急倾斜煤层柔性掩护支架机械化开采系统的制作方法

1.本实用新型属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种急倾斜煤层柔性掩护支架机械化开采系统。


背景技术：

2.急倾斜煤层，是指赋存倾角大于45
°
的煤层，在我国煤炭探明储量中约占比10～20%，多为优质或稀缺资源。由于其倾角较大，不稳定性增加，导致开采难度较大。因此，如何对急倾斜煤层进行安全、高效的开采是众多矿区发展所需要解决的重要问题之一。
3.目前，为改善采煤工作面安全生产条件，保证采煤工作面底板和顶板系统的稳定性，急倾斜煤层中的采煤工作面一般俯伪斜布置，且相关技术中，多用柔性掩护支架采煤法开采急倾斜煤层。柔性掩护支架采煤法是上世纪50～60年代在我国淮南矿区首先实验使用的一种急倾斜煤层非机械化采煤方法。该方法采用钢丝绳将矿用工字钢进行连接，形成柔性支架，柔性支架沿采煤工作面全长铺设；采煤工作面落煤采用“人工 爆破”方式，即利用爆破的方式使煤层松动，再由工作人员进入柔性掩护支架中将煤炭开采，并通过搪瓷（铁皮）溜槽自溜至工作面运输巷。
4.上述方法采煤工作面支护系统稳定、易操作、投资小，但是需要进行人工开采，作业环境恶劣，安全隐患大，且开采效率较低，该方法已无法满足如今对煤炭开采综合产效的要求。
5.另一方面，利用柔性掩护支架采煤法进行煤矿开采时，随采煤工作面的不断推进，柔性掩护支架不仅会在采空区的压力作用下向煤壁方向移进，还会在自身重力作用下沿采煤工作面下移，导致采煤工作面的下端多出部分柔性掩护支架，而采煤工作面的上端则会相应减少部分柔性掩护支架。为保证柔性掩护支架的支护范围能够满足采煤工作面的需求，往往需要工人将下端的柔性掩护支架转移安装至采煤工作面的上端，移架支护过程复杂繁琐，极大程度上加大了工人的劳动程度，严重影响了对急倾斜煤层的开采效率。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的以上不足，本实用新型旨在提供一种急倾斜煤层柔性掩护支架机械化开采系统，以达到保证矿井安全生产、改善工人作业环境并提升煤炭开采综合产效的目的。
7.为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：一种急倾斜煤层柔性掩护支架机械化开采系统，包括沿煤层走向平行设置的工作面运输巷和工作面回风巷，以及俯伪斜布置于煤层中的采煤工作面；其中，采煤工作面中铺设有整体柔性掩护支架，所述整体柔性掩护支架形成区域内设置有采煤机构，所述采煤机构包括与整体柔性掩护支架相配合的行走部，以及旋转方向垂直于煤壁的截割部；所述工作面运输巷与采煤工作面相连接的端部设有用于拆卸柔性掩护支架单体的支架拆卸站，所述工作面回风巷与采煤工作面相连接的端部设有用于装配柔性掩护支架单体的支架装配站。
8.作为本实用新型的限定，还包括用于将柔性掩护支架单体自工作面运输巷转运至工作面回风巷的上山巷道；所述上山巷道设于采煤工作面的前方。
9.作为本实用新型的另一种限定，柔性掩护支架单体包括依次铰接于一体的顶梁、掩护梁和底梁；其中，顶梁和底梁之间设置有活性伸缩支柱。
10.作为本实用新型的进一步限定，柔性掩护支架单体的底梁上设有装配式柔性齿轨；所述采煤机构中行走部与柔性掩护支架单体底梁相接触的一侧设有与装配式柔性齿轨相适配的齿轮卡轨装置，行走部与柔性掩护支架单体顶梁相接触的一侧设有履带装置。
11.作为本实用新型的再进一步限定，还包括用于保证采煤机构稳定行走的牵引机构；所述牵引机构包括设于工作面回风巷的行走绞车，以及设于采煤工作面中且与行走绞车相连接的钢绞线。
12.作为本实用新型的其它限定，柔性掩护支架单体的底梁中还设有搪瓷溜槽，所述搪瓷溜槽通过液压机构与柔性掩护支架单体底梁固连于一体。
13.由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，所取得的有益效果是：
