一种采煤方法以及实施该方法的采煤设备 【技术领域】
本发明涉及一种煤的开采方法及设备，尤其是一种利用楔形体进行煤体采取的开采方法及设备。
背景技术
目前常用的采煤方法有机械采煤法，或者利用水及爆破采煤等，其中应用广泛的是机械采煤法。上述采煤方法中，机械采煤效率相对较高，现有的机械采煤设备一般为滚筒式采煤机和刨煤机，其中滚筒式采煤机生产率高，块煤率低，粉尘大，刨煤机含块率高，粉尘少，但是生产效率低。
由于形成煤层的自然条件，一般煤层上部均覆盖有一定厚度的岩土层，岩土层在重力作用下，会对煤层形成较大挤压力，使煤层密实在一起，煤层中相应的产生内应力，因此煤层具有较大的视在强度，不容易被外力破碎，当物体插入或破碎煤体时必须首先克服其内应力。而被采出后自然放置的原煤强度低，极易破碎，可见煤层所受压力对其物理性质有很大影响。
常用的采煤方法中均有一采空面，此采空面的存在使煤层局部在某一方向的地压力解除，使待采煤层中的地压应力得到一定的释放，但仍有较大的残余地压应力，特别是煤质较硬时，靠强力开采煤层势必消耗较多的能量，如果采煤设备对煤体破碎过大，还要损耗更多的能量，同时也使煤尘加大。
申请号为200710013715.0的发明专利申请提出了一种采煤方法及设备，其原理是：在平行于采空面的煤层上开设一定深度的孔洞，然后将前端小、末端大的挤压物推入孔洞并向前推进，挤压物在推进过程中对采空面部分的煤层不断施加压力，直至块煤从煤层上分离脱落，孔洞的不断形成与挤压物体的不断推进实现块煤的连续采取。该方法提高了块煤率及生产效率，但是由于在煤层上预制孔洞，然后撬取，其设备顶、底板清理机构未能有效避开煤层地应力未完全消除区，仍会有较大的能量消耗；另外，该方法先预制孔洞，然后用楔形体撬取，制孔和撬取分开，使采煤工艺和采煤设备的结构复杂，采煤设备的结构尺寸加大，必然使预制孔洞加大，预制孔洞时有地压应力存在，又会造成能量损耗加大；同时，因其未考虑地压应力对采煤效率及效果的影响，推荐了3个最佳钻孔数，也增加了采煤的能量消耗，预制孔洞获取的全部是沫煤，降低了含块率及原煤品质。
综上所述，现有的采煤方法及设备存在着效率低、功耗大、含块率低等缺陷。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有的采煤方法及设备存在的上述缺陷，提出了一种新的采煤方法及实施该方法的设备。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种采煤方法，该方法包括以下步骤：在平行于采空面的煤层上将楔形体直接插入煤层中，楔形体连续不断向前推进，楔形体外朝采空面方向的煤体不断被涨裂崩落；前方煤体崩落后，不断对顶板、底板及落煤进行清理，同时崩落的煤体和清理的落煤连续不断地被运输机输出，从而完成连续的采煤过程。
所述的楔形体的数量为1～3个，其设置在一次采高的等分点上，楔形体之间相互平行设置，且同时向煤层方向运动，即所述的楔形体同时插入煤层中。
所述的楔形体通过机械力和/或振动连续插入煤体。楔形体可以用机械力连续插入煤体，适用于大多数的煤质，也可以采用机械力加振动方式插入煤体，适用于较硬、夹矸等特殊煤质。
该方法最大限度地避免了地压应力对采煤效率及效果的影响，将一个体积、表面积相对较小的楔形体插入存在地压应力的煤层相对较容易，能量消耗不大，待局部煤层的煤体被涨裂崩落后，煤层剩余煤体地压应力基本消除，未脱落的部分煤体仅靠自然结合力与顶板清理机构和底板清理机构或侧面煤层粘结在一起，形同自然放置，此时再进行清理非常容易，顶、底板清理机构将其清理的落煤连同崩落的煤体通过犁形板输送至运输机，消耗能量少，采煤效率高。同时，原煤性脆易碎，该方法中的待采煤体是被楔形体用较慢的速度涨裂，因此成块率非常高，沫煤含量很少，粉尘率低。
