一种适于薄煤层无人工作面的采煤机及采煤方法

摘要

本发明涉及一种适于薄煤层无人工作面的采煤机及采煤方法。该采煤机包括移动系统、采煤系统、充填系统和底架，其中移动系统包括第一导轨和第二导轨，第一导轨和第二导轨平行间隔的设置于底架上；采煤系统设置于第一导轨，且可沿第一导轨滑动；充填系统设置于第二导轨，且可沿第二导轨滑动；开采系统的开采作业宽度、充填系统的充填作业宽度及开采系统和充填系统的间隔宽度均相同，在工作空间极小的极薄煤层中，采煤系统在一个工作位完成开采作业后，只需整体移动一个工作宽度，充填系统即可实现精确充填，从而实现开采和充填工作的同步进行，提高开采和充填效率，且该采煤机集采煤系统和充填系统为一体，整体移动方便，占用空间小。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山开采技术领域，尤其涉及一种采煤机及采煤方法，更加具体的涉及一种适于薄煤层无人工作面，且充填与采煤同步作业的采煤机及采煤方法。

背景技术

采煤机是一种煤层进行开采的较为有效的采煤设备，可实现工作面机械化开采，降低了工人劳动强度，在我国中厚及厚煤层煤层开采中得到了推广应用。

现阶段，薄煤层机械化开采一般采用爬底板采煤机，顶板自行垮落，只有在三下采煤时才进行配合性充填，且充填时需要利用单独的充填设备，不但占用空间，并且工作人数多，劳动强度大，工人工作环境差，成本较高。

随着技术的进步，机械化无人工作面开采逐渐成为未来发展趋势，尤其是在煤层极薄(<0.5m)、倾角较大(>25°)时，工作空间较小，工作环境极其复杂，机械化无人工作面开采几乎成为唯一可选择的开采方式，但在该环境下进行机械化无人工作面开采方式无法实现充填，在开采时必需留设煤柱，降低煤炭的采出率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种适用于薄煤层无人工作面的采煤机，占用空间较小，且能够实现采煤和充填同步作业，无需留设煤柱，提高煤炭的采出率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采煤机，包括移动系统、采煤系统、充填系统和底架；

所述移动系统包括第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨平行间隔的设置于所述底架上；

所述采煤系统设置于所述第一导轨，且可沿所述第一导轨滑动，用于开采作业；

所述充填系统设置于所述第二导轨，且可沿所述第二导轨滑动，用于充填作业；

所述开采系统的开采作业宽度、所述充填系统的充填作业宽度及所述开采系统和所述充填系统的间隔宽度均相同。

其中，所述采煤系统通过第一托板固定于所述第一导轨上，所述第一导轨上设有第一滑槽，所述第一托板上设有与所述滑槽相配合的第一凸起；

所述充填系统通过第二托板固定于所述第二导轨上，所述第二导轨上设有第二滑槽，所述第二托板上设有与所述第二滑槽相配合的第二凸起。

其中，所述采煤系统包括采煤钻头、采煤钻杆和第一电机，所述采煤钻杆的一端与所述采煤钻头连接，另一端与所述第一电机连接，所述第一电机设置于所述第一托板上；

所述充填系统包括充填钻头、充填钻杆、第二电机和充填料箱，所述充填料箱固定在所述第二托板上，所述充填钻杆穿过所述充填料箱，且该充填钻杆的一端与所述充填钻头连接，另一端与所述第二电机连接，所述第二电机设置于所述第二托板上。

其中，所述采煤系统包括多个所述采煤钻头、与所述采煤钻头数量相对应的多个采煤钻杆及与所述钻杆数量相对应的多个所述第一电机，每个所述采煤钻杆的一端均与相对应的所述第一电机连接，另一端均通过传动箱与相对应的采煤钻头连接，且多个所述采煤钻头通过所述传动箱并行连接；

