專利名稱：具有精確導航系統的采礦設備的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及采礦領域，特別是涉及用于邊坡采礦機的導航系統以及采用這種系統的邊坡采礦機。
背景技術：
一般可在例如石灰巖、砂巖或頁巖之類的沉積巖地層之間延伸的大致水平的礦層中發現由腐爛和壓縮的植物性物質形成的煤礦。表面和地下開采為獲得這種煤礦的主要技術。
表面開采或露天開采包括移走已知為覆蓋煤層的覆蓋層材料，以露出煤礦以便開采。近些年來，在美國，表面開采比地下開采獲得了更為顯著的發展。這是由于很多因素造成的，其包括(a)表面開采或露天開采設備增長的材料移走能力；(b)表面開采比地下開采成本低；(c)表面開采比地下開采具有更高的安全記錄；以及(d)表面開采的很多煤礦儲備具有更高的煤礦提取率。
然而，雖然具有上述優點，但表面開采仍然具有其局限性。主要的限制因素是覆蓋層的深度。一旦煤層達到該表面以下一定深度，達到煤層必須移走的覆蓋層的量會使得露天開采從經濟效益上看無法實施。
當這種情況發生時，可能在地層中仍然留有大量的煤礦。如果要對這些煤礦經濟地開采，必須使用其它開采方法。在這種情況下，地下開采應用一般非常有限。這是由于多個因素造成的，包括存在不良的頂板支護情況、礦層薄和/或沒有足夠充足的煤量保證對地下操作進行大型投資。
由于這些考慮，在移走覆蓋層花費巨大的地方，經常緊隨露天開采操作之后使用螺旋鉆機開采法來獲得煤礦。使用大型螺旋鉆機鉆入礦層面并從覆蓋層下開采煤礦。有利地，螺旋鉆機開采法與現有技術的其它任何形式的采礦技術相比非常有效率，其每天每人提供的噸數更多。當與表面開采和地下開采相比時，螺旋鉆機開采法還可快速啟動，且需要相對較低的投資支出。迄今為止，螺旋鉆機開采法還被發現是用于相對較薄的礦層的最佳方法。而且，螺旋鉆機開采法比表面開采和地下開采都安全。因此，螺旋鉆機開采法可作為露天開采操作的有效補充，并可開采小的煤礦儲層，否則，這些小的煤礦儲層會被剩下。
然而，螺旋鉆機開采法并非沒有缺點。螺旋鉆機開采法提供了相對較低的煤礦開采總量。對于鉆挖的開采區，煤礦開采率一般少于約35％。一些損失的開采率是由于要留下煤柱來支撐相鄰螺旋鉆機孔之間的覆蓋層。然而，大部分開采不足是由于即使現有技術的螺旋鉆機開采設備也只能達到有限的鉆透深度。
更具體地說，隨著鉆透深度增加，需要更大量的螺旋葉片以將煤從切割頭傳送至開采礦層面。由于與鉆孔壁的接觸，每個葉片增加了螺旋鉆機旋轉的摩擦阻力。另外，螺旋葉片串越長，每次葉片移動的煤礦重量越大。結果，可以理解，螺旋鉆機的功率需求隨螺旋鉆機鉆透深度快速增加。
由于以上考慮，傳統螺旋鉆機設備鉆出的孔一般只能達到150英尺(46米)的深度，很少能達到200英尺(61米)的深度。當然，在該數字上的任何增加都是期望的，因為這將極大改進開采區的煤礦開采率。
為了滿足這個需求，已經開發了采礦系統和方法。更具體地說，由本發明的受讓人擁有的一系列美國專利中公開了這種邊坡系統和方法。這些專利為5,522,647、5,364,171、5,261,729和5,232,269。這些專利的全部公開內容通過參考整合在此。
如圖1最佳所示，采礦系統包括用于從煤層切割煤的連續采礦機。切割下來的煤被采礦機送到輸送列車，該輸送列車包括一系列首尾串連的模塊輸送單元。該系統允許利用傳統的螺旋鉆機開采設備開采到可能遠超過150至200英尺(46-61米)的深度。實際上，已經達到了高達約2000英尺(610米)的深度。
每個輸送單元支撐在地面嚙合輪上，從而在采礦機行進到煤層時適于跟隨采礦機。推進裝置也整合到了該新系統中。推進裝置包括用于接收和輸送被輸送列車排出的聚集煤的輸送機構。推進裝置還包括用于支撐輸送列車的端部單元的導軌和待加入輸送列車的輸送單元。而且，還提供了獨立的驅動組件，用以(1)使輸送列車和采礦機一起前進/后退，并(2)用于推入新輸送單元使其與輸送列車嚙合。有利地，即使在輸送列車中增加輸送單元時，該系統也可以不間斷地切割和輸送聚集的煤礦。這樣，系統不僅提供了開采區顯著改善的開采率，還能比螺旋鉆機設備更有效地操作并提供改進的生產力。
