国内外采煤机发展及现状

摘要

20世纪40年代初，英国和前苏联相继研制出了链式采煤机，这种采煤机是通过截链截落煤，在截链上安装有被称为截齿的专用截煤工具，其工作效率低。同时德国研制出了用刨削方式落煤的刨煤机。50年代初，英国和德国相继研制出了滚筒式采煤机，在这种采煤机上安装有截煤滚筒，这是一种圆筒形部件，其上安装有截齿，用截煤滚筒实现落煤和装煤。这种采煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。

煤炭是我国的主要能源，煤炭工业为国民经济发展做出了重大贡献。但是煤炭工业面临着许多困难和问题，主要包括产业结构不合理，生产投入不足，劳动条件差等方面的问题。它在一定程度上解决了这些方面的问题，采煤机械化是最终发展的必然。所以如何提高采煤效率以满足我国现代化建设中迅猛发展的经济对能源的需要就成了十分迫切的要求。

采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统,工作环境恶劣,如果出现故障将会导致整个采煤工作的中断,造成巨大的经济损失.随着煤炭工业的发展,采煤机的功能越

来越多,其自身的结构、组成愈加复杂,因而发生故障的原因也随之复杂。采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。机械化采煤可以减轻体力劳动、提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。采煤机分锯削式、刨削式、钻削式和铣削式四种。

关键字：采煤机，链式采煤机，可靠性，发展趋势，稳定性，生产能力

第一章绪论 (2)

1.1 引言 (2)

1.2 采煤机的发展史 (2)

1.3 我国采煤机械发展展望 (3)

1.4 应用高新技术，严格管理，提高可靠性 (3)

第二章采煤机械 (5)

2.1 采煤机的种类 (5)

2.1.1链式采煤机 (5)

2.1.2其他采煤机简要介绍 (6)

2.2 采煤机的组成及各部分的作用 (7)

第三章国外煤矿采煤机械发展概况 (9)

3.1国外采煤工作面现状 (9)

3.2国外采煤技术发展趋向 (10)

第四章采煤机械的发展 (12)

4.1国内外采煤机械的发展及其现状 (13)

4.1.1薄煤层采煤机的分类及其特点 (14)

4.1.2薄煤层采煤机在我国的应用情况 (14)

4.1.3薄煤层采煤机的优点机器局限性 (15)

4.1.4薄煤层采煤机设计的目的及意义 (16)

4.2 薄煤层采煤机的总体结构方案的设计 (16)

4.2.1实现采煤机基本功能的结构方案设计 (16)

4.2.2实现采煤机辅助功能的结构方案 (18)

4.2.3薄煤层采煤机的主要技术参数的确定 (20)

4.2.4小结 (22)

第五章整体性验算 (26)

5.1 稳定性的计算 (26)

5.2 稳定性的评价指标 (26)

5.2.1稳定比 (26)

5.2.2生产能力的验算 (27)

第六章结论 (29)

参考文献 (30)

致谢 ................................................................................................................... 错误!未定义书签。

第一章绪论

1.1 引言

随着科技的发展，技术的创新，煤炭生产进入高产、高效、安全和可靠的现代化发展阶段。从此，综合机械化采煤设备成为各国地下开采煤矿的发展方向。自70年代以来，综合机械化采煤设备朝着大功率、遥控、遥测方向发展，其性能日臻完善，生产率和可靠性进一步提高。工矿自动检测、故障诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术已经在采煤机上的到应用。，开发高产高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技发展的主攻方向，根据世界采煤机发展潮流和煤炭科技前沿最新消息，我国采煤机应在以下方面进行攻关研究，尽快赶上世界水平。为了满足高产高效矿井发展的需要，增产减员，增产减面，实行合理化集中生产，拟研制截割功率2X500KW~2X600KW，总装机功率1200KW~1500KW以上，截深0.8m～1.0m的高效电牵引采煤机；电机横向布置，框架式结构，无底托架，交流变频调速，供电电压3300V以上；强力型无链牵引系统，具有高牵引速度和牵引力；配用机载增压水泵和吸尘滚筒，操作方便，控制、保护齐全，性能良好。衡量一个国家的采煤机的技术水平，首先应对其机械设备的先进行、品种、质量、可靠性、适应程度以及寿命等加以分析。我国是一个发展中国家，改革开放以来，采煤机得到了很大的发展，但生产的质量、寿命、高新技术的应用、科学管理等与世界煤炭工业发达国家相比，还存在较大的差距，国外采煤机有关部件的设计寿命是：齿轮12500h，轴承20000h～30000h，电机绝缘寿命4400h，滚筒可产煤300万吨。综合工作面采煤机一般都装有自动控制、诊断、数据传输、无线电遥控装置，不仅操作方便，而且能通过诊断装置预先发现故障并及时排除。我国采煤机的齿轮、轴承、滚筒、电机等主要部件的设计寿命均低于国外水平。采煤机大部分不具有监控、诊断保护功能，不能预报诊断故障，不能保证采煤机经常处于正常状态。我国要求采煤机出150万吨～200万吨煤而不大修，实际上与要求还有距离。

为了满足高产高效综采工作面快速割煤提高生产力的需要，克服液压牵引的繁杂，电牵引采煤机是采煤机发展的一个趋势。

1.2 采煤机的发展史

20世纪40年代初，英国和前苏联相继研制出了链式采煤机，这种采煤机是通过截链截落煤，在截链上安装有被称为截齿的专用截煤工具，其工作效率低。同时德国研制出了用刨削方式落煤的刨煤机。

50年代初，英国和德国相继研制出了滚筒式采煤机，在这种采煤机上安装有截煤滚筒，这是一种圆筒形部件，其上安装有截齿，用截煤滚筒实现落煤和装煤。这种采煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。这种采煤机的主要缺点有二点：其一是截煤滚

