CN102996130B - 适用于模型试验的自动化微型采煤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于模型试验的自动化微型采煤系统，包括高度可调节的支架，所述支架的一端设有旋转电机，支架上设有步进电机和液压支腿，支架另一端设有采煤装置，所述旋转电机和步进电机均与采煤装置相连；所述步进电机、旋转电机和液压支腿分别和自动控制系统相连接。该系统易操作、自动化程度高，煤层回采时先开挖上下顺槽，然后形成开切眼，从开切眼处向外开挖，隐蔽式开挖，真实模拟煤层回采过程。

Description

适用于模型试验的自动化微型采煤系统

技术领域

本发明涉及一种在无煤柱煤与瓦斯共采模拟试验当中应用的微型采煤机，尤其是一种适用于模型试验的自动化微型采煤系统。

背景技术

煤矿开采后，上覆岩层破裂，在采场四周形成应力泄压区和岩层破裂区，从而增加煤体与岩层的透气性，煤体中的瓦斯气体就会释放，在裂隙区内运移。对于高瓦斯或煤与瓦斯突出煤层，为了避免瓦斯爆炸等事故，一般需要进行采前预先抽放以及开采过程中进行瓦斯抽放与治理，降低煤层中的瓦斯含量，为了提高瓦斯抽放效率，需要研究开采过程中瓦斯的运移规律。目前关于瓦斯运移规律研究主要是理论分析、数值模拟计算、现场观测以及模拟试验等方法，其中模拟试验要成功，就需要研制一套能够真实模拟现场回采过程的微型采煤机。

目前相关微型采煤机的研究现状如下：

（1）申请号为200710118254.3的中国专利公开了一种煤与瓦斯共采三维模拟实验台，包括箱体，箱体上设有加压装置，用于对箱体内的岩石均匀加载，实现矿压模拟；该实验台还设有采煤装置，采煤装置可在箱体底部移动，模拟采煤机割煤过程。底板采煤，实际反映的是模型在没有底板的情况下运动跨落状态，这种采煤方法与实际差别很大，并不能完全反映实际情况，其配置的采煤装置也仅能适用于模拟底板采煤，并不能适用于模拟其他岩煤层的开采过程。

（2）申请号为200820172271.5的中国专利公开了一种用于采场矿压三维物理模拟试验台的新型采煤装置，特征是包括一工作支撑台架及一微型开采机构，微型开采机构能置放在工作支撑台架上，在人工操作下微型开采机构能沿工作支撑相应移动进抵工位，上述工作支撑台架设置高度调节结构。该试验装置自动化程度不高，采煤推进需由人工完成，无法保证速度的均匀性，且回采过程由外部向内开采，不能真实模拟现场实际采煤情况，无法真实反映上覆岩层的破裂坍塌过程。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于模型试验的自动化微型采煤系统，该系统易操作、自动化程度高，煤层回采时先开挖上下顺槽，然后形成开切眼，从开切眼处向外开挖，隐蔽式开挖，真实模拟煤层回采过程。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于模型试验的自动化微型采煤系统，包括高度可调节的支架，所述支架的一端设有旋转电机，支架上设有步进电机和液压支腿，支架另一端设有采煤装置，所述旋转电机和步进电机均与采煤装置相连；所述步进电机、旋转电机和液压支腿分别和自动控制系统相连接。

所述采煤装置包括预埋开切眼，所述预埋开切眼中设有C型挡罩、采煤机滚筒、通风管、伞齿轮、伞齿轮转动轴承和花键轴，所述C型挡罩固定安装于采煤机滚筒的后部，通风管一端与C型挡罩上的通风口固定连接，另一端固定在伞齿轮上，伞齿轮安装于采煤机滚筒两端，伞齿轮通过花键轴与旋转轴相连，旋转轴与旋转电机相连；采煤机滚筒与伞齿轮接触部位设有滚筒支架，采煤机滚筒、伞齿轮、花键轴和伞齿轮转动轴承均安装在滚筒支架上，形成一个联动整体，旋转轴通过花键轴与其上的伞齿轮连接。