14.（1）本实用新型所公开的煤炭开采系统中，利用采煤机构实现了对急倾斜煤层的机械化开采，有效解决了“人工 爆破”采煤方式安全隐患大、开采效率低的问题；而通过在工作面运输巷中设置支架拆卸站，在工作面回风巷设置支架装配站，可以自主完成柔性掩护支架单体在采煤工作面下端的拆卸以及在采煤工作面上端的安装，易于实现移架支护的机械化和自动化，确保采煤工作面推进过程中整体柔性掩护支架的支护范围可始终满足采煤工作面的需求。本开采系统布置简单，易于实现采煤的机械化、自动化作业，改善工人作业环境、降低工人劳动强度的同时，还能够保证高效的煤炭开采综合产效。
15.（2）本实用新型所公开的煤炭开采系统中，采煤机构截割部的旋转方向由传统平行于煤壁方向改为垂直于煤壁方向，截割部能够与煤壁充分接触，提高煤炭开采效率的同时还能够减少松动煤层对截割部的运行阻力。
16.（3）本实用新型所公开的煤炭开采系统中，柔性掩护支架单体的底梁和顶梁之间设置有活性伸缩支柱，一方面能够提高柔性掩护支架单体承载压力的能力，另一方面也便于柔性掩护支架单体高度的调节，保证柔性掩护支架单体对采煤工作面的良好支护。
17.（4）本实用新型所公开的煤炭开采系统中，通过上山巷道能够快速将柔性掩护支架单体自工作面运输巷转运至工作面回风巷，实现柔性掩护支架单体的循环使用，保证采煤工作面安全高效循环推进的同时，还降低了生产所需成本。
18.（5）本实用新型所公开的煤炭开采系统中，采煤机构的行走部包括履带装置和齿轮卡轨装置，履带装置为采煤机构提供行走动力，而齿轮卡轨装置安装于柔性掩护支架单体底梁中的装配式柔性齿轮上，对采煤机构形成导向作用，可以有效保证采煤机构安全稳定的运行。
19.（6）本实用新型所公开的煤炭开采系统中设置的牵引机构，一方面能够辅助履带装置为采煤机构提供一定的行走动力，另一方面则能够协助齿轮卡轨装置对采煤机构进行导向，防止采煤机构在采煤过程中向煤壁侧下移，可有效提高采煤工作面的安全性。
20.（7）本实用新型所公开的煤炭开采系统中，柔性掩护支架单体底梁上设置的可伸缩搪瓷溜槽，在不影响柔性掩护支架单体移架，并防止采煤机构中截割部对搪瓷溜槽造成破坏的同时，能够实现采煤工作面煤炭的自溜运输。
21.（8）本实用新型在布置巷道系统时，会选择性布置备用巷道，当采煤工作面与上山巷道之间距离大于1500米时，备用巷道能够作为柔性掩护支架单体运输的专用巷道，来适当减少柔性掩护支架单体的运输距离，保证柔性掩护支架单体的快速运输和装配，进而在移架支护时做到高效补充整体柔性掩护支架的有效支护范围。
22.综上所述，本实用新型设计合理、技术简单且施工方便，可有效解决急倾斜煤层机械化开采难度大的问题，极大程度上减少了设备投资，能够实现机械化、自动化、无人智能化开采，适用于倾角大等复杂难开采的煤层。
附图说明
23.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作更进一步详细说明。
24.图1为本实用新型实施例1的平面布置图；
25.图2为本实用新型实施例1中采煤工作面处的剖视图；
26.图3为本实用新型实施例1中柔性掩护支架单体的结构示意图；
27.图4为本实用新型实施例1中采煤机构的结构主视图；
28.图5为本实用新型实施例1中采煤机构的结构侧视图；
29.图6为本实用新型实施例1中装配式柔性齿轮的结构示意图；
30.图中：1、工作面运输巷；2、工作面回风巷；3、采煤工作面；4、上山巷道；5、备用巷道；6、整体柔性掩护支架；7、顶梁；8、掩护梁；9、底梁；10、活性伸缩支柱；11、采煤机构；12、行走部；13、截割部；14、行走绞车；15、钢绞线；16、支架拆卸站；17、支架装配站；18、搪瓷溜槽；19、液压机构；20、履带装置；21、齿轮卡轨装置。
具体实施方式
31.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本实用新型，并不用于限定本实用新型。
32.实施例 1 一种急倾斜煤层柔性掩护支架机械化开采系统
33.本实施例主要适用于倾角大于45
°