筒的高度不能在使用中调整，对煤层厚度及其变化适应性差；其二是截煤滚筒的装煤效果不佳，限制了采煤机生产率的提高。

进入60年代，英国、德国、法国和前苏联先后对采煤机的截割滚筒做出革命性改进。其一是截煤滚筒可以在使用中调整其高度，完全解决对煤层赋存条件的适应性；其二是把圆筒形截割滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒，即螺旋滚筒，极大地提高了装煤效果。这两项关键的改进是滚筒式采煤机称为现代化采煤机械的基础。可调高螺旋滚筒采煤机或刨煤机与液压支架和可弯曲输送机配套，构成综合机械化采煤设备，使煤炭生产进入高产、高效、安全和可靠的现代化发展阶段。

从此，综合机械化采煤设备成为各国地下开采煤矿的发展方向。70年代以来，综合机械化采煤设备朝着大功率、遥控、遥测方向发展，其性能日臻完善，生产率和可靠性进一步提高。工矿自动检测、故障诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术已经在采煤机上的到应用。

1.3 我国采煤机械发展展望

依靠科技进步，推进技术创新，开发高产高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技发展的主攻方向，根据世界采煤机发展潮流和煤炭科技前沿最新消息，我国采煤机应在以下方面进行攻关研究，尽快赶上世界水平。

大功率、大截深电牵引采煤机的进一步研究为了满足高产高效矿井发展的需要，增产减员，增产减面，实行合理化集中生产，拟研制截割功率2X500KW~2X600KW，总装机功率1200KW~1500KW以上，截深0.8m～1.0m的高效电牵引采煤机；电机横向布置，框架式结构，无底托架，交流变频调速，供电电压3300V以上；强力型无链牵引系统，具有高牵引速度和牵引力；配用机载增压水泵和吸尘滚筒，操作方便，控制、保护齐全，性能良好。

大功率采煤机的工况监测、故障诊断与控制系统的研究高可靠性大功率采煤机是实现高产高效矿井合理集中生产的根本保证，采用机载计算机监测，故障诊断及自动控制系统是提高大功率采煤机可靠性和利用率的重要途径，通过开发采煤机监测传感器和机载计算机系统，以及地面中心站的故障诊断和维修管理专家系统，实现多参数工况监测和井下、地面两极预报型故障诊断及维修管理专家系统等机电一体化技术，使采煤机的技术水平、工作能力得以大幅度提高，保证高效连续生产。

1.4 应用高新技术，严格管理，提高可靠性

衡量一个国家的采煤机的技术水平，首先应对其机械设备的先进行、品种、质量、可靠性、适应程度以及寿命等加以分析。

我国是一个发展中国家，改革开放以来，采煤机得到了很大的发展，但生产的质量、寿命、高新技术的应用、科学管理等与世界煤炭工业发达国家相比，还存在较大的差距，国外采煤机有关部件的设计寿命是：齿轮12500h，轴承20000h～30000h，电机绝缘寿命4400h，滚筒可产煤300万吨。综合工作面采煤机一般都装有自动控制、诊断、数据传输、无线电遥控装置，不仅操作方便，而且能通过诊断装置预先发现故障并及时排除。我国采煤机的齿轮、轴承、滚筒、电机等主要部件的设计寿命均低于国外水平。采煤机大部分不具有监控、诊断保护功能，不能预报诊断故障，不能保证采煤机经常处于正常状态。我国要求采煤机出150

万t～200万t煤而不大修，实际上与要求还有距离。为了满足高产高效综采工作面快速割煤提高生产力的需要，克服液压牵引的繁杂，电牵引采煤机是采煤机发展的一个趋势。与目前最先进国外采煤机相比，国内电牵引采煤机在总体参数性能方面尚有较大差距，某些关键部件的性能、功能、适应范围还有待完善和提高，尤其是无线监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器等智能化技术和机械部件的可靠性、寿命与国外相比差距甚大。根据我国煤炭生产要求和采煤机发展趋势以及针对国内电牵引采煤机存在的差距，今后主要研究内容如下：

1、进一步完善和提高交流变频调速系统的可靠性，重点完善和提高系统装置抗震、散热和防潮性能；

2、研究可靠的微机电气控制系统，重点提高采煤机机电控制系统的抗干扰、抗热效应的能力；

3、开发或增强电控系统的监控功能，重点研究故障诊断与专家系统、工况监测、显示与信息传输系统、工作面采煤机自动运行控制系统、自适应变频电路的漏电监测与保护技术、摇臂自动调高系统等；

4、开发四象限运行的矿用交流变频调速装置，使采煤机能适应较大倾角煤层开采的需要；

5、开发单机功率600KW,总装机功率1500KW的大功率电牵引采煤机；

6、电牵引采煤机的可利用率、可靠性和寿命的研究。

图1.1 滚筒采煤机

第二章采煤机械

2.1 采煤机的种类

采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。机械化采煤可以减轻体力劳动、提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。采煤机分锯削式、刨削式、钻削式和铣削式四种：

(1)锯削式采煤机

即截煤机，靠安装在循环运动的截链上的截齿深入煤壁截煤。

(2)刨削式采煤机

即刨煤机，靠刨刀的往复运动刨削破煤。

(3)钻削式采煤机

靠钻头边缘的刀齿钻入煤体，由钻头中部的破煤刀齿将中部的煤体破碎。

(4)链式采煤机

整机由牵引部、电动机、（专用防爆水冷式电机）、截煤部连接组成。体积小、重量轻，噪音小、防尘效果好，使用安全可靠。

2.1.1链式采煤机

一、用途

本机使用于一般中、小型矿井下缓倾薄煤层﹑极薄复合煤层采煤工作面开切底槽，达到掏槽落煤的作用。

二、适用范围

本机可在周围环境空气的甲烷、煤灰、硫化氢、二氧化碳等含量不超过《煤矿安全规程》所规定的安全含量的矿井中使用。本机使用于复杂煤层的开采，可在采高0.30米以上工作面开切底槽之用。

