层开采与系统复杂性方面的教学与科研。

贠东风，任奉天，伍永平，等.大倾角综采面采煤机装煤效果分析[J].煤矿开采，2017，22(3)：1-5.

TD823.93

A

1006-6225(2017)03-0001-05