的煤层，布置简单、可实现无人化开采，能够有效解决急倾斜煤层机械化开采难度大的问题。
34.如图1所示，本实施例包括沿煤层走向平行设置的工作面运输巷1和工作面回风巷2，以及俯伪斜布置于煤层中并与工作面运输巷1和工作面回风巷2相连通的采煤工作面3。其中，工作面运输巷1位于采煤工作面3的最下端，并延伸至采煤区的边界，内部铺设有轨道，以便将开采的煤炭运输至外部；工作面回风巷2位于采煤工作面3的最上端，并延伸至采煤区的边界，内部设有通风风机，主要为矿井内部提供新鲜风流。因本实施例主要针对急倾斜煤层的开采，所以挖掘工作面运输巷1和工作面回风巷2时，工作面回风巷2一般超前于工作面运输巷1一定距离。
35.更具体的，采煤工作面3中铺设有整体柔性掩护支架6，形成对采空区的支护结构。本实施例中，整体柔性掩护支架6由多个柔性掩护支架单体采用钢丝绳或圆环链连接而成。如图3所示，每个柔性掩护支架单体均由矿用工字钢或特种型钢制造而成，呈多边形结构，包括依次铰接的顶梁7、掩护梁8和底梁9。其中，顶梁7和底梁9之间还设置有用于承载采空区挤推力的活性伸缩支柱10。本实施例中，活性伸缩支柱10即为液压伸缩缸。
36.采煤工作面3中，整体柔性掩护支架6形成区域内设置有采煤机构11。如图4和图5所示，采煤机构11包括行走部12和截割部13，其中，行走部12靠近柔性掩护支架单体底梁9的一侧设有齿轮卡轨装置21，行走部12靠近柔性掩护支架单体顶梁7的一侧设有履带装置20。更具体的，柔性掩护支架单体底梁9上固设有可与齿轮卡轨装置21相适配的装配式柔性齿轨，以便采煤机构11依靠履带装置20移动时，装配式柔性齿轨能够对采煤机构11进行导向，进而保证采煤机构11运行的安全、稳定。如图6所示，装配式柔性齿轮由多个齿轨通过齿轨连接销连接而成。
37.采煤机构11中的截割部13通过传动悬臂连接于行走部12的后方，为带有切割刀片的旋转式滚筒。为了使截割部13能够与煤壁充分接触，本实施例中，截割部13的旋转方向垂直于煤壁方向。
38.本实施例中，还设有用于保证采煤机构11稳定行走的牵引机构，如图1所示，牵引机构包括设于工作面回风巷2中的行走绞车14，以及设于采煤工作面3中的钢绞线15，其中，钢绞线15一端与行走绞车14相固定，另一端与采煤机构11的行走部12相固定。采煤工作时，牵引机构不仅能够为采煤机构11提供行走动力，还能够作为稳定装置防止采煤机构11向煤壁侧下移。
39.随着采煤工作面3的推进，整体柔性掩护支架6在后方采空区挤推力的作用下向煤壁方向移进，同时，也会在自身重力作用下，沿采煤工作面3倾斜方向向下移动。为了保证整体柔性掩护支架6的支护范围可始终满足采煤工作面的需要，本实施例利用工作面运输巷1和工作面回风巷2形成了一套支架拆装转移系统。具体如图1所示，在工作面运输巷1和工作面回风巷2的基础上，支架拆装转移系统还包括支架拆卸站16、支架装配站17和上山巷道4。
40.其中，支架拆卸站16固设于工作面运输巷1内，位于工作面运输巷1与采煤工作面3相连接的端部，用于拆卸采煤工作面3下端的柔性掩护支架单体；支架装配站17固设于工作面回风巷2，位于工作面回风巷2与采煤工作面3相连接的端部，用于装配自支架拆卸站16拆卸下来的柔性掩护支架单体。本实施例中，支架拆卸站16和支架装配站17均为现有技术中用于拆卸装配柔性掩护支架单体的机械手。上山巷道4设于采煤工作面3的前方，内铺设有轨道，用于将柔性掩护支架单体自工作面运输巷1转运至工作面回风巷2。
41.为了实现采煤工作面煤炭的自溜运输，本实施例中，柔性掩护支架单体的底梁9中还设有可伸缩的搪瓷溜槽18。具体如图3所示，搪瓷溜槽18通过液压机构19与柔性掩护支架单体的底梁9固定连接。本实施例中，液压机构19即为液压伸缩缸，在液压伸缩缸的动作下，搪瓷溜槽18可以自柔性掩护支架单体的底梁9中伸出或收回。
42.实施例 2 一种急倾斜煤层柔性掩护支架机械化开采方法
43.本实施例应用实施例1中的急倾斜煤层柔性掩护支架机械化开采系统，通过简单的回采工艺，实现了对急倾斜煤层机械化、自动化、高效化的采煤作业。具体包括按顺序依次进行的以下步骤：