适宜截煤层硬度f≤4°工作面。适宜沿煤壁底板倾斜角度a＜25°工作面。

三、特点

体积小、重量轻，噪音小、防尘效果好，使用安全可靠。

电器部分具有一定的防爆性能，电机冷却方式为水冷。

本机比较手工采煤能提高煤块率，节省开采时间，是开采极薄复合煤层代人工掏槽落煤的设备。

四、基本参数

表2.1 链式采煤机的基本参数

调整方式手动、脉动、无极调速工作方式沿煤壁来回、左右作业

牵引方式刚丝绳内牵引电机型号YBK2—160L－4

牵引速度0～920mm／min 电机功率15KW

截槽深度800～900 mm 额定电压380V／660V

截链线速度1900mm／s 外型尺寸1800×390×280mm

绳筒容量20000mm 钢丝绳规格6×37（Φ10.5mm）

牵引力15.33KN 整机重量750±2kg

牵引功率5KW 截割功率10KW

冷却方式水冷空载下放速度4018mm／min

冷却方式螺旋水道内冷工作方式沿煤壁来回，左右工作

防尘方式冷却水截煤部防尘润滑方式连续无压润滑

五、结构

整机由牵引部、电动机、（专用防爆水冷式电机）、截煤部连接组成。

六、效果

使用本机完成机械掏槽作业，改变采煤工作面采用手工掏槽作业的落后工艺，减轻工人劳工生产率，与炮采工艺相比改善了采煤工人的劳动安全生产条件，确保采煤工作面正规循环作业，增加块煤率，为薄煤层机械化采煤提供了一种使用装备。

2.1.2其他采煤机简要介绍

一、铣削式采煤机

靠滚筒上的截齿旋转铣削破煤。20世纪初开始应用截煤机；40年代出现了深截式联合采煤机；50年代初期出现了浅截式滚筒采煤机，生产能力和对顶板的适应性都有很大提高，60年代研制成双滚筒采煤机，使生产情况得到进一步改善。中国在1949年以前很少用机械采煤。50年代开始使用截煤机和深截式联合采煤机，60年代开始使用浅截式滚筒采煤机，70年代初在一些矿区开始使用浅截式双滚筒采煤机，机采产量不断提高。70年代以来，采煤机不断改进,如采用大功率水冷电机来提高生产能力,开采厚度较大的坚硬煤层；采用粗齿滚筒提高块煤率；采用无链牵引减少机械事故并适应长工作面多台采煤机同时作业等。

二、截煤机

机械化掏槽的机器，用以增加爆破自由面，提高爆破效率，有圆盘式、截杆式和截链式三种。钢丝绳两端分别固定在锚柱和截煤机的绳筒上。工作时绳筒转动，将截煤机拉向前进，速度为0.25～1.1m/min。牵引钢丝绳长25m，每前进20～25m需移置锚柱。截煤机不能直接落煤，在工作面上需增加爆破落煤的工序，已被滚筒采煤机代替。滚筒采煤机一种铣削式浅截深采煤机，由截割部分、牵引部分和动力部分组成。截割部分包括工作

机构和减速器，牵引部分包括行走机构（链轮、牵引链及其拉紧装置）和液压传动装置，动力部分包括电动机和电气控制箱。另外，还有辅助装置，包括底托架、电缆架、喷雾装置和信号照明等设备。滚筒采煤机适于在煤层厚度变化小、无夹石、地质构造简单、煤层倾角15°以下、顶板易于管理的条件下使用。倾角较大时，需装防滑装置。滚筒采煤机骑在可弯曲刮板输送机上工作，沿工作面往返运行。螺旋式滚筒上装有按一定规律排列的截齿。滚筒转动时，截齿按一定顺序在煤体上先后截出很多沟槽，使沟槽之间的煤体破落，通过滚筒旋叶和弧形挡煤板装入输送机。滚筒直径为测量到截齿齿尖的截割直径，各制造厂有各种不同的系列，根据采高选定。滚筒宽度相当于截深，有0.6、0.8、1.0、1.2m等几种规格。

三、滚筒采煤机分单滚筒和双滚筒两种：

（1）单滚筒采煤机

进刀方式有三种：①先进刀后移机头，一般采用斜切进刀，这种方式简单易行，但进刀时间长；②先移机头后进刀，能充分利用工时，但开缺口工作量大；③进刀同时移机头，进刀简单，时间短，但需强力推移输送机的设备。

割煤方式有两种：①单向采煤，采煤机上行进一刀割煤，下行装煤。优点是能充分利用机器装煤，效率高，但工作面割一刀时间长，顶板悬露时间长，一般适用于顶板稳定、采高较大、装余煤量大的煤层。②双向采煤，往返各进一刀。优点是能提高工时利用率，工作面生产能力大，支护顶板及时，工序紧凑，但采高大时清浮煤工作量大。

（2）双滚筒采煤机

一次采全厚，采煤机两端各有一个滚筒。前滚筒在上割顶煤，后滚筒在下割底煤。两滚筒一般相背旋转，司机左侧滚筒用左螺旋，司机右侧滚筒用右螺旋。也可相向旋转，司机左侧滚筒用右螺旋，司机右侧滚筒用左螺旋。一般采用双向采煤，先进刀后移机头的斜切进刀方式；也可采用进刀同时移机头的正切进刀方式。刨煤机

