一、刨煤機(jī)發(fā)展綜述
20世紀(jì)40年代刨煤機(jī)采煤在德國問世以來，很快就得到推廣和發(fā)展，成為薄煤層采煤綜合機(jī)械化的強(qiáng)大支柱。德國、波蘭、俄羅斯、法國、西班牙等主要產(chǎn)煤國，使用刨煤機(jī)開采的煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的50%以上。在德國，1.6m以下的薄煤層幾乎全部采用刨煤機(jī)采煤，當(dāng)煤層厚度超過1.6m時，滾筒采煤機(jī)開采占主要地位。
刨煤機(jī)開采系統(tǒng)簡單。刨煤機(jī)機(jī)體由一根無極繩牽引，從工作面端頭開始沿導(dǎo)軌滑行割煤。導(dǎo)軌焊接在可彎曲鎧裝工作面輸送機(jī)上。與滾筒采煤機(jī)不同的是，刨煤機(jī)是根據(jù)可彎曲鎧裝輸送機(jī)的平面“找平”的，不需要專人在工作面負(fù)責(zé)此項(xiàng)工作?？?span>彎曲鎧裝輸送機(jī)的推進(jìn)過程由電動控制裝置控制，另外，支架前移過程也實(shí)現(xiàn)了自動控制、安全可靠。這一切實(shí)現(xiàn)了整個開采系統(tǒng)的自動化。目前，工作面輸送機(jī)和刨煤機(jī)均可采用智能驅(qū)動系統(tǒng)，加上可靠的支架控制系統(tǒng)，可使工作面的采煤工作實(shí)現(xiàn)全部自動化。
刨煤機(jī)適合開采薄或中厚偏下的煤層，煤層的傾角一般小于25o，工作面起伏不大。目前的刨煤機(jī)適合開采煤層硬度小于25MPa（當(dāng)硬度大于25MPa時應(yīng)使用動力刨煤機(jī)），底板硬度大于煤層硬度和比較穩(wěn)定的地質(zhì)條件。
刨煤機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式有拖鉤式、滑行式、拖鉤滑行式、緊湊式刨煤機(jī)等。近年國外制造刨煤機(jī)比較先進(jìn)的國家主要發(fā)展滑行式和緊湊式刨煤機(jī)，這2種型號的刨煤機(jī)與液壓支架、電液控制定量推進(jìn)系統(tǒng)相配合可以實(shí)現(xiàn)綜采工作面生產(chǎn)自動化。
近10年來，我國薄煤層刨煤機(jī)自動化綜采工作面裝備構(gòu)成以引進(jìn)國外DBT的刨煤機(jī)成套核心裝備為主，配置國產(chǎn)液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等外圍裝備為輔。自2000年起至2011年，共引進(jìn)9套刨煤機(jī)綜采自動化裝備，分別應(yīng)用于鐵法煤業(yè)集團(tuán)的小青礦、曉南礦、西山馬蘭礦、晉城鳳凰山礦、大同晉華宮礦、沈陽紅陽三礦、山西離柳朱家店礦等。其主要設(shè)備的型號如表1所示。
表中未列出的配置情況如下：鐵法煤業(yè)第1、2套設(shè)備與馬蘭礦的設(shè)備配置基本相同，紅陽三礦、鐵法第3套與鳳凰山礦所用設(shè)備基本相同，朱家店礦除刨頭外其余設(shè)備和鐵法第4套基本相同。
表1 各礦刨煤機(jī)工作面設(shè)備配置表
9套設(shè)備中，除了朱家店礦采用拖底式刨頭，其余8套全部采用滑行刨頭，采用promos控制系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)聯(lián)合作為刨煤機(jī)工作面的控制系統(tǒng)，promos系統(tǒng)主要完成對工作面刨頭、三機(jī)、語音系統(tǒng)、高壓開關(guān)、噴霧系統(tǒng)的自動控制，而電液控制系統(tǒng)以巷道MCU為核心完成對液壓支架、輸送機(jī)、懸臂式調(diào)斜系統(tǒng)的自動控制。所有工作面的回采工藝根據(jù)煤層硬度采用兩種刨煤方式，即重疊或超載式（刨速始終大于鏈速）和混合方式（上行時，刨速大于鏈速；下行時刨速小于鏈速）；進(jìn)刀方式全部采用端頭斜切方式。支架的控制方式為“一控三”方式，即3個支架共用1個PM4支架控制器和1個電磁閥驅(qū)動器。支架成鋸齒形布置方式，每次推移步距定量，滿行程的支架分組交替前移，推移步距為600mm，輸送機(jī)的推移步距根據(jù)刨頭的刨深決定，一般在30mm~100mm。所有工作面均安裝了懸臂式調(diào)斜系統(tǒng)和分段錨固裝置，用以調(diào)整刨刀的俯仰角度防止工作面輸送機(jī)的上竄下滑。