本發明涉及一種用于采礦機的導航系統，其允許精確引導，因此在開采的開口之間保持了適當的礦柱，且即使從煤礦面開采到極端深度時也不會出現穿透到以前開采的開口中的情況。而且，該導航系統使得采礦機可以更好地沿煤層運行，從而更有效地采礦。
發明內容
根據上述本發明的目的，提供了一種改進的采礦設備。該采礦設備包括采礦機、輸送單元、以及轉向單元，其連接所述采礦機和所述輸送單元。另外，該設備還包括定位傳感器、響應于所述定位傳感器的控制器、以及第一和第二致動器。
第一和第二致動器設置在所述采礦機、所述輸送單元或所述轉向單元其中之一上。所述第一致動器定位到所述采礦機中線的第一側。所述第二致動器定位到所述采礦機中線的第二對置側。所述第一和第二致動器在任一平行側調整所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角，以確定所述采礦機的前進方向。
更具體地描述本發明，所述第一致動器包括第一可移動引導構件。類似地，所述第二致動器包括第二可移動引導構件。所述第一可移動引導構件包括具有第一凸頂的第一端部，而所述第二可移動引導構件包括具有第二凸頂的第二端部。所述第一和第二凸頂二者具有約為16英寸的曲率半徑。
在一種可能的實施例中，所述第一致動器為第一液壓缸，而所述第二致動器為第二液壓缸。每個缸具有約10英寸的孔，約1.5英寸的行程且工作在約3,500psi的工況下以產生高達137噸的力。
在本發明的一個實施例中，所述第一和第二致動器設置在所述轉向單元上。在這個實施例中，所述第一和第二凸頂/端部分別嚙合所述采礦機上的第一和第二配合支撐面。通過延伸一個致動器和收回另一個致動器，可調整所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角，以使得所述采礦機朝向期望的路線前進。
在第二個實施例中，所述第一和第二致動器也設置在所述轉向單元上。然而，所述第一和第二凸頂/端部分別嚙合所述輸送單元上的第一和第二配合支撐面。同樣地，通過按需要延伸和收回所述致動器，可完成采礦機的轉向使其向期望的路線前進。
在本發明的另一個實施例中，所述第一和第二致動器設置在所述采礦機上。所述致動器的第一和第二端部分別嚙合所述轉向單元上的第一和第二配合支撐面。同樣地，相對延伸和收回致動器可使得采礦機轉向。
在另一個可能的備選實施例中，所述第一和第二致動器設置在所述輸送單元上。在這個實施例中，所述第一和第二端部分別嚙合所述轉向單元上的第一和第二配合支撐面。同樣地，相對延伸和收回致動器可以調整所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角，從而使得采礦機沿著期望的方向前進。
進一步描述本發明，所述轉向單元通過第一樞轉銷連接至所述采礦機，并通過第二樞轉銷連接至所述輸送單元。所述第一樞轉銷沿第一平面延伸，而所述第二樞轉銷沿第二平面延伸。所述兩個平面大致彼此垂直。
在一種設置中，所述第一平面是水平的，而所述第二平面是垂直的。在另一種設置中，所述第一平面是垂直的，而所述第二平面是水平的。有利地，水平/垂直和垂直/水平的銷設置用來提供足夠的空隙或間隙，以在采礦機沿包括各種可能遭遇的起伏地層上下移動時，允許采礦機和輸送單元追隨礦層。而且，面對面的間隙允許方向修正，以使得在開采洞或開口之間保持適當的礦柱，所述開采洞或開口包括那些在裸露的礦層面后延伸很深的洞或開口。
根據本發明的另一方面，所述采礦設備可包括礦層傳感器。提供例如γ傳感器的礦層傳感器用于定位被開采的礦層的頂部和底部。然后可控制刀頭筒的操作以確保被開采的礦層是在沒有穿透礦層進入上面或下面的礦層的情況下開采的。而且，允許操作者保持預期的頂板結構。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用于包括采礦機和輸送單元的采礦設備的引導控制裝置。該引導控制裝置可包括定位傳感器、響應于所述定位傳感器的控制器、以及至少一個響應于所述控制器的致動器，用于調整所述采礦機的前進方向。