44.步骤s1、巷道系统布置
45.根据煤层实际分布情况，在下方沿煤层走向掘进工作面运输巷1，直至延伸至采煤区的边界；然后，在上方沿煤层走向掘进工作面回风巷2，直至延伸至采煤区的边界，并依据煤层伪斜角度的大小，将工作面回风巷2超前于工作面运输巷1一定距离布置；再在煤层中俯伪斜掘进采煤工作面3，直至将工作面运输巷1与工作面回风巷2相连通；最后，在采煤工
作面3的前方，采煤区的边界处沿煤层实际倾斜方向掘进上山巷道4，直至将工作面运输巷1与工作面回风巷2相连通。
46.在工作面运输巷1、工作面回风巷2以及上山巷道4内布设相应的基础设施，并在工作面运输巷1内额外布置支架拆卸站16，在工作面回风巷2内额外布置支架装配站17。
47.步骤s2、采煤工作面支护
48.采煤工作面3的采空侧铺设多个柔性掩护支架单体，并通过钢丝绳或圆环链连接形成整体柔性掩护支架6，完成对采空区的安全支护。然后，在整体柔性掩护支架6形成的区域内安设采煤机构11，并保证：采煤机构11中行走部12的履带装置20与采煤工作面3的顶面相接触；采煤机构11中行走部12的齿轮卡轨装置21与采煤工作面3底面上柔性掩护支架单体中的装配式柔性齿轨相配合；以采煤机构11上行采煤为基准，采煤机构11中的截割部13位于行走部12的后方，且与煤壁紧密接触。
49.步骤s3、采煤工作面落煤、运煤
50.落煤：采煤机构11在行走部12履带装置20的驱动，以及行走部12中齿轮卡轨装置21的导向作用下，沿采煤工作面3上行割煤，当采煤机构11移动至采煤工作面3上端时，继续在上端头巷道内多行走一段距离，以保证截割部13能够将该层面的煤壁刨割完毕；然后采煤机构11沿采煤工作面3下行清煤，此为一个进刀循环。
51.运煤：本实施例采用自溜运输方式，随采煤机构11上行割煤，柔性掩护支架单体中的搪瓷溜槽18在液压机构19的驱动下于采煤机构11的后方自动铺设，以能够形成溜槽结构，将煤炭运输至工作面运输巷内；并随着采煤机构11不断下行清煤，搪瓷溜槽18机构在液压机构19的驱动下超前采煤机构11自动收回。最后，落至工作面运输巷1内的煤炭通过轨道转运至外部。
52.步骤s4、移架支护
53.采煤机构11上行割煤、下行清煤单循环结束后，整体柔性掩护支架6在采空区矸石挤推力的作用下，向煤壁方向移进；同时，在自身重力作用下，沿采煤工作面3下滑。此时，工作面运输巷1内的支架拆卸站16将采煤工作面3下端多余的柔性掩护支架单体拆卸；并通过工作面运输巷1运至上山巷道4，经上山巷道4运至工作面回风巷2，最终运抵支架装配站17处；最后经支架装配站17将柔性掩护支架单体装配于采煤工作面3的上端，完成对整体柔性掩护支架6有效支护范围的补充。如此循环往复，能够实现对柔性掩护支架单体的循环使用。
54.而当判定采煤工作面3与上山巷道4之间距离过大，拆卸下来的柔性掩护支架单体运输时间过长，不能做到高效补充整体柔性掩护支架6的有效支护范围时，在采煤工作面3和上山巷道4之间掘进一条用于运输柔性掩护支架单体的备用巷道5，以实现柔性掩护支架单体的快速转运与安装。需要注意的，为避免备用巷道5影响采煤工作面的正常推进，本实施例中掘进的备用巷道5与采煤工作面3相平行。
55.至此，采煤工作面循环回采结束，整体柔性掩护支架6移进了一个截深距离后，升至初撑状态，并通过活性伸缩支柱10给定额定工作阻力，使其处于稳定状态。
56.步骤s5、重复步骤s3和步骤s4，使采煤工作面连续沿煤层走向推进，直至完成该煤区内所有煤炭的开采。
57.需要说明的，巷道系统布置时，还可以在巷道内提前布设用于保证采煤机构11稳
定运行的牵引机构。具体为：在工作面回风巷2内布置行走绞车14，行走绞车14与钢绞线15相连接，并将钢绞线15延伸至采煤工作面3中。利用采煤机构11落煤时，行走绞车14通过钢绞线15能够牵引采煤机构11，一方面为采煤机构11提供行走动力，另一方面对采煤机构11进行导向，防止采煤机构11向煤壁侧下移。
58.需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。