所述伞齿轮转动轴承安装于伞齿轮与滚筒支架接触处。

所述旋转轴外部设有旋转轴外套，旋转轴外套一端固定于旋转电机上，其旋转轴外套下部设有齿条，所述齿条与连接在步进电机上的齿轮啮合。

预埋开切眼为一面开口的中空长方体钢架，两端各向外伸出一个耳朵状构件，预埋开切眼的高度大于采煤机滚筒，预埋开切眼预埋在采煤机滚筒外部。

所述C型挡罩上部设置有橡胶挡风垫，两侧有通风口，并安装固定在采煤机滚筒后部，同采煤机滚筒一起水平运动。采煤机滚筒采煤时形成的回采落料存储于C型挡罩内，并由外部风流通过通风口带出C型挡罩。

所述采煤机滚筒为外部带有滚刀的中空圆筒，两端分别安装有伞齿轮，伞齿轮与滚筒支架接触处安装有伞齿轮转动轴承，以确保伞齿轮带动的采煤机滚筒能够平稳顺畅的运行。采煤机滚筒由旋转轴通过伞齿轮带动旋转，整个回采过程可以通过外部自动化控制系统实现精确控制。

所述滚筒支架位于采煤机滚筒与伞齿轮接触部位，用以支撑采煤机滚筒旋转，保护预埋件免受回采煤尘的干扰。采煤机滚筒、伞齿轮、花键轴和伞齿轮转动轴承均安装在滚筒支架上，形成一个联动整体，外部旋转轴通过花键轴与其连接，并通过伞齿轮带动采煤机滚筒旋转，当旋转轴由旋转轴外套带动水平移动时，整个联动整体也跟随其一起向外水平运动，完成回采过程。

所述通风管一端安装固定在C型挡罩通风口上，另一端固定在伞齿轮上，用以在回采过程中通风，由风力带走回采落料。

所述伞齿轮为动力传递装置，通过旋转轴传递外部旋转电机产生的旋转力，带动内部采煤机滚筒旋转割煤，伞齿轮内部为贯通的中空结构，通风管安装在伞齿轮头部，外部风流由此进入或抽出C型挡罩。

所述花键轴用以连接预埋伞齿轮和旋转轴，内部为贯通的中空结构，可以用来通风。花键轴中部设置有键，可以通过旋转轴上的键道和键槽将两者连接在一起，以传递外部旋转力。

所述旋转轴为中空圆筒轴，在其两端安装有旋转轴支撑轴承，靠近旋转电机的一端设有进回风孔，旋转轴支撑轴承靠近进回风孔一侧安装有密封垫，当外部风流通过风管进入旋转轴外套时，由于密封垫的阻挡作用，风流由进回风孔进入旋转轴内部流动，并依次通过花键轴、伞齿轮、通风管到达C型挡罩。

所述旋转轴外套安装在旋转轴外部，靠近旋转电机一侧外表面上加工有风管连接法兰，外部风管可以由此固定在旋转轴外套上，其中旋转轴外套露出模型一端通过旋转轴外套法兰由螺栓固定在旋转电机上，旋转轴外套下部加工有齿条，由齿轮带动其水平运动。

所述旋转轴约束滚轮为中间部分内凹的圆柱型橡胶轮，由滚轮支架固定在高度可调节支架上，在滚轮支架和旋转轴约束滚轮之间安装有约束滚轮轴承，可以保证旋转轴约束滚轮平稳顺畅的运行。

所述高度可调节支架为框架结构，其上安装有液压支腿、滚轮支架、步进电机固定托架和支架加固斜撑，底部设有支架移动滚轮。液压支腿由螺旋当高度可调节支架需要升起以适应回采高度时，由自动化控制系统控制液压支腿升起，从而带动整套微型采煤系统向上移动。