所述充填系统包括多个所述充填钻头、与多个所述充填钻头数量相对应的充填钻杆及与所述钻杆数量相对应的多个所述第二电机，每个所述充填钻杆的一端与相对应的所述第二电机连接，另一端与相对应的充填钻头连接。

其中，所述充填系统还包括防漏槽，所述防漏槽设置于所述充填钻杆下侧，用于防止充填材料洒落采空区外。

其中，所述充填钻头的端部为平头结构，且所述充填钻头与所述充填钻杆通过挤压器连接，用于为充填钻头提供更大的挤压力。

其中，所述挤压器包括伸缩杆、弹簧、卡销和轴承，所述伸缩杆穿过所述轴承，且该伸缩杆的一端与所述充填钻杆连接，另一端与所述充填钻头连接，所述弹簧套设于所述伸缩杆上，所述卡销的一端固定于所述充填钻杆上，另一端穿过所述轴承，且所述轴承可沿所述卡销移动。

本发明还提供了一种利用上述采煤机在薄煤层进行采煤的方法，包括以下步骤：

S1，采煤系统进行第一轮采煤作业，其在煤层上开采出第一个采空区；

S2，整体移动采煤机，且移动的距离等于采煤系统和充填系统的间距，使充填系统位于所述第一个采空区位置，此时采煤系统和充填系统同步作业，采煤系统在煤层上开采第二个采空区，充填系统对第一个采空区进行充填，两个采空区之间留设第一个煤柱；

S3，循环上述步骤S2直至采煤系统推采到煤层工作面尾部，此时，采煤系统停止工作，继续移动采煤机，使充填系统对最后一个采空区进行充填，煤层形成煤柱与充填材料间隔布置的结构；

S4，整体移动采煤机，使采煤系统位于第一个煤柱处，并进行第二轮采煤作业，采煤系统开采第一个煤柱，使其形成采空区；

S5，再次整体移动采煤机，使采煤系统移动至下一个煤柱处，此时充填系统位于步骤S4中所述的采空区处，采煤系统和充填系统同步作业，进行采煤和充填；

S6，循环上述步骤S5直至采煤系统推采到最后一个煤柱，当最后一个煤柱开采完成后，采煤系统停止工作，充填系统对最后一个采空区进行充填，此时煤层中的煤炭全部采出，采空区完全充填。

其中，步骤S1中所述采煤系统通过第一托板固定于第一导轨上，所述采煤系统包括传动箱、多个所述采煤钻头、与所述采煤钻头数量相对应的多个采煤钻杆，及与所述采煤钻杆数量相对应的多个第一电机，每个所述采煤钻杆的一端均与相对应的所述第一电机连接，另一端均通过所述传动箱与相对应的采煤钻头连接，且多个所述采煤钻头通过所述传动箱并行连接；

采煤作业时，所述第一电机通过所述采煤钻杆带动所述采煤钻头旋转截割煤炭；

步骤S2中所述充填系统通过第二托板固定于第二导轨上，所述充填系统包括充填料箱、多个所述充填钻头、与所述充填钻头数量相对应的多个充填钻杆、及与所述充填钻杆数量相对应的多个第二电机，所述充填料箱固定在所述第二托板上，每个所述充填钻杆均穿过所述充填料箱，且每个所述充填钻杆的一端均与相对应的充填钻头连接，另一端与相对应的所述第二电机连接；

充填作业时，第二电机带动所述充填钻杆旋转将所述充填料箱内的充填材料带至采空区，然后所述充填钻杆反转退出采空区，使充填材料脱落在所述采空区。

其中，所述充填材料包括以下质量百分比的组分：矸石颗粒52.17％、粉煤灰20.87％、水泥13.92％、水13.04％。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的采煤机包括移动系统、采煤系统、充填系统和底架，其中所述移动系统包括第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨平行间隔的设置于所述底架上；所述采煤系统设置于所述第一导轨，且可沿所述第一导轨滑动，用于开采作业；所述充填系统设置于所述第二导轨，且可沿所述第二导轨滑动，用于充填作业；所述开采系统的开采作业宽度、所述充填系统的充填作业宽度及所述开采系统和所述充填系统的间隔宽度均相同，该采煤机包括采煤系统和充填系统，其整体移动方便，占用空间小，且采煤系统和充填系统的工作宽度与两者的间距相同，采煤系统在一个工作位完成开采作业后，只需整体移动一个工作宽度，充填系统即可实现精确充填，从而实现开采和充填工作的同步进行，提高开采和充填效率。