本发明还提出了一种实施上述采煤方法的采煤设备，包含采煤头和辅助机构，其中，所述的采煤头包括楔形体、支架和犁形板，楔形体和犁形板均安装于支架上，犁形板前端的顶板和底板上分别固定有顶板清理机构和底板清理机构，楔形体安装在采煤头地前端。采煤头同时实现了两种作用：由楔形体完成被采煤体崩落的工作；另外，犁形板完成煤层顶、底板的清理及收集落煤并导入运输机械的工作。
本发明中，所述的楔形体的数量为1～3个，其设置在采煤头高度方向的等分点上，各楔形体之间呈相互平行设置。楔形体插入点距采空面的距离为截深，截深根据要采取的块度现场试验确定，一般截深为200～800毫米。当布置一个楔形体时，其设置在采煤头高度方向的中部较合适，截深等于理论截深；如采用两个楔形体，楔形体位于采煤头高度方向的三等分点处较合适，截深要小于理论截深；如采用三个楔形体，其位于采煤头高度方向的四等分点处较合适，其中，中间楔形体的截深等于理论截深，外侧两个楔形体的截深小于理论截深。
所述的楔形体在平行于采空面方向且朝向煤体的一侧设有楔角，楔角为1～30°。实际生产中，采取大块煤时，可以使用小楔角的楔块；采取小块煤时，可以使用大楔角的楔块。另外，选取的楔角大小与块度的关系也与煤质有关。在平行于采空面方向上，所述的楔形体设有一平面，即楔形体上设置一平面与采空面方向平行。该平面为楔形体提供导向作用，并提供涨裂煤体时的侧向支撑力，不会将此力传递到采煤设备，因此不会对机体造成不利影响。
楔形体的前端可以呈尖点状、刀刃状或半径较小的球面形，尖点有利于插入煤层，但磨损较快。所述的楔形体形状可以为三棱锥形、锥铲形或半圆台形，即其表面具有一定的倾斜度，该形状的楔形体便于插入煤层，其形状最好为锥铲形。
所述的楔形体也可以由形状不同的三部分组成，其顶部呈三棱锥状，中部呈三棱柱状，尾部呈三棱台状，各棱处和顶点处都为圆角，楔形体的中部设有孔，孔内通水，用于灭煤尘。该形状能够最大限度地把振动附加力传递到端部三棱锥的锥尖上，提高楔形体插入煤体的效率。楔形体也可以为前端小、后端大的其他形状。
所述的顶板清理机构和底板清理机构呈锯齿状，可以与犁形板呈一体式结构。所述的楔形体可以与振动器连接，振动器安装在支架上，即通过机械力和高频振动同时作用，使楔形体更容易插入煤体，楔形体与振动器可以呈一体式结构，也可以为各自独立的构件。另外，为了实现高频振动，顶、底板清理机构也可以与振动器连接。
该设备可以为类似滚筒采煤机的采煤设备，也可以为类似刨煤机的采煤设备。当为类似滚筒采煤机的采煤设备时，所述的辅助机构包括调整机构、机体、运行导轨和动力控制系统，其中采煤头的支架通过调整机构安装于机体上，调整机构可使采煤头旋转及调整其相对于机体的高度，机体上设动力控制系统，机体和运行导轨组成移动副。动力控制系统为机体提供沿运行导轨行走的动力，为采煤头提供掘进力，同时为各系统协调动作提供检测控制，此种方式适合大多数煤层的开采。
当为类似刨煤机的采煤设备时，所述的辅助机构包括机体、运行导轨和牵引机构，其中采煤头的支架直接安装于机体上，机体通过链条与牵引机构连接，机体和运行导轨组成移动副。机体在牵引机构的牵引下沿运行导轨运行，此种方式结构简单，但采煤头高度及倾角不便调整，适用于煤层较稳定起伏不大的情况下的开采。