所述步进电机由步进电机固定托架固定在高度可调节支架上。步进电机转轴上带有键，可以通过齿轮上的键槽与其连接在一起。

本发明的有益效果是，

1.该装置适用于矿山模型试验水平煤层和倾斜煤层的隐蔽式自动化开挖。

2.该装置可应用于模型部分回采预埋开切眼隐蔽式开挖，也可应用于模型通长回采后部安装开挖。

3.该装置预埋在试验模型内，回采时需要先开挖上下顺槽，形成开切眼，回采的料存储于C型挡罩内，由风力运出模型试验装置，能够真实模拟现场实际情况。

4.该装置自动化程度高，无需人工推进，由自动化控制系统控制回采的整个过程。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图；

图2是本发明试验装置的侧视图；

图3是图1中A-A向的剖面视图；

图4是图1、2中B-B向剖面视图；

图5是图1中Ⅰ部分放大图；

图6是图1中Ⅱ部分放大图；

图7是图1中Ⅲ部分放大图；

图8是图2中Ⅳ部分放大图；

其中，1.预埋开切眼，2.C型挡罩，3.采煤机滚筒，4.滚筒支架，5.通风管，6.伞齿轮，7.伞齿轮转动轴承，8.花键轴，9.旋转轴，10.回采上顺槽，11.回采下顺槽，12.旋转轴支撑轴承，13.旋转轴外套，14.步进电机，15.旋转轴约束滚轮，16.高度可调节支架，17.液压支腿，18.滚轮支架，19.旋转电机，20.齿条，21.齿轮，22.支架移动滚轮，23.约束滚轮轴承，24.步进电机固定托架，25.支架加固斜撑，26.通风口，27.回采落料，28.橡胶挡风垫，29.密封垫，30.进回风孔，31.风管连接法兰，32.风管，33.旋转轴外套法兰，34.螺栓，35.试验模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图8所示，适用于模型试验的自动化微型采煤系统，包括预埋开切眼1、C型挡罩2、采煤机滚筒3、滚筒支架4、通风管5、伞齿轮6、伞齿轮转动轴承7、花键轴8、旋转轴9、回采上顺槽10、回采下顺槽11、旋转轴支撑轴承12、旋转轴外套13、步进电机14、旋转轴约束滚轮15、高度可调节支架16、液压支腿17、滚轮支架18、旋转电机19、齿条20、齿轮21、支架移动滚轮22、约束滚轮轴承23、步进电机固定托架24、支架加固斜撑25、通风口26、回采落料27、橡胶挡风垫28、密封垫29、进回风孔30、风管连接法兰31、风管32、旋转轴外套法兰33和螺栓34，其中步进电机14、旋转电机19和液压支腿17分别和自动控制系统相连接。

预埋开切眼1为一面开口的中空长方体钢架，两端各向外伸出一个耳朵，用以保护预埋件如C型挡罩2、采煤机滚筒3、通风管5、伞齿轮6、伞齿轮转动轴承7和花键轴8，预埋开切眼1的高度略大于采煤机滚筒3，预埋在采煤机滚筒3外部。回采形成前先由外部开挖试验模型35的回采上顺槽10和回采下顺槽11，形成开切眼后安装旋转轴9和旋转轴外套13等外部部件。

C型挡罩2上部设置有橡胶挡风垫28，两侧有通风口26，并安装固定在采煤机滚筒3后部，同采煤机滚筒3一起水平运动。采煤机滚筒3采煤时形成的回采落料27存储于C型挡罩2内，并由外部风流通过通风口26带出C型挡罩2。

采煤机滚筒3为外部带有滚刀的中空圆筒，两端分别安装有伞齿轮6，伞齿轮6与滚筒支架4接触处安装有伞齿轮转动轴承7，以确保伞齿轮6带动的采煤机滚筒3能够平稳顺畅的运行。采煤机滚筒3由旋转轴9通过伞齿轮6带动旋转，整个回采过程可以通过外部自动化控制系统实现精确控制。