本发明提供的开采方法，通过两轮开采无需留设煤柱，同时保证煤层有足够支撑，减少安全隐患，提高煤炭采出率，实现安全高效生产。

附图说明

图1是本发明实施例一采煤机俯视结构示意图；

图2是本发明实施例一充填系统侧视结构示意图；

图3是本发明实施例一挤压器和充填钻头结构示意图；

图4是本发明实施例二充填系统侧视结构示意图；

图5是本发明实施例三采煤机俯视结构示意图；

图6是本发明实施例三充填系统侧视结构示意图；

图7是本发明实施例三传送带正视结构示意图；

图8是本发明第一轮开采后的煤层俯视结构示意图；

图9是本发明第二轮开采后的煤层俯视结构示意图。

图中：1：充填钻头；2：挤压器；21:轴承；22：卡销；23：弹簧；24：伸缩杆；3a：传动箱；4a：采煤钻杆；5a：第一电机；5b：第二电机；6：充填料箱；61：加料口；7：防漏槽；8：采煤钻头；9a：第一托板；9b：第二托板；10a：第一导轨；10b：第二导轨；11：底架；12a：第三导轨；12b：巷道导轨；13：煤层；14：煤柱；15：采空区；16：充填材料；17：传送带；171：挡料板；18：液压杆；19：挤压板；20：液压缸；30：刮料板；40：搅拌叶轮；50：升降杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的采煤机包括移动系统、采煤系统、充填系统和底架11，其中移动系统包括第一导轨10a和第二导轨10b，且第一导轨10a和第二导轨10b均平行间隔的设置在底架11上，采煤系统和充填系统分别可滑动的设置于第一导轨10a和第二导轨10b，用于开采作业和充填作业，且采煤系统和充填系统均可单独导轨滑动，其中开采系统的开采作业宽度、充填系统的充填作业宽度及所述开采系统和所述充填系统的间隔宽度均相同，在工作空间极小的极薄煤层中，采煤系统在一个工作位完成开采作业后，只需将采煤机整体移动一个工作宽度，充填系统即可实现精确充填，从而实现开采和充填工作的同步进行，提高开采和充填效率。

需要说明的是，开采作业宽度是指开采系统在一个工作位能够切割煤层的宽度；充填作业宽度是指充填系统在一个工作位能够切充填采空区的宽度。

在开采和充填作业时，先沿巷道内预设的巷道导轨12b将采煤机安放到巷道导轨12b上，采煤系统进行开采工作，在完成一个区域的开采时，使采煤机整体移动一个工作宽度，此时采煤系统可进行下一个区域的开采工作，同时充填系统对准上一个采空区，实现精确充填，此时开采和充填工作的同步进行，提高开采效率，实现高效安全生产。

具体的，采煤系统包括采煤钻头8、采煤钻杆4a和第一电机5a，所述采煤钻杆4a的一端与所述采煤钻头8连接，另一端与所述第一电机5a连接，所述第一电机5a设置于第一托板9a上，第一托板9a带动开采系统沿第一导轨10a移动。

其中，充填系统包括充填钻头1、充填钻杆4b、第二电机5b和充填料箱6，所述充填料箱6固定在所述第二托板9b上，且该充填料箱6的上侧设有加料口61，所述充填钻杆4b穿过充填料箱6，且该充填钻杆4b的一端与充填钻头1连接，另一端与第二电机5b连接，所述第二电机5b设置于所述第二托板9b上，第二托板9b带动充填系统沿第二导轨10b移动。

