综采工作面大块煤破碎装置的研制

梁宝英，王永清，杨海军，赵宇昊

(1.山西大同大学机电工程学院，山西 大同 037003；2.山西大同大学计算机与网络工程学院，山西 大同 037009；3.恒岳重工有限责任公司，山西 大同 037009)

随着开采技术的快速发展，采煤机的割煤厚度和采煤高度也在不断增加，高产高效化是当今煤炭生产发展的趋势，年产千万吨高产高效的矿井都是在厚煤层开采条件下实现的，然而在厚煤层开采工作面，随着采高不断增加，工作面的矿压逐渐显现，片帮大块煤垮落越来越频繁，而且块度也逐渐增大，严重时甚至会成片垮落，对于大采高工作面，大块煤主要在刮板输送机机头卸载处或转载机入口处容易刮卡而无法继续输送，造成煤流的严重堵塞，甚至被迫停机。对于放顶煤开采而言，由于放煤高度较大，更易形成大块煤冒落，并且后部输送机上的煤块粒度比前部输送机上的煤块粒度更大，从后部输送机机头卸载下的大块，经常卡在前后输送机间的溜槽，影响正常运输[1-3]。目前，破碎综采工作面大块煤方法主要是在输送设备停机后，采用人工爆破、风镐或抡铁锤对大块煤进行破碎，人工破碎不仅增大了工人的劳动强度，而且使生产效率大大降低，同时存在安全隐患，而且频繁的停机严重影响工作面的连续开采，不利于煤矿实现安全、高产高效的开采，因此，大块煤破碎问题是厚煤层工作面亟待解决的一大难题[4]。

为了解决厚煤层工作面大块煤堵塞输送机煤流问题，国内外诸多科研院所和企业研发了多种大块煤破碎装置，而液压冲击式破煤机构因其破煤能力强、对井下工作面特殊环境适应性好、操作方便等优点，逐渐成为发展趋势。文献[5]研发的乳化液行走破碎装置架设在中部槽上，液压马达驱动，可与采煤机同步行走，大块煤被破碎装置上的上位液压缸和下位液压缸挤碎。杨荣军等[6]研发的单辊破碎装置安装在转载机入口上方，带轮带动高速旋转的破碎锤头破碎经过下方的大块煤。王志刚[7]研制的液压冲击破碎防堵装置破碎装置与转载机连为一体，锤头上布有截齿，只需将支架液压泵站接入拍击破碎装置液压系统，通过操作手动换向阀，锤头上下拍击，对大块煤进行破碎。毕伟研等[8]研发了电直驱齿辊式连续破碎装置，设计了挡板内式、挡板外式两种配套方案，适应不同工况环境下成套设备的配套。郭和平等[9]设计了一种大块煤液压冲击破碎装置，该装置安装在转载机进煤口处，采用以工作面乳化液泵站为动力源的差动油缸液压系统，并利用一定数量镐型截齿的“人”字型破炭器，可实现向上386 mm、向下630 mm的破碎行程。这些研究促进了厚煤层工作面大块煤破碎技术的发展，但是目前的大块煤破碎技术还不够成熟，到目前为止，市场上还没有定型产品，因此为了实现厚煤层工作面连续开采，提出一种综采工作面大块煤破碎装置，该装置安装在综采工作面刮板输送机过渡溜槽挡煤板外采空侧推移板上或其他地方，操作简单，有效解决了工作面大块煤堵塞的问题，提高工作面的生产效率。

1 综采工作面大块煤的破碎装置的设计

1.1 大块煤破碎装置的设计原则

1) 应该能够满足主要的作业范围和工作尺寸要求，同时考虑到综采工作面的实际环境。

2) 力求破碎作业的工作部分构件少，结构简单，拆装方便。

3) 考虑到综采工作面工作环境的特殊性，此破碎装置工作和停放时应该有合理的姿势，工作稳定性要好。

4) 破碎工作时间尽可能短。

5) 在确定破碎装置的截面形状尺寸和结构方式时尽可能使受力状态有利，在保证刚度、强度条件下尽可能的减轻结构自重。

1.2 大块煤破碎装置的设计

1.2.1 大块煤破碎装置的组成

综采工作面大块煤破碎装置(图1)，主要由底座1、支撑辊2、回转平台3、平衡块4、液压马达5、回转轴6、支撑杆7、动臂8、垂直升降油缸9、伸缩油缸、伸缩臂10、角度调节油缸11、液压破碎锤12，以及液压控制系统组成。液压破碎锤的结构：支撑杆7一端固定在回转平台3上，另一端与动臂8铰接，伸缩臂10套装在动臂8中，伸缩臂10的另一端与液压破碎锤12铰接；垂直升降油缸9缸体通过销轴与回转平台3铰接，活塞杆与动臂8铰接，它控制液压破碎锤12高度的调整和对目标大块煤压实；伸缩油缸安装在动臂8中，缸体通过销轴与动臂8铰接，活塞杆与伸缩臂10连接；控制伸缩臂10的伸缩；角度调节液压缸11缸体与伸缩臂10铰接，其活塞杆与破碎锤12铰接，用来调整破碎锤12的工作角度；支撑杆7、动臂8、伸缩臂10、液压破碎锤12、伸缩油缸、垂直升降油缸9、角度调节油缸11构成破碎锤装置的工作机构，是大块煤破碎装置主要部分；液压马达3、回转轴6、回转平台3、平衡块4构成破碎装置的回转机构，用来实现工作机构的水平转动，以调整液压破碎锤12的工作位置；回转轴6一端与液压马达5相连，另一端固定在回转平台3上，液压马达5固定在底座1上，当液压马达5转动时，通过回转轴6带动回转平台3转动，从而带动工作机构一起转动；平衡块4固定在回转平台3上，用于平衡工作机构，以防回转平台3倾斜，支撑辊2固定在底座1上，用于支撑回转平台3。该破碎装置通过液压控制系统控制各油缸动作，可实现多自由度运动[10-13]。