滚筒支架4位于采煤机滚筒3与伞齿轮6接触部位，用以支撑采煤机滚筒3旋转，保护预埋件免受回采煤尘的干扰。采煤机滚筒3、伞齿轮6、花键轴8和伞齿轮转动轴承7均安装在滚筒支架4上，形成一个联动整体，外部旋转轴9通过花键轴8与其连接，并通过伞齿轮6带动采煤机滚筒3旋转，当旋转轴9由旋转轴外套13带动水平移动时，整个联动整体也跟随其一起向外水平运动，完成回采过程。

通风管5一端安装固定在C型挡罩2通风口上，另一端固定在伞齿轮6上，用以在回采过程中通风，由风力带走回采落料27。

伞齿轮6为动力传递装置，通过旋转轴9传递外部旋转电机19产生的旋转力，带动内部采煤机滚筒3旋转割煤，伞齿轮6内部为贯通的中空结构，通风管5安装在伞齿轮6头部，外部风流由此进入或抽出C型挡罩2。

花键轴8用以连接预埋伞齿轮6和旋转轴9，内部为贯通的中空结构，可以用来通风。花键轴8中部设置有键，可以通过旋转轴9上的键道和键槽将两者连接在一起，以传递外部旋转力。

旋转轴9为中空圆筒轴，在其两端安装有旋转轴支撑轴承12，靠近旋转电机19的一端设有进回风孔30，旋转轴支撑轴承12靠近进回风孔30一侧安装有密封垫29，当外部风流通过风管32进入旋转轴外套13时，由于密封垫29的阻挡作用，风流由进回风孔30进入旋转轴9内部流动，并依次通过花键轴8、伞齿轮6、通风管5到达C型挡罩2。

旋转轴外套13安装在旋转轴9外部，靠近旋转电机19一侧外表面上加工有风管连接法兰31，外部风管32可以由此固定在旋转轴外套13上，其中旋转轴外套13露出模型一端通过旋转轴外套法兰33由螺栓34固定在旋转电机19上，旋转轴外套13下部加工有齿条20，由齿轮21带动其水平运动。

旋转轴约束滚轮15为中间部分内凹的圆柱型橡胶轮，由滚轮支架18固定在高度可调节支架16上，在滚轮支架18和旋转轴约束滚轮15之间安装有约束滚轮轴承23，可以保证旋转轴约束滚轮15平稳顺畅的运行。

高度可调节支架16为框架结构，其上安装有液压支腿17、滚轮支架18、步进电机固定托架24和支架加固斜撑25，底部设有支架移动滚轮22。当高度可调节支架16需要升起以适应回采高度时，由自动化控制系统控制液压支腿17升起，从而带动整套微型采煤系统向上移动。

步进电机14由步进电机固定托架24固定在高度可调节支架16上。步进电机转轴上带有键，可以通过齿轮21上的键槽与其连接在一起。

模型部分回采预埋开切眼隐蔽式开挖：

在模型制作时根据煤层设计标高和倾斜角度，在设定回采位置预埋开切眼1，C型挡罩2、采煤机滚筒3、滚筒支架4、通风管5、伞齿轮6、伞齿轮转动轴承7和花键轴8，均放置于预埋开切眼1内。模型制作完成后加载，开始试验时，需要开挖回采上顺槽10和回采下顺槽11。然后，将本发明装置的高度可调节支架16推到试验模型35外侧，根据煤层倾角和高度调节液压支腿17；然后将旋转轴9沿上下顺槽插入花键轴8并固定，同时将风管32通过风管连接法兰31与旋转轴外套13的进回风孔30连接，两个风管32分别接鼓风机和抽风机，形成风流；然后控制步进电机14和旋转电机19工作，分别带动采煤机滚筒2和旋转轴外套13转动和平移，开始模拟煤层回采，直至完成试验过程。