通過對鐵法小青礦裝備第四套刨煤機(jī)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的W2-713工作面進(jìn)行可靠性觀測發(fā)現(xiàn)，刨煤機(jī)無人工作面電氣自動化監(jiān)控系統(tǒng)PROMOS和PMC-R性能可靠，故障率低，易于操作，保護(hù)靈敏可靠，容易查找故障點(diǎn)，整個生產(chǎn)系統(tǒng)的開機(jī)率為64%，停機(jī)率為36%。影響工作面生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)是刨煤機(jī)故障和煤外流系統(tǒng)故障，分別占到了總影響時間的16%和44.1%。刨煤機(jī)主要故障是刨鏈斷。若排除煤外流系統(tǒng)的影響，工作面生產(chǎn)系統(tǒng)開機(jī)率可由64%提高至80%，工作面單產(chǎn)水平可由11.8萬t/月提
高至14.7萬t/月。
在應(yīng)用過程中，鳳凰山礦最高日產(chǎn)量達(dá)到11650t，晉華宮礦最高日產(chǎn)達(dá)到9860t，鐵法小青礦日產(chǎn)最高達(dá)到9188t。
至2011年，僅有鐵法煤業(yè)仍然在使用刨煤機(jī)，其他礦區(qū)基本已放棄使用。造成了引進(jìn)國外刨煤機(jī)成套裝備方面經(jīng)濟(jì)性差、積極性不高的局面。
主要分析如下：（1）投入產(chǎn)出比太大，設(shè)備性價比低。引進(jìn)一套刨煤機(jī)設(shè)備的成本幾乎是采購國產(chǎn)普通綜采面裝備的2~3倍甚至更多，但是增加的產(chǎn)量相比其價格并不成比例，達(dá)不到預(yù)期產(chǎn)量。（2）刨刀、刨鏈等配件消耗量大，成本高。全部配件完全依賴進(jìn)口，只能從原廠商一家購買，費(fèi)用較高，如馬蘭礦自2003年投產(chǎn)至2004年10月，配件費(fèi)用達(dá)到700多萬，且配件供貨周期長，供應(yīng)不及時，加之維修服務(wù)也存在諸多問題，導(dǎo)致刨煤機(jī)成套裝備的經(jīng)濟(jì)效益較差。（3）刨煤機(jī)成套裝備適應(yīng)煤層條件的能力相對較差，設(shè)備故障率高，遇到頂板或底板較差的工作面，在推進(jìn)過程中容易出現(xiàn)各種故障，系統(tǒng)不能正常推進(jìn)，大幅降低了開機(jī)率。
我國刨煤機(jī)發(fā)展緩慢主要有以下幾個方面的原因：
①對煤層可刨性程度判斷缺乏科學(xué)性，使用效果不佳；②支護(hù)配套不協(xié)調(diào)，影響使用效果；③刨煤機(jī)自身的技術(shù)水平有待于進(jìn)一步提高；④來自滾筒采煤機(jī)的沖擊；⑤刨煤機(jī)適應(yīng)性有待提高。
國內(nèi)煤機(jī)裝備企業(yè)也在積極攻克刨煤機(jī)成套自動化技術(shù)，2011年6月，國內(nèi)首套全自動化刨煤機(jī)組成套裝備在鐵法曉明礦北二采區(qū)419綜采工作面完成了工業(yè)性試驗(yàn)。工作面采用三一重裝有限公司生產(chǎn)的全自動刨煤機(jī)BH38/2×400，主要控制系統(tǒng)仍然采用了國外的設(shè)備配套。419工作面煤層整體呈單斜構(gòu)造，煤層傾向25°，煤層傾角3~5°，平均4°；工作面長度159m，走向長度472m，煤層厚度由北向南逐漸變薄，工作面內(nèi)煤層平均厚度1.4m，4-2煤平均厚度0.7m，中間夾矸厚度平均2.05m。煤層硬度系數(shù)小于3。工業(yè)性試驗(yàn)工程中，單班最高日進(jìn)尺8.9m，產(chǎn)量3300t，平均日推進(jìn)7m，產(chǎn)量2590t。