1.2.2 液压系统的工作原理

大块煤破碎装置液压系统主要包括摆动液压马达5、垂直升降油缸9、伸缩油缸14、角度调节油缸11、液压破碎锤12、五片并联换向阀15、双向锁17、安全阀16等，摆动液压马达5、垂直升降油缸9、伸缩油缸14、角度调节油缸11均安装双向锁17，并连接到相应的手动换向阀，液压破碎锤12的进出液口与五片并联换向阀15中三位三通钢球定位手动换向阀相连，在液压破碎锤12液压回路上设置安全阀16，其液压系统原理图见图2[5,9]。

图1 大块煤破碎装置的结构图Fig.1 Structural sketch of hydraulic breaking device

图2 液压系统原理图Fig.2 Principle chart of hydraulic system

综采工作面大块煤破碎装置主要动力来自综采工作面的乳化液泵站，由各液压缸、液压马达驱动，液压马达、各油缸的动作主要由手动换向阀控制，实现大块煤破碎装置的多自由度运动。当工作面输送机机头某区域出现大块煤时，首先通过液压控制系统将垂直升降油缸升起，再操作马达的手动换向阀，液压马达动作，回转轴带动工作机构实现水平方向回转，然后操纵伸缩油缸动作，伸缩臂伸出，从而准确定位液压破碎锤的工作位置，操作角度调节油缸的手动换向阀，实现破碎锤工作角度的调整，操纵垂直升降油缸的手动换向阀，实现破碎锤高度方向的调整，从而压实大块煤，最后操纵液压破碎锤的换向阀，液压破碎锤动作即可破碎大块煤。为了防止液压破碎锤受力过大而爆缸，在相应油缸进液口上设置安全阀，压力过大时高压液溢流。大块煤破碎完成后，将伸缩臂缩回，再操作液压马达手动换向阀，马达反向摆动，将工作机构转到与煤壁平行合适位置，并高度降到最低，使其对采煤机、液压支架及煤流的正常运行均无影响。

2 现场应用

大块煤堵塞现象主要发生在工作面刮板输送机头附近卸载点和转载机入口处，堵塞原因主要由煤的粒度大小和刮板输送机及转载机的型号决定的，而大块煤的产生主要与煤层硬度、煤层厚度有关。

2.1 山西右玉某煤业综采工作面煤层地质条件

本装置2017年12月首次在山西右玉某煤业9201综采工作面进行工业性试验，工作面煤层平均厚度约11 m，属特厚煤层，平均采高3.0 m，顶煤8 m，每切两刀，放顶一次，走向长度970 m，工作面长度120 m；煤层结构复杂，煤层硬度等级3.0>f>1.50，属中硬煤层，煤层顶板较稳定，经常出现大块煤冒落，且后部输送机上的煤块粒度比前部输送机上的煤块粒度更大，大块煤经常卡在前后输送机间的溜槽，需要停机人工破碎，极大地影响了矿井的高效生产，同时存在安全隐患。

2.2 试验过程

1) 将破碎装置安设在工作面前、后输送机之间溜槽外侧，再将该装置的油管接好，开启乳化液泵站，给系统提供高压乳化液，操作手动换向阀，油缸正常运转。

2) 当前、后输送机溜槽产生大块煤拥堵时，分别操纵液压马达、垂直升降油缸、伸缩油缸，以及调节角度油缸换向阀，锁定目标并压实，再操纵液压破碎锤的换向阀将大块煤破碎。完成破碎后，操纵换向阀将活塞杆收回。

3) 当前、后输送机溜槽无大块煤，系统顺畅时，控制液压马达动作，将破碎装置工作机构收回，并将高度降至最低。

2.3 工业试验结果

经过一周的连续试验表明，该装置运转正常，操作简便，设备可靠性较好，对大块煤的破碎效果达到预期效果，基本上解决了由于大煤块造成的堵塞问题，大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作面设备开机率。在使用该装置前，每班割煤3刀，使用该装置后每班比原来多割煤1刀，每天2个生产班，每天可多割煤1 900 t，每年按300个工作日计算，每年可多生产原煤57万t，原煤按230元/t计算，每年可增加产值1.31亿元；未使用该装置前破碎大块煤至少5人，使用该装置后，破碎大块煤只需1人，按照每人每班平均200元计算，每年可节约48万元，经济效益显著，具有较好的实用性和推广应用前景。

3 结 论

1) 破碎区域范围大。破碎装置通过液压控制系统控制阀可以实现旋转、垂直方向升降和水平方向伸缩，具有多自由度、大摆角、全方位的工作特点，可对不同大小的煤块进行破碎，可破碎煤块粒度范围大，有效地解决刮板输送机机头和装载机交叉处大块煤容易堵塞的问题，提高了刮板输送机的运输效率。

2) 安全性高。该装置操作方便，在安全区域内操纵控制阀等即可完成大块目标的定位和破碎，人员不需进入靠近缷载点的危险区域。

3) 降低工人劳动强度，提高了工作面生产效率，经济效益显著。

4) 对现有采煤系统无干涉。非工作状态，可以将工作机构收回，高度降至最低，避免对采煤机、液压支架及煤流的正常运行造成干涉。

5) 灵活性好，装置体积小，装拆方便，可根据工作面情况安设在任意地方。