CN105064994A - 一种机载连续成槽卸压采煤装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载连续成槽卸压采煤装备及方法，该装备包括采煤机、升降装置和截割装置；采煤机电控箱前方设有三角架，在电控箱和三角架上边固定有固定板，升降装置安装在固定板上面，在升降装置中间设有可升降的操作台，操作台上安装有截割装置；截割装置中设有截割钻杆，采煤机割煤行走过程中，截割钻杆在煤壁前方割出一条长槽，割出的长槽将煤体的连续性割断,增大了煤体的暴露面积，使长槽周围煤体卸压,应力梯度下降,煤层中积聚的弹性潜能释放，应力集中带向煤体深部连续推移。开掘卸压槽后可在工作面前方形成沿回采工作面倾向（走向）连续稳定的卸压区，从而有效的防止煤与瓦斯突出及冲击地压的发生，保障采煤机的连续稳定作业。

Description

一种机载连续成槽卸压采煤装备及方法

技术领域

本发明属于煤矿回采工作面成槽卸压技术领域，具体涉及一种综采工作面采煤机割煤与成槽卸压、探测煤层构造和防止煤与瓦斯突出及冲击地压一体化的装备与方法。

背景技术

煤与瓦斯突出和冲击地压是突出矿井和冲击矿井生产过程中常发生的严重自然灾害之一。近年来，随着采掘深度的不断增加，地应力与瓦斯压力不断加大，煤炭开采的地质条件和技术条件也日趋复杂，回采工作面发生煤与瓦斯突出和冲击地压的次数和强度逐渐加大。由于回采工作面人员较为集中、机械设备复杂，一旦发生煤与瓦斯突出和冲击地压，更易造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。突出和冲击地压事故给煤矿安全生产造成了严重威胁。因此，通过对目前回采工作面防突和防冲击技术存在的问题进行系统的研究，找出这些事故发生的共性原因，提出有针对性的防治措施，对于保障煤矿的安全生产具有重要的现实意义。

关于突出的综合作用假说认为：突出是煤的物理力学性质、地应力和瓦斯压力三者共同作用的结果。在此三个影响突出的因素中，如果可以消除或者减弱任何一个都会对降低突出危险产生有利影响。目前，我国回采工作面防治煤与瓦斯突出的区域性措施一般有开采保护层、抽采钻孔预抽煤层瓦斯等。作为预防煤与瓦斯突出最有效、最经济的措施，开采保护层一直受到广大煤矿技术人员的欢迎。然而，对于大部分地区的单一煤层回采工作，却面临着无保护层可采的尴尬。通过抽采钻孔预抽煤层瓦斯的技术也存在着抽采时间长，作业效率低，工艺复杂，费工费时等诸多问题，尤其对于松软、低透气性的高突煤层，打钻时容易发生卡钻、抱钻、塌孔、堵孔、喷孔等现象，成孔率低，抽采钻孔寿命短，煤储层裂隙不发育，瓦斯渗流运移不畅，使得后期有效抽采时间短，衰减速度快，抽采效果并不理想。此外，对于局部防突措施，例如松动爆破、超前钻孔、煤体注浆、水力冲孔等也都存在着有效影响范围小、工艺复杂、机械化程度低，劳动强度大、成本高等问题不一而足。与此同时，研究则表明，煤与瓦斯突出的不均衡分布与地质因素有关，地质构造是控制煤与瓦斯突出分布的主导性因素，影响煤与瓦斯突出的地质构造包括褶曲、节理、断层、构造煤分层、煤层厚度变化以及岩浆侵入等。因此，针对煤层构造的精确探测对提升矿井防治煤与瓦斯突出措施的有效性有着重大的现实意义。

而对于治理冲击地压的方法则主要有开采保护层、煤层注水、顶板断裂和卸压爆破(或松动爆破)等。对于开采单一煤层的矿井来说，同样面临着无保护层可采的尴尬。最常用的解危措施是煤层注水和卸压爆破。然而，煤层注水通常耗时长、遇到断层等地质构造时无法施工，单纯的卸压爆破无可避免的引起扰动，易造成人为因素诱发的冲击地压。