顶、底板清理机构最好完全避开含有残余地压应力的煤体，因此在前进方向应在煤体崩裂塌落后在进行清理，即在截深方向不一定与楔形体等深。由于顶、底板拐角处的剩余煤体可能含有残余地压应力，深度方向一次清理不到的地方可下次清理；远离待采煤体的顶、底板残留煤体基本没有残余地压应力，容易采取，为不损失原煤应尽力保证将原煤清理干净。所述的楔形体的前端比顶板清理机构、底板清理机构的前端伸出300～800mm。
本发明的有益效果是：与现有采煤方法及设备相比，本发明充分地考虑到地压应力对采煤效率及效果的影响，大大提高了采煤效率，能量损耗少，减少了对设备的损坏，采煤后的含块率大大提高。
【附图说明】
图1是采掘横断面煤体地压应力示意图；
图2是本发明中一个楔形体插入煤体位置示意图；
图3是本发明中两个楔形体插入煤体位置示意图；
图4是本发明中三个楔形体插入煤体位置示意图；
图5是当前采取煤体纵断面地压应力示意图；
图6是本发明中楔形体与顶、底板清理机构相对位置示意图；
图7是本发明中楔形体前端呈刀刃状时的第一种形状示意图；
图8是本发明中楔形体的第二种形状示意图；
图9是本发明中楔形体的第三种形状示意图；
图10是本发明中楔形体的第四种形状示意图；
图11是类似滚筒采煤机的采煤设备主视图；
图12是附图11的俯视图；
图13是附图11的左视图；
图14是类似刨煤机的采煤设备主视图；
图15是附图14的左视图。
图中：J1柮翰愣ゲ炕 遥籎2柮翰愕撞炕 遥籄柌煽涨 籅柌扇：禾澹籆柎 擅禾澹籇柕鼻安煽斩危籈杼鼻安删蚨危籉1柌删蛎嫱平 较颍籉2柕鼻安删蚍较颍籥柎 擅禾宓匮共杏嘤αΦ妊骨 撸籦柌删蚝岫厦婷禾宓匮褂αη撸籦1柷 遙的变压部分；b2柷 遙的等压部分；c柕鼻安扇：禾宀杏嗟匮褂αΦ妊骨 撸籨柕鼻安扇：禾宓匮褂αη撸籨1柷 遜的变压部分；d2柷 遜的等压部分；1栃ㄐ翁澹？柕装迩謇砘 梗？柖グ迩謇砘梗？栔Ъ埽？柪缧伟澹？栒穸鳎？柕髡梗？柖刂葡低常？柣澹？0栐诵械脊欤？1柫刺酰？2栐诵械脊臁
【具体实施方式】
实施例1
如图1至图6所示，曲线b是采掘横断面煤体地压应力曲线，离采空区较远的b2部位受工作面影响较小，地压应力沿水平线方向几乎不变。在接近采空区处的b1段地压应力突然增大，然后逐渐缩小，到接近采空区处缩小至0。图5是当前采取煤体纵断面地压应力示意图，d是当前采取煤体地压应力曲线，在离采空区较远处d2部位受工作面影响较小，地压应力沿水平线方向几乎不变，接近采煤头的d1部分地压应力逐渐缩小直到变成0。
曲线a是待采煤体地压残余应力沿竖直方向等压曲线，接近顶、底板处曲线离采空区较近，中间部位离采空区较远。地压应力较大处煤体较密实，视在强度较高，要破坏此处煤体需要的动力也较大；接近采空区处地压应力较小，煤体视在强度较小，要破坏此处煤体需要的动力也较小，所以本发明采取煤体B时应躲开地压应力较大处，以减小动力消耗。
由于地质条件的复杂变化，地压应力定量描述非常困难，只能假定为理想状态简单定性描述，但仍能代表一般性规律，具有较大的参考价值。
根据上述特征，本发明采用的采煤方法为：首先，在平行于采空面的煤层上将楔形体直接插入煤层中，楔形体连续不断向前推进，楔形体外朝采空面方向的煤体不断被涨裂崩落；前方煤体崩落后，通过顶板清理机构和底板清理机构不断对顶板、底板以及落煤进行清理，崩落的煤体和清理的落煤连续不断地被运输机输出，从而完成连续的采煤过程。在楔形体不断涨裂煤体的同时，清理煤体崩裂后的顶、底板，在清理顶、底板的同时将采取的原煤和清理的落煤导向、装入输送机运出采面，达到连续高效采取高含块率原煤的目的。