備選地，該引導控制設備包括定位傳感器、響應于所述定位傳感器的控制器、連接到所述采礦機和所述輸送單元二者的轉向單元。另外，所述設備還包括第一致動器，其設置在所述采礦機、輸送單元和轉向單元之一上。所述第一致動器響應于所述控制器，以調整所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角，從而調整所述采礦機的前進方向。
根據本發明的另一個方面，提供了一種引導包括采礦機和至少一個輸送單元的采礦設備通過礦層的方法。該方法包括以下步驟在所述采礦機和所述至少一個輸送單元之間定位引導機構；在所述采礦機和所述至少一個輸送單元之間施加力，從而，改變所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角；以及在調整所述連接角后使所述采礦機前進。
備選地，該方法可定義為包括以下步驟確定所述采礦機的實際位置和前進方向；將所述實際位置和前進方向與所述采礦機的期望位置和前進方向進行比較；調整嚙合在所述采礦機和所述輸送單元之間的轉向裝置，以使得所述采礦機朝向期望的方向前進；以及使所述采礦機沿所述期望的前進方向前進。
通過另一種備選定義，該方法可包括以下步驟通過控制所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角來調整所述采礦機運動的前進方向。
在以下描述中，通過示出一些最適合實現本發明的模式，簡單地示出和描述了本發明的幾個實施例。應該理解本發明也可是其它不同實施例，并且在不背離本發明的情況下可以對其細節做出各種明顯修改。因此，附圖和說明書應該被認為實質是說明性的而不是限制性的。
整合在本說明書中且構成本說明書一部分的附圖示出了本發明的幾個方面，并和說明書一起用于解釋本發明的必然原理。在所述附圖中圖1是本發明的采礦設備的示意圖，其包括推進裝置、采礦機、位于采礦機之后形成輸送列車的多個模塊輸送單元和用于在采礦機進入礦層時控制采礦機前進方向的引導機構；圖2是位于推進裝置的框架上的模塊輸送單元的部分截面示意圖；圖3a和圖3b是示意性側視圖，示出了通過一對相互配合的串列配置的驅動缸組的往復運動推進輸送列車以及將模塊輸送單元添加到列車；圖4是轉向單元的透視圖；圖5a-5d是本發明四個不同實施例的示意性俯視圖，示出了在采礦機上或輸送單元上，轉向單元在采礦機與輸送單元之間的定位，以及致動器在轉向單元上的定位；圖6是示意性俯視圖，示出了為了為采礦機提供的方向前進改變，采礦機和輸送單元之間的連接角如何從平行進行改變；圖7a是本發明的其中一個致動器的示意圖；圖7b是圖7a所示致動器的前視圖；以及圖8是本發明的引導控制系統的示意性框圖。
現在參考附圖中示出的本發明實施例進行具體說明。
具體實施例方式
現在參考示意性示出本發明采礦設備10的圖1、2、3a和3b。采礦設備10包括適于連同包括現有技術中已知類型的連續采礦機M的連續開采系統一起使用的推進裝置L。采礦機M包括轉動刀頭筒D，該轉動刀頭筒D在螺旋葉片(未示出)上設置有一系列切割齒。刀頭筒D可轉動地安裝在可垂直移動的吊臂上，該吊臂樞轉安裝至采礦機M的主框架構件上。其中還示出，采礦機被支撐得可通過一對履帶組件N沿礦層地面移動。
在操作過程中，優選地，采礦機M將吊臂抬升并轉動刀頭筒D而進入礦層面S。由于從礦層的頂水平線或層頂線開始切割，所以采礦機M進一步向前前進且吊臂逐漸下降。隨著采礦機M的前進以及吊臂的上升和下降，煤C從礦層面S被挖下。然后，聚集的煤C被負責將聚集的煤輸送至刮板運輸器F的傳統收集頭收集。
如圖1所示，刮板運輸器F將聚集的煤C輸送至總體由字母T表示的輸送列車的引導輸送單元U。輸送列車T還包括一系列彼此相同的模塊輸送單元U，它們在引導輸送單元后可拆卸地串連在一起。