一种刨削式浅截深采煤机。刨煤机有两种：①动力刨煤机，靠刨刀对煤体冲击破煤，存在问题较多，至今仍在研究中；②静力刨煤机，靠刨刀对煤体静压力破煤，分拖钩式、刮斗式和滑行式三种。中国目前多用拖钩式刨煤机，习称煤刨，由安装刀架的刨体和左右撑板组成，刨刀对称地分布在刨体上。为保证刨煤时煤刨稳定，应将煤刨底盘压在输送机溜槽下面。煤刨用锚链牵引，沿工作面往复运动落煤,一次刨深50～125mm。刨速大于输送机链速的刨煤机，叫快速刨煤机。刨煤机宜用于顶底板稳定、煤质较软、地质构造简单的薄煤层和中厚煤层。

2.2 采煤机的组成及各部分的作用

采煤机由电动机、截割部、牵引部、辅助装置等组成。电动机给采煤机提供动力，截割部完成落煤、装煤，牵引部使机器行走，辅助装置包括喷雾装置，防滑装置，拖拽电缆装置等，用来保证采煤机安全可靠的工作。

图2.2 单滚筒采煤机的构成

1-挡煤板；2-螺旋滚筒；3-摇壁减速器；4-固定减速器；5-牵引部减速器；6-主链轮；

7-辅助链轮；8-电动机；9-电缆架；10-锚链；11-底托架；12-输送机槽

第三章国外煤矿采煤机械发展概况

八十年代以来，世界个主要产煤国家为了适应竞争的需要和弥补石油能源短缺的局面，大力发展采煤机械不断的提高采煤工作面机械化水平，近年来国外的采煤机械发展很快，虽无重大变革性突破，但在开采方法，产品结构、电气控制等方面有不少动向值得重视。

3.1国外采煤工作面现状

自从综采技术推广以后，较先进的产煤国家大体每10年工作面日产量水平翻一番。

表3.1-1为世界主要产煤国家和地区综采工作面的最高产量世界纪录。此外，英国、德国、波兰等国在不断提高工作面单产的基础上，努力削减工作面个数。世界主要产煤国家和地区矿井和工作面技术经济指标见表3.1-2。

现在过外高产工作面集中在采高2.5~3.5m贮存条件良好的中厚煤层。在西德，在推行工作面的大型化，现在已从140m增加到240m。应该过的工作面经济长度为250m。但是，工作面长度的增加使刮板输送机链条的重量增加，从而减低效率。最近，国外有些资料又在重新评价加长工作面的方法，认为将来不一定要一味的加长。因而有出现因地制宜的制定工作面长度标准化的趋势。

表3.1-1 采煤工作面产量世界纪录

3.2国外采煤技术发展趋向

1、开采技术方面

（1）加强科学管理，合理组织生产，提高设备利用率，以达到高产高效目的。

（2）矿井规模根据煤层的贮存条件，有的可达8～10百万吨/年，每个矿井只设计一个长壁（后退式）采煤工作面，其工作面长度200～250m，走向长度1500～2000m。

（3）矿井通风日产3～4百万吨的工作面的通风降温、降尘将是必须解决的问题。据估算对于沼气井工作面采煤时，通风量约40～50m3/s,在3～4m采高的工作面风速约5m3/s 左右。如瓦斯涌出量较高时，应加强预抽、排放等措施。也可以适当提高风速，法国认为高产工作面风速可达8m3/s。

（4）矿井监控工作面的全部设备将采用自动化监测系统。利用计算机和各种传感器将全部运行工况采集显示记录并传输到地面。同时，也对设备的健康状况进行完善准确的诊断和预报。即使出现意外故障也可通过计算机的专家系统进行判断查找。

（5）采煤机械和系统仍是现有模式，即双滚筒采煤机、铠装可弯曲输送机、液压支架、可伸缩胶带输送机、连续采煤机等。但功率、速度、容量和能力将进一步加大，自动化和联动化程度将大大提高。

2、采煤机械

（1）大功率化采煤机的功率将达到1100～1500kW,以电牵引为主。

（2）提高切割速度一些产煤国以14～16M/min的切割速度为目标。与滚筒采煤机配套的机械设备的相互关联性，寻找出适当的切割速度。切割滚筒的切割深度也在逐步增加。如今在澳大利亚，切割深度1.0m很普遍。

（3）滚筒与截齿的研究据美国报道，他们开发了一种通风滚筒，装有从滚筒中心部集尘的空心椎体喷水装置，其降尘效果是以前空心轴通风的3倍。为了降尘、减少截齿的消

耗，国外还在积极研究高压喷水技术。高压水喷洗截齿表面对降低截齿消耗和减少煤尘有较明显的效果，但对截割的效果较小。据美国和澳大利亚研究报道，喷水压力在200baf时效果最佳，当超过200baf时，效果没有大的差别。

据研究表明，瓦斯初始发火可能是在截齿后方15～40mm范围内发生，所以喷嘴应设在截齿后方12～37的区间喷水。

为了提高负载能力，西德正在进行球状体滚筒的研究。

这几年，世界各国采用圆柄截齿增多，尽管增大了负荷，但可提高截齿增多，经管增大了负荷，但可提高截齿的使用寿命，在澳大利亚夺金精钢石截齿一实验成功，这意味着应用高压喷水和夺金精钢石截齿将有可能增加。

（4）电牵引采煤机的研究，近年来，世界各国电牵引采煤机发展很快，这是采煤机发展的一个新的动向。

第四章采煤机械的发展

按煤层赋存的条件，对煤炭的开采可以分为露天开采和地下开采。采煤方法不同，所使用的采煤机械也不同。在地下开采中，我国所采用的采煤方法基本上以走向长壁式方法为主。在走向长壁式采煤方法中，有可以分为前进式、后退式、全部垮落式和填充式等。目前国内外采用这些采煤方法的国家所用采煤机械，绝大多数是滚筒式采煤机、刨煤机和掘进机，只有少数先进的煤矿采用薄煤层采煤机等设备。