中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司研制的BH38/2×400型刨煤機(jī)于2012年3月應(yīng)用于陜西南梁礦業(yè)有限公司南梁煤礦20302（1）工作面。工作面長150m，走向長度600m，煤層厚度1.4m，傾角1~3°，煤硬度f＞3，屬于中硬、強(qiáng)韌性煤層，屬極難刨級別；煤層頂?shù)装遢^軟。工作面配套了BH38/2×400型滑行刨煤機(jī)、SGZ764/800型刮板輸送機(jī)、96臺ZY7000/09/18D型中部支架，4臺ZYT7000/13/26型端頭支架、SZZ800/200型轉(zhuǎn)載機(jī)、PCM132型破碎機(jī)。經(jīng)過應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工作面所有設(shè)備的集中監(jiān)控和工作面全自動化刨煤，大大減少了每班工作人員、降低了勞動強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)安全。截止2012年11月23日，工作面推進(jìn)112m，出煤3.3萬t，最大小時產(chǎn)量達(dá)到380t，最大班產(chǎn)達(dá)到900t。此次工業(yè)性試驗(yàn)也反映了許多問題：
（1）刨煤機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾堆煤嚴(yán)重。因?yàn)闄C(jī)尾裝煤不暢通，導(dǎo)致堆煤，嚴(yán)重影響通風(fēng)斷面?，F(xiàn)有處理方法是在機(jī)尾處安裝40T輸送機(jī)，人工將煤清理到刮板輸送機(jī)上，由刮板輸送機(jī)運(yùn)至大巷帶式輸送機(jī)。（2）工作面狀態(tài)失控?zé)o法有效控制。受工作面地質(zhì)條件和工作面推進(jìn)緩慢等因素影響，刨煤機(jī)工作面頂?shù)装迤茡p、頂板垮落、液壓支架下沉、工作面積水等造成工作面工作環(huán)境惡劣、工作面推進(jìn)困難。在通過斷層期間采取分段刨煤和炮采及加強(qiáng)支護(hù)等措施。（3）機(jī)械本體上零部件的損壞嚴(yán)重。機(jī)頭、機(jī)尾特殊溜槽滑架溜槽導(dǎo)向立板焊道開裂。采取重點(diǎn)檢修易損壞件、及時更換損壞件等措施。（4）刨頭與支架頻繁相撞和工作面刨頂煤壁抗力較大造成刨煤機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，左右滑靴與溜槽滑架連接導(dǎo)向處磨損嚴(yán)重，刨頭無法繼續(xù)工作，遇到此類問題應(yīng)及時采取將設(shè)備升井維修的措施。
中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司目前具有的刨煤機(jī)產(chǎn)品主要如表2。
表2 主要刨煤機(jī)產(chǎn)品參數(shù)表
目前功率較大的BH38/2×400型刨煤機(jī)的參數(shù)如表3所示。
表3 BH38/2×400型刨煤機(jī)參數(shù)表
卡特彼勒公司現(xiàn)已成功開發(fā)出Cat GH800B長壁刨煤機(jī)系統(tǒng)。卡特彼勒公司與德國伊本比倫煤礦（Ibbenburen Mine）合作，在Cat GH1600刨煤機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制造出一種針對平均厚度僅有0.85m的無煙煤層開采作業(yè)的新型系統(tǒng)——Cat GH800B刨煤機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在煤層厚度不超過1.0m的德國伊本比倫煤礦成功投產(chǎn)運(yùn)行。