为了尽量减少充填料箱6内充填材料16的滞留量，优选地，充填钻杆4b安装于靠近充填料箱6底部的位置，充填钻杆4b的外径与充填料箱6的底部距离小于1cm。

优选地，如图1所示，第一导轨10a和第二导轨10b上分别设有第一滑槽和第二滑槽，在第一托板9a和第二托板9b的底部设有与第一滑槽和第二滑槽相配合的第一凸起和第二凸起，使第一托板9a和第二托板9b能够分别沿第一导轨10a和第二导轨10b滑动。

根据采煤及充填作业的需要，第一导轨10a和第二导轨10b的长度可增加，具体地，在采煤作业时，随着采煤深度的增加，逐渐延伸第一导轨10a长度，以使采煤系统能够进入更深的采煤区域；充填作业时，根据采空区15的深度确定第二导轨10b长度，使充填系统能够将充填材料16输送至采空区15的最深处，随着充填工作的进行，再逐渐缩短第二导轨10b的长度。

当然，也可以采用接续钻杆的方法，使采煤系统和充填系统达到所需要的工作深度，具体地，在采煤作业时，随时采煤深度的增加，对采煤钻杆4a进行接续，即增加一根或多根采煤钻杆4a，以增加采煤系统的工作深度；充填作业时，根据采空区15的深度，增加一根或多根充填钻杆4b，随着充填工作的进行，逐渐减少充填钻杆4b的数量。

为了防止充填材料16洒落到巷道内或者采空区15以外的位置，优选地，如图1和图2所示，在充填钻杆4b的下侧设置防漏槽7，该防漏槽7一端与充填料箱6连接，另一端沿充填钻杆4b的长度方向向充填钻头1方向延伸，一般情况下，防漏槽7只需防止充填材料16不脱落在巷道内即可，但为了尽可能使充填材料16脱落在指定位置，以减少对后续充填工作的影响，可以将防漏槽7的覆盖范围适当增加，具体地，防漏槽7的长度不超过充填料箱6与充填钻头1间距的三分之二，避免过多的充填材料16在输送过程中脱落到防漏槽7内，进一步提高充填效率。

为了方便压实充填材料16，优选地，如图3所示，充填钻头1的端部为平头结构。

进一步的，根据煤层13的大小，可以增加采煤钻头8和充填钻头1的数量，以提高煤层13的开采和充填效率。

本实施例中，如图1所示，采煤系统包括两个采煤钻头8，两个采煤钻头8平行设置，且均通过相对应的采煤钻杆4a与相对应的第一电机5a连接，以增加采煤系统的采煤作业宽度。

为了防止钻采作业时采煤钻头8侧边跑偏的问题发生，如图1所示，另一端均通过传动箱3a与相对应的采煤钻杆4a连接，两个采煤钻头8通过传动箱3a并行连接，使其同步转动，且减少跑偏机率。

需要说明的是传动箱3a为现有装置，其内部设有联动结构，使两个或多个采煤钻头8能够并行连接，同步转动。

充填系统包括两个充填钻头1、两个充填钻头1平行设置，且均通过相对应的充填钻杆4b与相对应的第二电机5b连接，以适应性的增加充填系统的充填作业宽度。

为了更好保护第一电机5a和第二电机5b，在第一电机5a和第二电机5b的外侧设置转动机箱。

为了保证充填系统在一个工作位即可完成一个采空区15的充填，并使采煤系统和充填系统能够同步工作，采煤系统和充填系统的工作宽度要保持相同，采煤系统和充填系统的间隔宽度根据采煤系统或者充填系统的工作宽度进行调整。