因此，对于空间有限、工作人员相对集中、机器设备复杂的回采工作面的生产工作，找到一种机械化程度高、适应性强、安全高效、经济可靠的防治煤与瓦斯突出和冲击矿压的方法成为煤矿生产的当务之急。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种机载连续成槽卸压采煤装备及方法，通过在采煤机设备上安装一套成槽装置，在割煤的同时利用采煤机行走提供的横向推力在工作面煤壁上割出一条卸压长槽，使工作面的应力集中带向煤体深部连续推移,实现破煤与成槽卸压一体化以预防煤与瓦斯突出和冲击矿压的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种机载连续成槽卸压采煤装备，包括采煤机，采煤机的电控箱前侧设有三脚架，三脚架和电控箱顶部水平设有矩形的固定板，固定板上设有升降装置，升降装置中部设有高度可调整的操作台，操作台上设有截割装置；

升降装置包括垂直设在固定板上的立柱，立柱上端设有连接件，连接件上设有与立柱平行且可自由转动的丝杆，操作台上在对应位置设有分别穿过立柱和丝杆的光面孔和螺孔，丝杆与螺孔螺纹连接。

所述立柱和丝杆一共设有四组，每组立柱和丝杆呈对称分布于固定板的四个角。

所述截割装置包括设在操作台的防爆电机和夹持装置，防爆电机通过联轴器传动连接有减速器，减速器的动力输出端通过固定键传动连接有外截面呈方形的传动杆，传动杆的动力输出端穿过夹持装置并同轴向丝扣连接有截割钻杆，截割钻杆的另一端设有钻头。

所述夹持装置包括底座、设在底座上的外固定套以及同轴线设在外固定套内部的内转动套，底座通过螺栓固定在操作台上，外固定套内壁沿圆周方向设有外环形槽，内转动套外壁沿圆周方向设有与外环形槽对应的内环形槽，外环形槽与内环形槽之间设有一圈滚珠，内转动套中心沿轴向方向开设有方孔，传动杆插设在方孔内并与方孔内壁相适配传动扭矩。

所述截割钻杆上设有呈螺旋分布的凸棱条，凸棱条顶部边缘上焊接有与凸棱条长度相等的截割刀齿；截割钻杆长6-10m。

一种机载连续成槽卸压采煤方法，包括以下步骤

（1）根据采高、煤层的物理性质等参数设计成槽数目及成槽高度；

（2）在工作面煤壁上钻出一个深钻孔；

（3）通过旋转丝杆升高或者降低操作台高度，使传动杆距固定板距离与所设计成槽高度相等，相应调整采煤机在刮板输送机上的位置，安装截割钻杆与传动杆丝扣连接，使截割钻杆伸入到钻孔内；

（4）开动操作台上的防爆电机，待钻杆旋转稳定后，开启采煤机，采煤机随着刮板输送机割煤行走的同时，截割钻杆在煤壁上开挖出一条长槽。

在工作面煤壁上钻出的深孔孔径和深度必须要大于截割钻杆的外径和截割钻杆长度，其高度与截割钻杆高度持平。

对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割一刀的单向割煤方法，当采煤机从工作面端部进刀时，人工钻出的钻孔位置必须在进刀的工作面端部；采煤机割煤刻槽至工作面另一端头后，必须退掉截割钻杆，待采煤机空牵引返回进刀端头完成进刀后，重新在上一循环的刻槽中钻出深孔，安装截割钻杆，使钻杆伸入到所刻槽中，重复上一循环。

对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割一刀的单向割煤方法，当采煤机滚筒为工作面中部斜切进刀时，人工钻出的钻孔位置必须在进刀的工作面中部；采煤机割煤至工作面左端后，必须退掉截割钻杆，待采煤机空牵引至工作面中部，沿刮板输送机弯曲段斜切进刀前，在工作面中部煤壁上人工钻出钻孔，安装截割钻杆，使钻杆伸入到上一循环所刻槽中，继续割煤造缝至工作面右端后，必须退掉截割钻杆，移直输送机，采煤机空牵引至工作面中部滚筒割煤之前，安装截割钻杆，采煤机自中部开始割煤刻槽至工作面左端，重复上一循环。

对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割两刀的穿梭割煤方法，在整个割煤过程中，无需退钻，随着滚筒的进刀，截割钻杆在煤壁上割出的长槽向工作面拟回采煤层深部连续推移。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、防治煤与瓦斯突出，相比目前回采工作面回采前施工的卸压抽（排）采钻孔，本发明刻出的长槽大大增加了煤层的暴露面积，从而更有利于煤层中瓦斯的排放，随着采煤机滚筒的不断进刀，可以实现刻槽向深部连续推移，具有可连续施工、耗时短、效率高、与采煤机机身合一，不需额外钻具，适应采掘空间狭小的优点。