GH800B刨煤機(jī)系統(tǒng)中的刮板輸送機(jī)采用可更換中板的PF4刨煤機(jī)溜槽以及整體鑄造的新型刨頭導(dǎo)軌，與先前采用的焊接導(dǎo)軌相比，不僅具有更高的強(qiáng)度和耐用性，而且高度也大大降低。采用外置式啞鈴銷連接溜槽，堅(jiān)固且靈活的推移桿使得運(yùn)輸機(jī)更適合極薄煤層條件。為提高輸送機(jī)的過煤能力，在卸載端外延了擋煤板，從而使此處的斷面寬度得以增加。
GH800B刨煤機(jī)系統(tǒng)的刨頭可適用于最大采高1.55m到最低采高0.75m之間各種不同的作業(yè)條件。刨頭兩端的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅有助于提高給工作面輸送機(jī)的裝煤量。而且還能降低這一工序所消耗的切削功率。Cat GH800B刨煤機(jī)還采用了一種非常有效的水平控制，該系統(tǒng)使刨煤機(jī)能夠沿著煤層線的走勢進(jìn)行切削作業(yè)，而不會切削到圍巖。
卡特彼勒專門對薄煤層液壓支架部件做了設(shè)計(jì)，將頂梁長度縮短，從而使支架調(diào)整到最低位置時也不會與刨頭發(fā)生碰撞。將頂梁厚度減少8cm，為工作面內(nèi)的作業(yè)人員提供了更加舒適和人性化的作業(yè)空間。與切削刨頭實(shí)現(xiàn)動作同步的頂梁水噴霧系統(tǒng)可以有效降低粉塵水平。
卡特彼勒全套刨煤機(jī)長壁系統(tǒng)的自動化以及所有的設(shè)備功能和調(diào)整操作的遠(yuǎn)程控制，使得煤礦在無需工人進(jìn)到工作面作業(yè)的情況下仍能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。該系統(tǒng)在提高安全性的同時最大限度地降低了煤礦運(yùn)營成本。
GH800B刨煤機(jī)系統(tǒng)是在2013年第四季度投入到德國伊本比倫煤礦開展井工作業(yè)的。與附近的一個工作面相比，該新型系統(tǒng)的運(yùn)營與維護(hù)成本降低了50%左右。該系統(tǒng)日推進(jìn)度可以達(dá)到10m。Cat GH800B刨煤機(jī)系統(tǒng)還將被用在伊本比倫煤礦的五個相鄰的長壁工作面。
綜上所述，以現(xiàn)有技術(shù)水平，在極薄煤層條件下采用刨煤機(jī)開采，僅能開采0.7~0.8m煤厚，可以布置出無人工作面，但引進(jìn)設(shè)備的弊端仍然存在，國產(chǎn)設(shè)備目前也不成熟。
二、應(yīng)用實(shí)例
四川某煤礦工作面長80m，煤層厚度0.5m，f=3，偽頂為0.2m泥巖，基本頂為砂巖，底板為黏土頁巖，有底鼓現(xiàn)象。使用H-300型拖鉤刨煤機(jī)，4年累計(jì)生產(chǎn)原煤52114t，平均日產(chǎn)27.8t，最高日產(chǎn)185t。主要問題：刨頭飄刀，刨刀損耗嚴(yán)重，泵壓不穩(wěn)。
云南某煤礦，工作面長95m，煤厚0.75m，傾角8°，f=2.5，偽頂后0.7~1.5m，頂板為0.4~1.5m的灰色粉砂質(zhì)泥巖，底板為灰色泥質(zhì)粉砂巖。使用GS34-4N型滑行拖鉤刨煤機(jī)，最高月產(chǎn)6092t。主要問題：刨頭飄刀或啃底。
徐州某煤礦，2031工作面斜長110m，走向340m，傾角11~15°，平均13°，直接頂平均厚度4.32m，煤厚0.85m。采用MGJ-2A型刨煤機(jī)，配SGW-150C型雙電機(jī)刮板輸送機(jī)，刨煤機(jī)由刨鏈牽引，截深50~80mm，電機(jī)功率2×40kW，供電電壓660V，工作面采用單體支護(hù)，月產(chǎn)11152t。工作面機(jī)頭、機(jī)尾需各打超前缺口，傾斜長6m，走向長2~4m。
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