如題為“連續采礦設備和方法(Apparatus and Method for ContinuousMining)”并轉讓給本發明受讓人的授權美國專利5,112,111中描述的那樣，每個輸送單元U包括被一系列輪子W支撐在地面上運動的主結構框架。每個輸送單元U還包括中心設置的縱向延伸的傾斜輸送器。該輸送器，優選為帶式，被操作以將低端接受的聚集煤C輸送至高端，在該高端處，煤從一個輸送單元U排出至系列中的另一個輸送單元。每個輸送單元U還包括其本身的馬達，用于驅動其中保持的帶式輸送器。輸送列車T的單元U還通過控制線互連，該控制線首先從電源例如臺地上的發電機(未示出)引出到采礦機M，然后向后穿過獨立的輸送單元U。因此，輸送單元的馬達串連連接，以基本上一致的速度同步操作。
每個輸送單元U還包括連接機構G，其專門適用于允許所述單元以剛性方式連接在一起，因此列車T的單元在采礦機M的后方保持完全直的對齊。這樣的連接機構可以例如包括位于每個輸送單元上的配合U形夾，所述U形夾以交叉方式接受在一起并通過銷釘連接。
從圖1可以看出，輸送列車T根據需要包括很多輸送單元U以使得伸出礦層的列車到達臺地B上的推進裝置L。如圖所示，優選地，在礦層底部下方挖出臺地B，以容納推進裝置或平臺L。
如圖2、3a和3b所示，推進裝置L包括主結構框架12，其支撐優選為帶型的集料輸送器14。這種輸送器14從列車T的最末輸送單元U接收聚集的煤C。然后，煤C被集料輸送器14輸送上斜坡16，從操作者控制室下方輸送至排出輸送器20。排出輸送器20也是傾斜的，并且可以例如用于輸送聚集的煤C至裝貨位置例如卡車的車板，用于將煤運走進行存放或進一步處理。
如圖2、3a和3b所示，推進裝置L包括安全蓋22。安全蓋22通過一系列間隔的支撐柱24和支撐臂26連接至主結構框架12。兩組千斤頂28沿推進裝置L的長度方向間隔設置。千斤頂28支撐在滑架30上，并可以被啟動以將推進裝置L的主框架12從臺地B提升，使得推進裝置能夠通過重型設備或螺旋滑架移動至開采位置。
又如圖2所示，推進裝置L包括一對間隔地板柵形式的間隔導軌31，其適于支撐模塊輸送單元U的地面嚙合輪W。另外，在鄰近集料輸送器14的側面并在其外側設置了一對導軌32。這些導軌32在地板柵部分31的上方向上延伸，并從集料輸送器14朝向輸送單元U的地面嚙合輪W的內表面向外延伸。在輸送單元U定位在推進裝置L上稍微偏離集料輸送器14的情況下，輪的內表面將嚙合導軌32從而必要地將模塊輸送單元U與輸送列車T重新對準以保證合適的對準。有利的是，通過將輸送列車T的端部單元保持適當對準以使其置于推進裝置輸送器14上，在操作的所有時刻，來自輸送列車的聚集材料都被推進裝置輸送器接收和輸送。
如圖3a和3b所示，推進裝置L還包括總體由標記34代表的驅動組件。該驅動組件34專門用于有選擇的輔助輸送列車T的前進或后退。更具體地說，驅動組件34包括一對相互配合的串列配置的驅動缸組36、38。由于每組的串列配置的驅動缸安裝至推進裝置輸送器14(也參見圖2a)相對側的主框架12上，所以每組36、38中的驅動缸僅有一個示于圖3a和3b中。如圖所示，前面的串列配置的驅動缸組36安裝得與后面的驅動缸組38縱向對準且兩者分離。另外，從圖2中可以看出，每個串列配置的驅動缸組36、38具有左側缸和右側缸。前組36的兩個串列配置的缸一起運行。類似地，后組38的兩個串列配置的缸也一起運行。
組36、38中的每個驅動缸包括可伸長的活塞桿40。推動臂單元安裝在每個活塞桿40的遠端。每個推動臂單元包括大致V型的推動臂44，其通過樞轉銷樞轉安裝至底座。如題為“連續采煤的推進裝置(Launch Vehicle forContinuous Coal Mining)”的授權美國專利5,232,269所述，推動臂44可有選擇地定位在第一位置，用于將配合銷P嚙合在輸送單元U上并將輸送列車T推進到礦層S中。備選地，推動臂44可有選擇地定位在第二對置位置，也用于嚙合配合銷P并使輸送列車T從礦層S退回。