2、防止冲击地压，回采工作面连续刻槽能有效卸载前方煤体承受的应力，使应力梯度下降,煤层中积聚的弹性潜能释放，应力集中带向煤体深部连续推移；开掘卸压槽后可在工作面前方形成沿回采工作面倾向（走向）连续稳定的卸压区，从而有效防止冲击地压的发生。

3、在采煤之前的连续刻槽可起到对回采工作面前方煤体地质构造等特征变化的提前预报功能，为采煤机的连续稳定作业提供预警预报功能。

5、本发明依靠防爆电机驱动，采煤机自身行走提供横向推力截割煤体，改变了以往人工用煤电钻钻卸压孔排放瓦斯时劳动强度大，机械化程度低的不足，使工人从繁重的体力劳动中解放出来。

4、本发明可以根据采高、煤层的物理性质等参数设计成槽数目，通过调整升降装置实现成槽位置的变化，适应性强，结构简单，成本低廉，拆卸方便，便于维修和更换损坏的零件，实现了破煤与刻槽卸压一体化作业。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图2中截割装置的俯视图

图4为本发明夹持装置的断面结构示意图

图5为图4中A-A向剖视图

图6、图7、图8、图9和图10分别为本发明施工实例的俯视图。

具体实施方式

对于冲击型矿井，埋深523m，平均厚度3m的单一具有突出危险性的煤层，倾角6°—12°。煤层相对瓦斯含量13m3/t，瓦斯压力1.8MPa。煤层直接顶为砂岩，底板为炭质泥岩或泥岩。

如图1-图5所示，本发明的一种机载连续成槽卸压采煤装备，包括采煤机20，采煤机20的电控箱2前侧设有三角架3，三角架3和电控箱2顶部水平设有矩形的固定板4，固定板4上设有升降装置，升降装置中部设有高度可调整的操作台7，操作台7上设有截割装置；

升降装置包括垂直设在固定板4上的立柱5，固定板4为矩形结构，立柱5上端设有连接件21，连接件21上设有与立柱5平行且可自由转动的丝杆6，操作台7上在对应位置设有分别穿过立柱5和丝杆6的光面孔和螺孔，丝杆6与螺孔螺纹连接。

立柱5和丝杆6一共设有四组，每组立柱5和丝杆6呈对称分布于固定板4的四个角。

截割装置包括设在操作台7的防爆电机8和夹持装置12，防爆电机8通过联轴器9传动连接有减速器10，减速器10的动力输出端通过固定键传动连接有外截面呈方形的传动杆11，传动杆11的动力输出端穿过夹持装置12并同轴向丝扣连接有截割钻杆13，截割钻杆13的另一端设有钻头16。

夹持装置12包括底座22、设在底座22上的外固定套12-1以及同轴线设在外固定套12-1内部的内转动套12-3，底座22通过螺栓固定在操作台7上，外固定套12-1内壁沿圆周方向设有外环形槽，内转动套12-3外壁沿圆周方向设有与外环形槽对应的内环形槽，外环形槽与内环形槽之间设有一圈滚珠12-2，内转动套12-3中心沿轴向方向开设有方孔，传动杆11插设在方孔内并与方孔内壁相适配传动扭矩。

截割钻杆13上设有呈螺旋分布的凸棱条14，凸棱条14顶部边缘上焊接有与凸棱条14长度相等的截割刀齿15；截割钻杆13长6-10m。

一种机载连续成槽卸压采煤方法，包括以下步骤

（1）根据采高、煤层的物理性质等参数设计成槽数目及成槽高度；

（2）在工作面煤壁上钻出一个深钻孔；

（3）通过旋转丝杆6升高或者降低操作台7高度，使传动杆11距固定板4距离与所设计成槽高度相等，相应调整采煤机20在刮板输送机18上的位置，安装截割钻杆13与传动杆11丝扣连接，使截割钻杆13伸入到钻孔内；