1、开采顺序和方法

对于倾角10°以上的煤层一般分水平开采，每一水平又分为若干采区，先在第一水平依次开采各采区煤层，采完后再转移至下一水平。开采近水平煤层时，先将煤层划分为几个盘区，立井于井田中心到达煤层后，先采靠近井筒的盘区，再采较远的盘区。如有两层或两层以上煤层，先采第一水平最上面煤层，再自上而下采另外煤层，采完后向第二水平转移。

按落煤技术方法，地下采煤有机械落煤、爆破落煤和水力落煤三种，前二者称为旱采，后者称为水采，我国水采矿井仅占1.57%。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者为主。壁式采煤法工作面长，一般100～200 m，可以容纳功率大，生产能力高的采煤机械，因而产量大，效率高。柱式采煤法工作面短，一般6～30 m，由于工作面短，顶板易维护，从而减少了支护费用，主要缺点是回采率低。

2、生产系统

包括采煤系统、掘进系统、通风系统、排水系统、供电系统、辅助运输系统和安全系统等。

采煤系统包括工作面的落煤、装煤，将煤由工作面运往井底车场，直到提升至地面。主要井巷包括采煤工作面，采区顺槽、采区上山、水平运输大巷、石门等。主要设备有采煤机、运输机械，支护设备及提升机等。

掘进系统是为了保证生产的持续进行，即在当前生产同时，要开掘出新的工作面、采区及生产水平以备接替。其包括掘进工作面、矸石运至井底车场由副井提升后送至堆放地。主要设备包括掘进、支护、运输、提升等所用的设备以及风动凿岩机、空气压缩机及其管路等。

通风系统由进风井巷、回风井巷、通风机和井下通风设施如风桥、风门等构成。

排水系统由巷道中的水沟、水仓、水泵峒室、水泵及排水管路组成。

供电系统要求不得中断、以保安全，因此供电电流为双回路，同时进入采区和回风道的电器设备都必须采用矿用防爆型，防止瓦斯爆炸。

辅助运输系统包括人员上下和材料，设备的运输。

安全系统包括预防瓦斯爆炸、瓦斯突出，以及井下火灾和水灾所需要的救治设备、设施、器材、仪表和监测系统。

3、采掘工作面

采煤工作面是地下采煤的工作场所，随着采煤的进行，工作面不断向前推进，原来的采场即成为采空区。长壁工作面采煤的工序为破煤、装煤、运煤、支护及控顶等五项；短壁工作面只有前四个工序。以滚筒式采煤机为主，组成长壁工作面综合机械化设备，可以完成五个主要工序，称为综合机械化采煤，简称综采，此工作面称综采工作面。

掘进工作面是井巷掘进的工作场所，分为岩巷、煤巷和半煤岩巷三种。掘进工序分破岩、装运和支护三项。掘进方法分两种，一为钻爆法，二为使用掘进机。前者应用范围广但机械化程度低，后者包括全断面岩巷掘进机及悬臂式掘进机两种。煤矿一般广泛使用悬臂式掘进机，包括掘进机、转载机、运输机和支护设备共同组成掘进综合机械化，完成三道主要工序，称为综掘。

4、采煤机械化分级

按中国煤矿的地质情况及实际生产状况，将机械化分为三级：普通机械化采煤，简称普采，采煤工作面装有采煤机、可弯曲链板输送机和摩擦式金属支柱、金属顶梁设备，可完成前三工序机械化，但功率较小，一般工作面年产量15～20万吨。高档普通机械化采煤，简称高档普采。采煤工作面装有采煤机，可弯曲链板输送机，液压支柱和金属顶梁，可使前三工序机械化。由于有液压支柱，因此顶板维护状况良好，支护和控顶虽为手工操作，但劳动强度大为减轻，功率亦较大，年产量为20～30万吨。

4.1国内外采煤机械的发展及其现状

采煤机设计模型及手段可以反应现代化采掘机械的技术水平；装机总功率2000kW、牵引速度达30m/mim、生产能力2000t/h、截割高度6.0m、滚筒寿命大于500万吨；具有建立在微机基础上的智能化监测、监控和保护系统技术；实现交互式人机对话、远程控制，具有工况监测及运行状态显示、数据采集、储存及传输、故障诊断及预警、自动控制、自动调高等多种功能技术；实现液压支架、输送机的信号交流和联动控制等功能及整个工作面自动化技术，井下、地面两级故障诊断及维修管理系统机电一体化技。

把煤从煤层上截落下来并运出采煤工作面，这个煤炭生产的两个主要工序。使用刮板输送机实现煤的运输，而把煤从煤层截落下来并装入输送机，则是由采煤机来完成。采煤机完成了洛美和装煤的这两个主要工序，就实现了煤炭开采的机械化。

本世纪四十年代初，英国和原苏联相继研制出了链式采煤机。这种采煤机是用截链截煤落煤，在截链上安装被称为截齿的专用截五煤刀具，这种采煤机工作效率低。五十年到初，英国和德国相继研制除了滚筒采煤机。才这种采煤机上安装有截煤滚筒，这是一种圆筒形部件，其上装有截齿，用截煤滚筒实现截煤和装煤。这种采煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。这种采煤机的两个缺点也是决定它更新的得点使得采煤机不断更新和完善，进入六十年代，英国、德国、法国以及前苏联先后对采煤机的截割滚筒做出两项革命性改进。其一是截煤滚筒可以在使用中调节起高度，完全解决对煤层赋予田间的适用性；第二项是把圆筒形截煤滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒或螺旋滚筒，极大的提高了装煤的效果。这两项改进称为现代化采煤机械的基础。

六十年代以后，刨煤机也有了长足的改进，滑行刨的研制成功，使刨煤机成为与采煤机竞争的采煤机设备。

可调高螺旋滚筒采煤机或刨煤机与液压支架和可弯曲输送机设备，构成综合机械化采煤设备。使煤炭生产进入高产、高效、安全、和可靠的现代化发展阶段。从此，综合机械化采煤设备成为各国地下开采煤矿的发展方向。