楔形体插入点距采空面的距离为截深，根据要采取的块度现场试验确定，截深与所采取块度相接近，一般为200～800毫米。本发明中，所采用的楔形体的数量为1～3个，各楔形体之间相互平行，且朝向待开采的煤层方向。插入煤层的楔形体位置的确定原则是，在保证所采取块度的前提下尽量避开高应力残留区。如图2所示，使用一个楔形体1插入煤体时，其设置在一次采高的中间位置，截深等于理论截深，一般要避开地压应力较大部位。如图3所示，使用两个楔形体1插入煤体时，其设置在三等分一次采高处，截深要小于理论截深，一般要避开地压应力较大部位。如图4所示，使用三个楔形体1插入煤体时，其分别设置在四等分一次采高处，位于中间位置的楔形体的截深等于理论截深，位于两侧的两个楔形体的截深要小于理论截深，一般要避开地压应力较大部位。
另外，本发明还涉及一种实施上述采煤方法的采煤设备。如图11、12和13所示，该设备为类似滚筒采煤机式的采煤设备，其包括采煤头和辅助机构，所述的采煤头包括两个楔形体1、支架4、犁形板5和振动器6，楔形体1、犁形板5和振动器6均安装于支架4上，犁形板5前端的顶板和底板上分别固定有顶板清理机构3和底板清理机构2，顶板清理机构3和底板清理机构2均呈锯齿形，并和楔形体1同时连接于振动器6。振动器6为楔形体1提供附加的冲击力，目的是提供更为强大的机械力，以利于楔形体1插入煤体。楔形体1安装在采煤头的前端。两楔形体1位于采煤头高度方向的三等分点位置处，且相互平行，方向均朝向采煤方向。楔形体1的前端伸出顶、底板清理机构的前端300～800mm。犁形板5便于将采取的原煤导向、装入输送机，并运出采面。图6为楔形体1与顶、底板清理机构的相对位置示意图。
辅助机构包括调整机构7、机体9、运行导轨和动力控制系统8，其中采煤头的支架4安装在调整机构7上，并通过调整机构7与机体9连接，机体9上设有动力控制系统8，机体9和运行导轨组成移动副。动力控制系统8为机体9提供前进的动力，机体9通过调整机构7把动力传递给采煤头。调整机构7可以用来调整采煤头的高度、角度，还可以使采煤头翻转180°。机体9两端各设一套采煤头和调整机构7，两个采煤头各采采高的一半，设备走过一趟就可以采取全高。
本发明中楔形体1可以采用多种形状，如图7至图10所示，图7中楔形体的前端呈刀刃状；图8中的楔形体呈三棱锥状，其前端呈尖点状，尖点有利于插入煤层，但磨损较快；图9中的楔形体呈半圆台状，其前端为半径较小的球面。另外，楔形体也可以为上述形状的组合，如图10所示，楔形体1由形状不同的三部分组成，其端部是三棱锥状，中间部分为一段三棱柱状，其后部呈三棱台状，各处的棱和顶点都倒圆角，中间有孔，孔内可以通水，用于灭煤尘。该形状能最大限度地把振动附加力传递给端部三棱锥的锥尖上，使楔形体插入煤体的效率增高。楔形体的形状并不限于上述形状，前端小、后端大的楔形体均适用于上述方法和设备。同时楔形体在平行于采空面方向设置一平面，该平面可以起到导向作用，并且能够提供涨裂煤体时的侧向支撑力，不会使此力传递到采煤设备机体上，因而不会对机体造成不利影响。楔形体的楔角大小一般在1～30°之间选取，楔角小则采取大块煤的概率高，楔角大则采取小块煤的概率高；同时楔角大小与块度的关系也与煤质有关，因此楔角大小根据实际生产情况来确定。
本实施例的采煤过程如下所示，动力控制系统8带动机体9沿运行导轨行走，机体9通过调整结机构7带动采煤头运行，楔形体1在截深200～800mm处插入煤体，其截深小于理论截深，理论截深一般选取所需煤体的块度。楔形体1插入到一定深度后，煤体由于内部局部应力的增加而涨裂崩落，崩落后粘贴在顶、底板上的煤体地压残余应力基本消除，此时安装于采煤头上的顶板清理机构3和底板清理机构2对残留煤体进行清理，被清理的原煤和崩落的原煤一起，被犁形板5导入沿采空面布置的运输机。调整机构7可使采煤头旋转并调整其相对于机体的高度和角度。各机构连续运行完成从采煤面一端到另一端的采煤过程，然后采煤头换向、导轨向待采煤体移动一次截深的距离，完成下一次采煤过程。由于采下的煤块较大，最大尺寸可能达到800毫米，所以采煤机上需设配套的破碎机构，以便于运输。