（4）开动操作台7上的防爆电机8，待钻杆旋转稳定后，开启采煤机20，采煤机20随着刮板输送机18割煤行走的同时，截割钻杆13在煤壁上开挖出一条长槽。

在工作面煤壁上钻出的深孔孔径和深度必须要大于截割钻杆13的外径和截割钻杆13长度，其高度与截割钻杆13高度持平。

对于不同的割煤方式和进刀方式，所述步骤（4）包括如下3种情况：

1、对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割一刀的单向割煤方法，当采煤机20从工作面端部进刀时，人工钻出的钻孔位置必须在进刀的工作面端部；采煤机20割煤刻槽至工作面另一端头后，必须退掉截割钻杆13，待采煤机20空牵引返回进刀端头完成进刀后，重新在上一循环的刻槽中钻出深孔，安装截割钻杆13，使钻杆伸入到所刻槽中，重复上一循环。

2、对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割一刀的单向割煤方法，当采煤机20滚筒为工作面中部斜切进刀时，人工钻出的钻孔位置必须在进刀的工作面中部；采煤机20割煤至工作面左端后，必须退掉截割钻杆13，待采煤机20空牵引至工作面中部，沿刮板输送机18弯曲段斜切进刀前，在工作面中部煤壁上人工钻出钻孔，安装截割钻杆13，使钻杆伸入到上一循环所刻槽中，继续割煤造缝至工作面右端后，必须退掉截割钻杆13，移直输送机，采煤机20空牵引至工作面中部滚筒割煤之前，安装截割钻杆13，采煤机20自中部开始割煤刻槽至工作面左端，重复上一循环。

3、对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割两刀的穿梭割煤方法，在整个割煤过程中，无需退钻，随着滚筒的进刀，截割钻杆13在煤壁上割出的长槽向工作面拟回采煤层深部连续推移。

下面对本施工实例采用工作面中部斜切进刀的进刀方式以及割煤方式为往返一次割一刀进行详细阐述。具体步骤如下：（1）施工前，根据煤层厚度为4m的特点，设计刻槽数目为一条，刻槽高度距底板2m；（2）如图6所示，滚筒1割煤至工作面左端后，退掉截割钻杆13，采煤机20空牵引至工作面中部；（3）如图7所示，待采煤机20沿刮板输送机18弯曲段斜切进刀前，人工利用钻机在工作面中部煤壁上钻出一个直径为94mm，深8.3m，距煤层底板1.5m的垂直于煤壁的钻孔；然后同时旋转四条丝杆6，升高或者降低操作台的高度，使传动杆11距底板高度为1.5m，调整采煤机在刮板输送机18上的位置，使传动杆11正对准钻孔，安装截割钻杆13，使长8m、外径75mm的截割钻杆13伸入到钻孔内；最后开动操作台7上的电动机8，待钻杆13旋转正常后，开启采煤机20，电动机8通过传动杆11将扭矩传动给截割钻杆13，通过采煤机在刮板输送机18上的行走传递的向前的推力，截割钻杆13在煤壁上开挖出一条长槽；（4）如图8所示，待采煤机20割煤刻槽至工作面右端后，采煤机20空牵引返回前退掉截割钻杆13，移直刮板输送机18；（5）如图9所示，采煤机空牵引至工作面中部，滚筒1割煤之前，安装截割钻杆13，使钻杆13深入到（3）所刻槽中；（6）如图10所示，开启操作台7上的电动机8，待钻杆13旋转正常后，开启采煤机，采煤机自工作面中部开始割煤刻槽至工作面左端；（7）重复上述步骤（2）—（6）。

随着刮板输送机18的不断推移，采煤机20的滚筒1完成进刀的同时，截割钻杆13刻画出的长槽不断向拟回采煤层深部连续推移，刻槽将煤体的连续性割断,使卸压槽周围煤体完全卸压,应力梯度下降,应力集中带向煤体深部连续推移,煤层中积聚的弹性潜能释放。开掘卸压槽后可在工作面前方形成较大范围的卸压区，使卸压区中的集中应力得以充分的释放，对防治煤与瓦斯突出和冲击矿压起到了良好的效果。

本发明中的实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种机载连续成槽卸压采煤装备，包括采煤机，其特征在于：采煤机的电控箱前侧设有三脚架，三脚架和电控箱顶部水平设有矩形的固定板，固定板上设有升降装置，升降装置中部设有高度可调整的操作台，操作台上设有截割装置；