为了进一步地压实充填材料16，为充填钻头1压实充填材料16时具有更大的挤压力，如图1和图2所示，每个充填钻杆4b均通过挤压器2与相对应的充填钻头8连接，其中，挤压器2包括伸缩杆24、弹簧23、卡销22和轴承21，所述伸缩杆24穿过轴承21，该轴承21的内圈与伸缩杆24固定，该伸缩杆24的一端与充填钻杆4b连接，另一端与所述充填钻头1连接，所述弹簧23套设于伸缩杆24上，所述卡销22为L型卡销，其一端垂直固定于伸缩杆24或者充填钻杆4b上，另一端穿过轴承21，且该在端部设有挡块，用于卡固所述轴承21，防止轴承21从卡销22上脱落，且所述轴承21可沿所述卡销22移动，以压缩弹簧23。

使用时，充填钻杆4b带动伸缩杆24转动，充填钻头1与伸缩杆24连接，在压实充填材料16时，伸缩杆24收缩带动轴承21和充填钻头1向回收缩，轴承21沿卡销22移动，并压紧弹簧23，当伸缩杆24恢复时，弹簧23的回弹力使伸缩杆24带动充填钻头1加速复位，使充填材料16压实。

优选的，本实施例中采煤钻头8为现有钻采机所用螺旋钻头，尺寸可根据煤层厚度进行选择、采煤钻杆4a与充填钻杆4b可以使用相同钻杆，在本实施例中使用现有钻采机所用螺旋钻杆，充填钻头1为平头钻头，螺旋叶片在钻头端部过渡为一扇形平面，作为挤压充填物料的挤压面。

进一步地，为了方便调节充填系统的工作高度，优选地，如图2和图4所示，充填系统通过升降杆50安装到巷道导轨12b上，充填系统通过升降杆50调节工作高度。

根据工作需要，采煤系统同样能够通过升降杆50安装到巷道导轨12b上(图中未示出)。

在本实施例中，优选地，升降杆50为液压伸缩杆结构。

本发明还提供了一种利用上述采煤机在薄煤层进行采煤的方法，包括两轮开采，具体包括以下步骤：

第一轮开采，如图8所示：

S1，采煤系统进行采煤作业，并在煤层上开采出第一个采空区15；

S2，整体移动采煤机，且移动的距离等于采煤系统和充填系统的间距，使充填系统位于所述第一个采空区15位置，此时采煤系统和充填系统同步作业，采煤系统在煤层13上开采第二个采空区15，充填系统对第一个采空区15进行充填，第二个采空区15和第一个采空区之间15的煤层13则形成第一个煤柱14；

S3，循环上述步骤S2直至采煤系统推采到煤层13工作面尾部，此时，采煤系统停止工作，充填系统对最后一个采空区15进行充填，煤层13形成煤柱14与充填材料16间隔布置的结构；

利用充填材料16的支撑，可进行第二轮开采，如图9所示：

S4，整体移动采煤机，使采煤系统位于第一个煤柱14处，采煤系统开采第一个煤柱14，使其形成采空区15；

S5，再次整体移动采煤机，使采煤系统移动至下一个煤柱14处，此时充填系统位于步骤S4中所述的采空区15处，采煤系统和充填系统同步作业，进行采煤和充填；

S6，循环上述步骤S5直至采煤系统推采到最后一个煤柱14当最后一个煤柱14开采完成后，采煤系统停止工作，继续移动采煤机，使充填系统对最后一个采空区15进行充填，此时煤层13中的煤炭全部采出，采空区15完全充填。

利用该方法，充填系统和采煤系统同步工作，通过两轮开采将煤炭全部采出，同时将采空区同时充填，无需留设煤柱14，同时保证在开采过程中煤层有足够支撑，减少安全隐患，提高煤炭采出率，实现安全高效生产。

采煤作业时，第一电机5a通过采煤钻杆4a带动采煤钻头8旋转截割煤炭。

充填作业时，第二电机5b带动充填钻杆4b旋转，将所述充填料箱6内的充填材料16带至采空区15，然后充填钻杆4b反转(相对运料时的旋转方向)退出采空区15，使充填材料16脱落在所述采空区15内，最后根据实际情况利用充填钻头1或者充填钻头1和挤压器2共同作用，使充填材料16压实，完成煤层的开采和充填。