自七十年代以来，综合机械化采煤设备朝着大功率、遥控、遥测方向发展，其性能日益

完善，生产率和可靠性进一步提高。工况自动监测，故障诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术已经在采煤机上的到应用，现代采煤机已经发展成为高科技机电一体化产品。

我国在地下开采煤矿红应用采煤机械始于五十年代初。当时从苏联引进链式姐妹机和链式联合采煤机，并进行组织自行生产。由于这种采煤机械生产率低，没能在我国普遍推广使用。六十年代，我国从波兰引进了滚筒式采煤机，并组织自行制造同类机械。七十年代初，我国从英国、德国、波兰和法国等国家大量引进双滚筒可调高采煤机，并组织制造同类型设备，我国开始大规模研制和生产现代化采煤设备。

自七十年代初至今，经过几十年的引进和开发相结合的发展过程，现在我国已经能自行设计和生产适合于各种煤层赋予条件的滚筒式采煤机。为了更好的发展必须加大煤炭生产机械化力度，大幅度提高煤炭生产率。这就要求我们不断开发出技术先进、高效并可靠的新型采煤机，不仅满足国内生产之需，而且力争打入国际市场。

4.1.1薄煤层采煤机的分类及其特点

由于受到煤层厚度的限制，薄煤层采煤机分为骑溜子式和爬底板式两类。

骑溜子式采煤机的机身骑在刮板输送机上，并靠其支撑和导向。当电动机功率为100KW 时，电动机高度h=350mm，国美空间高度至少为C=140~160mm，输送机中部槽高度为180~190mm，则机面高度至少达到A=600~650mm.考虑到顶梁厚度，顶板下沉厚度以及过机空间高度Y（通常Y=90~200mm），则骑溜子薄煤层采煤机只能适用于0.75~0.95m以上的煤层（小值对单滚筒，大值对双滚筒）。如果电动机功率加大，则电动机高度相应增大，因而最小采高还要加大。

爬底板式采煤机，机身位于机道内，因而机面高度降低，使过煤空间高度及过机空间高度增大（ 240mm），这不仅改善了机器性能，而且可使采煤机在0.6~0.8m的及薄煤层中工作。采用机身在煤壁侧机道内的爬底板式采煤机的工作面通风断面大，提高了工作的安全性。因此，爬底板采煤机是当前薄煤层采煤机主要的发展方向。

4.1.2薄煤层采煤机在我国的应用情况

我国薄煤层采煤机的研究始于60年代。60年代初,在顿巴斯-1型采煤机基础上,我国开始自行研制生产采煤机。这类薄煤层滚筒采煤机主要有MLQ系列采煤机,如1964年生产的MLQ-64型,1980年生产的MLQ-80型浅截石单滚筒采煤机,另外还有MLQ3-100型采煤机。

70年代至80年代初期,我国自行研制开发了中小功率薄煤层滚筒采煤机。比较典型的有山东煤研所和淄博矿务局研制的ZB2-100型单滚筒骑输送机采煤机。ZB2-100型采煤机装机功率100kW,链牵引,牵引传动方式为液压调速加齿轮减速。牵引力90kN,牵引速度0～214m/min,采高0175～113m、煤质硬度为中硬以下的缓倾斜薄煤层。

80年代,我们在引进了德国、英国等采煤机生产技术的基础上,自主开发和制造适应我国不同的煤层条件的滚筒式采煤机系列产品,并在90年代中期初步完成了主导机型,由液压牵引采煤机向电牵引采煤机升级换型工作。1980年,黑龙江煤矿机械研究所和鸡西煤矿机械厂共同开发出BM系列骑输送机滚筒采煤机,其中BM-100型双滚筒采煤机,性能良好,能自开缺口、强度高、工作可靠,在我国薄煤层采煤中广泛应用。但是用双滚筒采薄煤层,结构较复杂,机身又长,所以使用不便,于是又生产出更加简化的BMD-100型单滚筒薄煤层采煤机。

进入90年代以来,为了满足厚薄煤层薄煤层作为解放层开采矿井的迫切需要,并代中厚煤层滚筒采煤机技术,1997年,由务局、煤科总院上海分院联合研制了M G200/450-B WD型薄煤层采煤机,该采用多电机驱动、交流变频调速、无链牵引总装机功率达450kW,其中截割

功率2×牵引功率2×25kW,牵引力400kN,牵引速6m/min。采用骑输送机布置方式,可用于110～117m的薄煤层综合机械化工作面。样机于1997年12月在晋华宫煤矿9#层83面投入使用,取得了最高月产量916万吨、产量5300吨的好成绩。国内几种类型薄煤层采煤情况比较见表4-1。

表4-1 我国几种类型薄煤层采煤机基本情况比较

型号采高范围/M 牵引力/KN 牵引方式生产年代

BM-100 0.75-1.3 120 (液压)锚链牵引70

5MG200-B 0.8-1.5 160 (液压)锚链牵引70

MG344-PWD 1.0-1.8 180 (液压)锚链牵引70 MG250-BW 0.9-1.6 350/262 (交流)齿轮—销轨式无链牵引80 MG200/450-BWD 0.85-1.5 440 (液压)无链牵引80-90 MG250/550-BWD 1.0-1.7 440 (交流)无链牵引90

我国薄煤层采煤机经过40多年的发展,技术已趋成熟。但一个突出的问题是:目前我国薄煤层采煤机为方便设计,在行走机构上均采用中厚煤层采煤机所用的相关参数,例如销排节距,一般大都采用126mm。这样做虽能保证其正常运行,但其强度余量过大。

近几年来,我国薄煤层采煤机得到了很大的发展,但在质量和寿命和高新技术应用等方面与国内大型采煤机,特别是与国外采煤机相比,还存在较大的差距。因此我们还需要进一步的改进和更新。