升降装置包括垂直设在固定板上的立柱，立柱上端设有连接件，连接件上设有与立柱平行且可自由转动的丝杆，操作台上在对应位置设有分别穿过立柱和丝杆的光面孔和螺孔，丝杆与螺孔螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种机载连续成槽卸压采煤装备，其特征在于：所述立柱和丝杆一共设有四组，每组立柱和丝杆呈对称分布于固定板的四个角。

3.根据权利要求2所述的一种机载连续成槽卸压采煤装备，其特征在于：所述截割装置包括设在操作台的防爆电机和夹持装置，防爆电机通过联轴器传动连接有减速器，减速器的动力输出端通过固定键传动连接有外截面呈方形的传动杆，传动杆的动力输出端穿过夹持装置并同轴向丝扣连接有截割钻杆，截割钻杆的另一端设有钻头。

4.根据权利要求3所述的一种机载连续成槽卸压采煤装备，其特征在于：所述夹持装置包括底座、设在底座上的外固定套以及同轴线设在外固定套内部的内转动套，底座通过螺栓固定在操作台上，外固定套内壁沿圆周方向设有外环形槽，内转动套外壁沿圆周方向设有与外环形槽对应的内环形槽，外环形槽与内环形槽之间设有一圈滚珠，内转动套中心沿轴向方向开设有方孔，传动杆插设在方孔内并与方孔内壁相适配传动扭矩。

5.根据权利要求4所述的一种机载连续成槽卸压采煤装备，其特征在于：所述截割钻杆上设有呈螺旋分布的凸棱条，凸棱条顶部边缘上焊接有与凸棱条长度相等的截割刀齿；截割钻杆长6-10m。

6.根据权利要求5所述的一种机载连续成槽卸压采煤方法，其特征在于：包括以下步骤

（1）根据采高、煤层的物理性质等参数设计成槽数目及成槽高度；

（2）在工作面煤壁上钻出一个深钻孔；

（3）通过旋转丝杆升高或者降低操作台高度，使传动杆距固定板距离与所设计成槽高度相等，相应调整采煤机在刮板输送机上的位置，安装截割钻杆与传动杆丝扣连接，使截割钻杆伸入到钻孔内；

（4）开动操作台上的防爆电机，待钻杆旋转稳定后，开启采煤机，采煤机随着刮板输送机割煤行走的同时，截割钻杆在煤壁上开挖出一条长槽。

7.根据权利要求6所述的一种机载连续成槽卸压采煤方法，其特征在于：在工作面煤壁上钻出的深孔孔径和深度必须要大于截割钻杆的外径和截割钻杆长度，其高度与截割钻杆高度持平。

8.根据权利要求7所述的一种机载连续成槽卸压采煤方法，其特征在于：对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割一刀的单向割煤方法，当采煤机从工作面端部进刀时，人工钻出的钻孔位置必须在进刀的工作面端部；采煤机割煤刻槽至工作面另一端头后，必须退掉截割钻杆，待采煤机空牵引返回进刀端头完成进刀后，重新在上一循环的刻槽中钻出深孔，安装截割钻杆，使钻杆伸入到所刻槽中，重复上一循环。

9.根据权利要求7所述的一种机载连续成槽卸压采煤方法，其特征在于：对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割一刀的单向割煤方法，当采煤机滚筒为工作面中部斜切进刀时，人工钻出的钻孔位置必须在进刀的工作面中部；采煤机割煤至工作面左端后，必须退掉截割钻杆，待采煤机空牵引至工作面中部，沿刮板输送机弯曲段斜切进刀前，在工作面中部煤壁上人工钻出钻孔，安装截割钻杆，使钻杆伸入到上一循环所刻槽中，继续割煤造缝至工作面右端后，必须退掉截割钻杆，移直输送机，采煤机空牵引至工作面中部滚筒割煤之前，安装截割钻杆，采煤机自中部开始割煤刻槽至工作面左端，重复上一循环。

10.根据权利要求7所述的一种机载连续成槽卸压采煤方法，其特征在于：对于步骤（4）的割煤方式和进刀方式，具体如下：对于往返一次割两刀的穿梭割煤方法，在整个割煤过程中，无需退钻，随着滚筒的进刀，截割钻杆在煤壁上割出的长槽向工作面拟回采煤层深部连续推移。