模型通长回采后部安装开挖：

根据煤层设计标高和倾斜角度制作模型，模型制作完成后加载、开始试验。

首先开挖回采上顺槽10和回采下顺槽11，然后，将本发明装置的高度可调节支架16推到实验模型35外侧，根据煤层倾角和高度调节液压支腿17；然后将旋转轴9沿上下顺槽，在模型后部安装C型挡罩2、采煤机滚筒3、滚筒支架4、通风管5、伞齿轮6、伞齿轮转动轴承7和花键轴8，将花键轴8于旋转轴9连接固定；同时将风管32通过风管连接法兰31与旋转轴外套13的进回风孔30连接，两个风管32分别接鼓风机和抽风机，形成风流；然后控制步进电机14和旋转电机19工作，分别带动采煤机滚筒2和旋转轴外套13转动和平移，开始模拟煤层回采，直至完成试验过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种适用于模型试验的自动化微型采煤系统，其特征是，包括高度可调节的支架，所述支架的一端设有旋转电机，支架上设有步进电机和液压支腿，支架另一端设有采煤装置，所述旋转电机和步进电机均与采煤装置相连；所述步进电机、旋转电机和液压支腿分别和自动控制系统相连接；

所述采煤装置包括预埋开切眼，所述预埋开切眼中设有C型挡罩、采煤机滚筒、通风管、伞齿轮、伞齿轮转动轴承和花键轴，所述C型挡罩固定安装于采煤机滚筒的后部，通风管一端与C型挡罩上的通风口固定连接，另一端固定在伞齿轮上，伞齿轮安装于采煤机滚筒两端，伞齿轮通过花键轴与旋转轴相连，旋转轴与旋转电机相连；采煤机滚筒与伞齿轮接触部位设有滚筒支架，采煤机滚筒、伞齿轮、花键轴和伞齿轮转动轴承均安装在滚筒支架上，形成一个联动整体，旋转轴通过花键轴与其上的伞齿轮连接；

所述支架为框架结构，其上安装有液压支腿、滚轮支架、步进电机固定托架和支架加固斜撑，底部设有支架移动滚轮，步进电机固定托架上安装有步进电机，支架加固斜撑位于步进电机固定托架下方。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述伞齿轮转动轴承安装于伞齿轮与滚筒支架接触处。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述旋转轴外部设有旋转轴外套，旋转轴外套露出模型一端通过旋转轴外套法兰由螺栓固定在旋转电机上，其旋转轴外套下部设有齿条，所述齿条与连接在步进电机上的齿轮啮合；旋转轴外部靠近旋转电机一侧外表面上加工有风管连接法兰，外部风管由此固定在旋转轴外套上。

4.如权利要求1所述的系统，其特征是，预埋开切眼为一面开口的中空长方体钢架，两端各向外伸出一个耳朵状构件，预埋开切眼的高度大于采煤机滚筒，预埋开切眼预埋在采煤机滚筒外部。

5.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述C型挡罩上部设置有橡胶挡风垫，两侧有通风口；所述采煤机滚筒为外部带有滚刀的中空圆筒。

6.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述伞齿轮为动力传递装置，伞齿轮内部为贯通的中空结构，通风管一端安装在伞齿轮头部，另一端安装固定在C型挡罩通风口上。

7.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述花键轴内部为贯通的中空结构，中部设置有键，通过旋转轴上的键道和键槽将花键轴和旋转轴连接在一起。

8.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述旋转轴为中空圆筒轴，其两端安装有旋转轴支撑轴承，靠近旋转电机的一端设有进回风孔，旋转轴支撑轴承靠近进回风孔一侧安装有密封垫；

所述旋转轴通过旋转轴约束滚轮约束，所述旋转轴约束滚轮为中间部分内凹的圆柱型橡胶轮，其由滚轮支架固定在高度可调节的支架上，在滚轮支架和旋转轴约束滚轮之间安装有约束滚轮轴承。