需要说明的是，从节约成本及开采安全性等方面综合考虑，在第二轮开采时，采煤系统开采煤柱后形成的采空区可以不进行充填，形成采空区(煤柱)与充填材料间隔布置的结构，在提高煤炭开采率的同时，达到安全开采和节约成本的目的。

本发明中，优选地，充填材料16主要成分为矸石颗粒、粉煤灰和的混合物，但水不易过多，通过充填钻杆4b运输时，避免充填材料16过多的粘连到钻杆4b上，正常情况下，以充填材料16不起粉尘，并在受到挤压时，能够成型固定即可。

具体地，充填材料16中各组分的质量占比分别为：矸石颗粒52.17％、粉煤灰20.87％、水泥13.92％、水13.04％，其中矸石粒径为3～9cm。

利用上述充填材料16进行充填，对充填结构的要求较低，使用方便，并且充分利用矸石和粉煤灰等材料，备料时容易、成本较低，减少矿山固体废弃物对环境的污染。

在使用时，可以将提前制备好的充填材料16利用纺织袋装好，在使用或者需要添料时，直接倒入充填料箱6内即可，甚至可以在现场制备充填材料16，使用和备料均极其方便。

实施例二

如图4所示，本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：第一导轨10a和第二导轨10b通过第三导轨12a安装在底架11上，其中，第一导轨10a和第二导轨10b与第三导轨12a垂直设置，且第三导轨12a上设有第三滑槽，第一导轨10a和第二导轨10b的底部设有与第三滑槽相对应的第三凸起，使第一导轨10a和第二导轨10b能够沿第三导轨12a的长度方向滑动，使于对采煤系统或充填系统的位置进行单独的微调。

实施例三

如图5-图7所示，本实施例中采煤系统与上述实施例相同，充填系统包括传送带17和充填料箱6，充填料箱6固定在所述第二托板9b上，传送带17的上料端与充填料箱6的出料口(图为未示出)连接，传送带17的卸料端伸入采空区15内，用于将充填料箱6内的充填材料16输送到采空区15内，随着充填工作的进行，第二托板9b带动充填系统沿第二导轨10b移动。

进一步地，为了防止充填材料16粘连到输送皮带上，如图6和图7所示，优选地，在传送带17的卸料端设置刮料板30，具体地，刮料板30设置在卸料端输送皮带的转向处下侧，且该刮料板30与输送皮带之间的距离为1-3cm，使输送皮带在经过刮料板30时不会产生过大的摩擦，还能够将粘连到输送皮带上的充填材料刮落。

为了防止在充填材料16在输料过程中掉落，如图5-图7所示，优选地，在传送带17的两侧均设置挡料板171，防止充填材料16从传送带17的两侧掉落。

进一步地，为了压实充填材料16，提高充填质量，优选地，如图5和图6所示，在充填系统中设置挤压装置，该挤压装置设置在传送带17的上方，其包括挤压板19、液压杆18和液压缸20，其中，液压缸20设置在充填料箱6上，液压杆18的一端与液压缸20连接，另一端与挤压板19连接。

其中，液压杆18为多级伸缩结构，以使液压杆18具有足够的工作长度。

在工作时，为了使充填料箱6内的充填材料16能够持续均匀的从充填料箱6的出料口(图中未示出)落到传送带17上，优选地，如图5所示，在充填材料箱6内设置搅拌叶轮40，搅拌叶轮40搅动充填材料16，使充填材料16持续的从充填料箱6的出料口落入传送带17上，防止充填材料16粘接导致堵塞出料口。

该充填系统能够避免充填材料16洒落巷道内，且结构简单，组装拆卸方便，运输量大。

在本发明中所述的采煤机和采煤方法应用在薄煤层无人工作面开采、中厚及厚煤层的煤柱回收、边角煤及不规则煤层等开采。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。