4.1.3薄煤层采煤机的优点机器局限性

我国薄煤层资源分布广泛,113m以下煤层可采储量约占全部可采储量的20%。在一些省、区薄煤层储量比重很大,如四川省占60%,山东省54%,黑龙江省占51%,贵州省占37%。特别是在南方地区,有些省份薄煤层净占50%以上,而且薄煤层分布广,煤质好。但由于其开采煤层厚度薄,与中厚和厚煤层相比,薄煤层机械化开采存在着工作条件差,设备移动困难,煤层厚度变化、断层等地质构造,对薄煤层设备生产性能影响大,以及投入产出比高、经济效益不如厚与中厚煤层等特殊问题,造成薄煤层机械化开采技术发展速度相对缓慢。

另外,对一些薄、厚煤层并存的煤矿,由于薄煤层开采速度缓慢,使其下部的中厚煤层长期得不到及时开采,以至影响工作面的正常接替,而有的就只能被迫丢失一些薄煤层资源。随着大批煤矿中、厚煤层的资源开采比较多,使得资源越来越少,所以薄煤层的开采已列入日程。因此,研制适合我国实际国情的薄煤层采煤机,以适应不同的煤层结构,提高薄煤层采煤的工作效率是当务之急。

4.1.4薄煤层采煤机设计的目的及意义

在产品的总体方案设计阶段，首先要明确产品必须实现哪些功能，还要明确用户使用产品的各种条件和用户对产品的要求和愿望。然后根据国家的技术经济政策，基于设计能力和产品制造技术水平，从宏观方面考虑所要求的功能。并能实现用户要求的各种结构方案，最后经过技术经济评价，确定一种或两种结构方案继续进行结构设计。因此，通过总体结构的方案设计，不至于使产品结构方案出现大的失误，也不至于从开始设计时就纠缠与具体的结构细节而忽略拉总体结构的合理性，甚至照成设计的返工而浪费时间。在此基础上再对薄煤层采煤机的截割部进行细致设计使其有更高的生产效率.

对滚筒式采煤机的使用经验表明只有按照“量体裁衣”的原则来设计采煤机，这样的采煤机才能在煤炭开采中满足要求。到本世纪末，我国原煤的产量必须超过十四亿吨。才能满足我国工农业生产发展的需要。为此必须加大煤炭生产机械化力度，大幅度提高煤炭生产率。这就要求我们不断开采出技术先进，高效率并且可靠的新型采煤机，不仅满足过内生产之需，而且力争打入国际市场。

虽然薄煤层采煤机的型号、规格有许多,但它的各主要组成部分大同小异，其区别主要在截割机构的传动和截割部上,因此合理选择薄煤层采煤机的截割部的参数，可以改善其工作性能和减少采煤比能耗。选择这个题目就是要进一步熟悉薄煤层采煤机各部分的工作原理，对其进行更好的改进，并对它的截割部减速器进行细致分析设计，使其耐用并且省时省力容易装修，使其在工作中能够有更好的经济效益。

4.2 薄煤层采煤机的总体结构方案的设计

4.2.1实现采煤机基本功能的结构方案设计

用于走向长臂采煤法的采煤机应该具有的如下三种基本功能；

（1）把煤从煤煤壁上破碎下来的功能；

（2）把破碎先来的煤装在工作面输送机上的功能；

（3）采煤机能沿着工作面自移的功能；

一、实现破碎煤壁功能结构方案

1、铣削式结构方案

在鼓形滚筒的表面或在旋转滚筒的叶片上安装截齿，滚筒随采煤机前移并自转，截齿便用铣削的方式把煤从煤壁上截割下来，这就是铣削式结构。

具体分为侧铣和端铣两种，侧铣方式中螺旋滚筒结构应用最普遍，其主要优点是它不仅能实现截落煤的功能还能实现装煤的功能；水平旋转轴调整滚筒高度方便，对不同的煤层厚度的适应性好；具有自开缺口的功能等。端铣式结构是在齿冠外侧安装大截齿当齿冠自转并随采煤机移动时，截齿实现破煤功能。这种结构的特点是截齿安装的比较少，煤的块度大，机器能耗小；实现简单，制造容易；负荷变化大，机器动特性较差。

图4-1水平轴螺旋滚筒结构图4-2 垂直轴滚筒结构

图4-3端铣式结构方案

2、钻削式结构方案

钻削式结构在唤醒悬臂的前端安装截齿，这种悬臂的内表面上也安装有截齿。这种结构被称为钻削头，悬臂则被成为钻削臂。当钻削头自转并沿其轴线方向推进时，首先在煤层中由钻削头截割出现截槽，而此环形槽所围成的柱状煤体则被钻削头内的截齿所破碎。这种结构的优点是结构简单，制造方便；集落煤和装煤功能于一体；煤的坡度大，机器能耗低。其缺点是这种结构应布置于采煤机的端面，机身必沿其钻削出的空间前进，因此，机身长；这种结构不能自开缺口；为使地板平整还必须配有截割盘，沿顶板和地板截割煤层，因此使整个机器复杂化；此外这种结构对煤层厚度的适应性小。

3、滚压式结构方案

滚压式破煤结构是在螺旋筒的旋叶上和滚筒端面安装滚演盘刀当,当滚筒前移并自转

时，盘刀压向煤壁，其刃部的挤压和剪切作用达到破没的目的。这种结构的优点在于，彩霞煤的块度大，煤尘明显低；机器能耗小；盘刀寿命长。缺点在于机构复杂，成本高。

采煤机的落煤功能是采煤机的第一功功能，因此，现在把既有落煤功能的结构称为采煤机的工作机构。在采煤机的设计中，工作机构设计的合适与否，对采煤机的工作占有举足轻重的地位。