本实施例中，选取的楔形体为两个，实际生产中所设置的楔形体的个数可以为1～3个。当设置一个楔形体时，其设置在二等分采煤头高度的位置处；设置三个楔形体时，其设置在四等分采煤头高度的位置处，各楔形体之间相互平行，且朝向待开采的煤层方向。
顶板清理机构3和底板清理机构2最好完全避开含有残余地压应力的煤体。一般在前进方向煤体崩裂塌落后再进行清理，因此在截深方向可以与楔形体1等深，也可以小一些，因为顶、底板拐角处的剩余煤体可能含有残余地压应力，深度方向一次清理不到的地方可下次清理；远离待采煤体的顶、底板残留煤体基本没有残余地压应力，容易采取，为不损失原煤应尽力保证将原煤清理干净。
本实施例使用了振动器6来使楔形体1连续插入煤体，适用于较硬、夹矸等特殊煤质。也可以不使用振动器6，完全由牵引机构提供驱动力，适用于较软、没有夹矸等较稳定煤质。另外，顶、底板清理机构也可以直接与支架连接，即振动器6不为顶、底板清理机构提供高频振动。另外，顶板清理机构3和底板清理机构2与犁形板5为各自独立的部件，也可以为一体式结构。楔形体1与振动器6也可以呈一体式结构。
原煤性脆易碎，此种采煤方法是用楔形体将待采煤体以较慢的速度涨裂，成块率非常高，沫煤含量少，粉尘率很低。该方法使用的设备适合于大多数煤层的开采。
实施例2
如图14和15所示，该设备为类似刨煤机式的采煤设备，其包括采煤头和辅助机构，所述的采煤头包括两个楔形体1、支架4、犁形板5和振动器6，楔形体1、犁形板5和振动器6均安装于支架4上，犁形板5前端的顶板和底板上分别固定有顶板清理机构3和底板清理机构2，顶板清理机构3和底板清理机构2均呈锯齿形，犁形板5的前端也呈锯齿形，并和楔形体1一起连接于振动器6。振动器6为楔形体1提供附加的冲击力，目的是提供更为强大的机械力，以利于楔形体1插入煤体。楔形体1安装在采煤头的前端，两楔形体1位于采煤头高度方向的三等分点位置处，其朝向待开采的煤层方向，且相互平行。楔形体1的前端伸出顶、底板清理机构的前端300～800mm。
辅助机构包括机体9、运行导轨12和牵引机构。机体9通过运行导轨12安装在输送机上，牵引机构通过链条11连接在机体9上，采煤头通过支架4连在机体9上，设置在输送机两端的牵引机构能通过链条11牵引机体9，从而带动采煤头移动。采煤头在机体9上只能调头，不能调整高度。该设备适用于煤层较稳定起伏不大的情况下的开采。
本实施例中采煤过程如下所述，设置于采空区两边巷道中的牵引机构，通过链条11牵引机体9沿平行于采空区布置的运行导轨12运行，机体9带动采煤头运行，楔形体1在截深200～800mm处插入煤体，当楔形体1插入到一定的深度后，煤体由于内部局部应力的增加而涨裂崩落，崩落后粘贴在顶、底板上的煤体地压残余应力基本消除，此时安装于采煤头上的顶板清理机构3和底板清理机构2对残留煤体进行清理，被清理的原煤和崩落的原煤一起，被犁形板5导入沿采空面布置的运输机，各机构连续运行完成从采煤面一端到另一端的采煤过程，然后采煤头换向、运行导轨12向待采煤体移动一次截深的距离，完成下一次采煤过程。
本实施例中，选取的楔形体为两个，实际生产中所设置的楔形体的个数可以为1～3个。
其他同实施例1。