二、实现装煤功能的设计方案

把煤从煤壁上破碎下来以后，还要装在工作面输送机里运到工作面之外。实现扎中装煤功能的机构与落煤结构的种类有关。经过淘汰和筛选，只有两种类型的装煤结构被广泛应用。

一种是与落煤结构相结合，不仅具有落煤功能而且兼有装煤的功能。比如，螺旋滚筒式工作机构，采煤下来的碎煤被螺旋叶片自煤壁向采空区方向输送，并装到工作面输送机里。另一种是专门用于装煤的机构，如装煤犁，这是一种斜面结构, 和犁地的犁一般，被单独的牵引机构牵引，在工作面往返运行，把碎落在底板上的煤装入输送机里。这种结构往往与没有装煤功能的工作机构配合。

三、实现采煤机自动移动功能的结构方案

采煤机沿工作面移动被称为牵引，能使采煤机实现自移的结构有称作牵引机构。现在广泛应用的牵引机构可以分为两大类；既链牵引机构和无链牵引。

1、链牵引机构

链牵引机构是由圆环链、链轮、和紧链装置组成。牵引链的两端固定在紧链装置上，并与采煤机的链轮啮合。当链轮装动时，由于链轮与圆环链的啮合作用，采煤机便沿牵引链移动。

图4-4 链牵引机构

2、无链牵引机构

随着采煤机功率的不断加大，采煤机的总装机容量已超过1000KW。牵引链中的拉力也已增至400-800KN。因此牵引链机构已限制了采煤机功率的提高。无链牵引机构就随之产生和发展起来了。无链牵引机构种类繁多，大体上可归纳为三类；主动轮—齿条、闭合链—齿条和迈步油缸推进三类。其中主动轮—齿条无链牵引系统应用最广。

4.2.2实现采煤机辅助功能的结构方案

只具有基本功能的采煤机，能勉强完成在工作面破落煤壁和装煤的任务。在实际中还要使用到一些辅助功能，有；适应煤层赋存状况变化的功能、降尘和冷却设备功能、自动托卷电缆功能等。

一、实现适应煤层赋存状况变化功能的机构方案

煤层在地下赋存状态的变化概括起来有三种；煤层厚度的变化、煤层走向波浪起伏以及存在断层、煤层相对于水平面倾角的变化。

1、实现适应煤层厚度变化的功能的结构方案

当煤层厚度随时变化时，两个滚筒的工作高度应当变化，这就需要实现能适应煤层厚度变化的功能的结构，这种结构称为采煤机的调高装置。

2、适应煤层沿走向波浪起伏以及存在的断层的功能的结构方案

采煤机在采空区安装有调斜油缸，采空区侧的滑靴安装在活塞杆上。活塞杆伸缩就改变饿采煤机的倾斜角度。这种结构实现调斜功能得到普遍应用。

3、具有开采大倾角煤层功能的结构方案

当采煤工作面倾角大于10°，一旦及其牵引部失灵，采煤机有可能下滑，具体防滑装置有：

（1）抱闸式防滑装置

（2）盘式制动器防滑装置

（3）辅助牵引与防滑绞车

二、实现降尘和冷却功能的结构

1、实现降尘功能的方案

采煤机的滚筒在截割煤壁的同时，产生的煤尘严重污染井下空气，威胁工人身体健康。因此降尘是采煤机的重要辅助功能。

降尘措施有很多种，归纳起来有：

（1）提高采煤机牵引速度，降低截煤滚筒的转速，增大碎煤块度，能明显降低煤尘。

（2）滚筒轴垂直于采煤机机面，即采用立滚筒，使截齿沿煤层层理截割，也能降低煤尘。

（3）在可能条件下，减少滚筒上安装截齿的数量增大碎煤的块度，降低煤尘。

（4）实现滚筒自动调高，避免滚筒截割工作面顶板和底板，从而降低牵引速度，避免煤尘大量生成。

（5）吸入式降尘机构，压力水精油在滚筒轴内的中心管送到喷嘴，有喷嘴喷出压力水在水束周围形成负压区，含尘空气被吸入负压区并随水束穿过滚筒内部降尘后，重新进入截煤空间。空气就这样在滚筒内循环被净化，降尘效果比较好。

（6）用喷雾降尘，压力水经过喷嘴后雾化，极小的液滴充满滚筒截煤区，液滴与粉尘相碰而被不捉。一般采煤机内外喷雾都有，降尘效果很好。

（7）泡沫灭尘，有发泡剂的水自喷嘴喷出进入一个与喷嘴紧挨的罩体。大量的泡沫从罩体射出，笼罩了截煤滚筒的周围，使煤尘源与周围空气隔绝，并使煤粉被泡沫捕捉。这种灭尘方式效果最佳。

2、实现冷却功能的方案

采煤机的冷却功能是由实现的。让喷雾水首先流过需要冷却的不见，实现冷却功能，然后再被送到喷雾系统中。因此，冷却与喷雾水是一个供水系统。

三、实现自动卷电缆功能的结构方案

采煤机是采煤工作面内的移动机械，因此，对采煤机供电必须用橡胶电缆。当采煤机工作面很长时，被采煤机拖移的电缆很长，而且很重。如果采煤机直接拉引电缆本身，电缆容易被拉断。因此要用专门的电缆拖移装置。一般使用电缆尼龙夹板组成的夹板链，它由框形夹板用铆钉链接而成。每段长0.71m，各段之间再由销轴连接。框行夹板在断面为U形，在夹板链中其开口朝向才空区侧。夹板链终端借助于可回转的弯头悬挂于采煤机身上。板式链仅位于弯头处，意在改善夹板链端受力状况。其优点在于，使电缆在采煤机折返工作中折曲灵活，不易侧倒；而且有效的保证在采煤机牵引过程中使电缆免受拉力；朔料夹板重量轻，强度足够，使电缆免受碰伤。