有利地，驅動組件34功率充足以輔助輸送列車T和采礦機M前進(后退)進入(從之出來)礦層面F。當在很多開采地區存在軟底條件例如耐火粘土時，這是一個尤為重要的優點。傳統采礦機M上的履帶組件N容易陷在軟底中，直到采礦機主框架的“高中心”為止，并擱置在所述車轍之間的未擾動的底部材料上。從而，連續采礦機M傾向于在出現軟底情況下被困住。這樣，在過去，常常要避免開采這種類型的礦層。相反，利用本系統，現在有可能開采這種礦層。因此，本設備有效地打開了新的開采區域，從而增加了可開采的煤礦儲備。
本發明的推進裝置L還包括用于在輸送列車T前進到礦層時將單獨模塊輸送單元U增加至輸送列車T的機構。用于增加模塊輸送單元的機構總體由標記52代表，如圖3a和3b所示。輸送單元增加機構52包括電源或驅動電機54，其通過電力輸出傳送裝置(未示出)連接至一對拉緊滾筒56。每個拉緊滾筒56可旋轉地安裝至保持在支架59中的軸58上，該支架59安裝至覆蓋22。一個拉緊滾筒56安裝在操作者控制室18旁邊。另一個拉緊滾筒56安裝在第一個滾筒前大約輸送單元長度(例如，45英尺)的距離處。
纜線或重負載纜繩60安裝至每個拉緊滾筒56。更具體地說，每根纜線60的近端連接至相關的拉緊滾筒56以使得滾筒的轉動向外拉或拉緊纜線。每個纜線60的遠端通過軛62連接至固定有橫臂66的吊環64。一對向下延伸的吊鉤68連接至橫臂66的每一端。吊鉤68用于在即將被絞繩60懸掛起的輸送單元U的端部處連接銷P。當然，可使用任何其它適當的用于將絞繩60連接至輸送單元U的設置。
有利的是，向輸送列車T增加無限數量的模塊輸送單元U的能力結合采礦機M的履帶組件N和推進裝置L上的驅動缸組36、38共同作用以滿足在露出的礦層面后更深地開采的所需的必需條件。事實上，可以開采1600至2000英尺(488-618米)或更深的深度。然而，當采礦機進入礦層時，應精確引導采礦機以確保其最有效率的且有效地開采。這是因為必須在每個開采口之間保持煤支柱、煤壁或煤柱，以便在開采過程中支撐覆蓋層并防止不期望的陷落。另外，當采礦機M穿透煤柱進入鄰近的開采口時，可能出現冒頂現象。這可能導致采礦機M和也許多個輸送單元U困于地下礦層很深的地方。采礦機M是最基本的投資且在任何情況下都必須避免采礦機的損失。而且，即使可以成功地完成回收工作，也應該理解，回收期間的煤礦生產的停機需要操作者付出相當大的成本。因此，應該理解，有效率的和有效的深邊坡開采依賴于采礦機M的精確定位能力以及準確引導采礦機按需要定向前進的能力，以保持合適的礦柱尺寸并防止其穿透進入鄰近的開采洞中。
現在描述引導控制設備100，其用于在深開采過程中提供所需精度以引導采礦機M，使礦口之間保持適當的礦柱。具體地說，圖1中示意性示出了轉向單元，其由標記101總體表示。如圖所示，轉向單元101連接在采礦機M和采礦機后面的第一輸送單元U之間。如圖5a-5d和圖6所示，轉向單元101包括框架102。第一U形夾104設置在框架102上，鄰近框架的第一橫向端部處。類似地，第二U形夾106設置在框架102上，鄰近框架的第二對置的橫向端部處。第三U形夾108在第一和第二U形夾104、106之間沿框架中間部分設置。進一步說，兩個外U形夾104、106設置在框架102的第一面上并面向第一方向，而第三U形夾108設置在框架的對置面上并面向第二對置的方向。進一步說，位于框架102端部的第一和第二U形夾104、106包括一對沿垂直方向延伸的配合板。設置在框架中間部分的第三U形夾108包括一對沿基本水平方向延伸的配合板。
每個U形夾104、106、108限定出分別用于接收安裝凸耳或支架110、112、114的通道。如下面將要更為具體描述的那樣，每個安裝凸耳或支架110、112、114設置在采礦機M或輸送單元U上。第一樞轉銷固定在第一U形夾104和安裝支架110對準的配合孔中，以確保安裝支架位于U形夾中。另一個第一樞轉銷116固定在第二U形夾106和安裝支架112的配合孔中，以確保安裝支架位于U形夾中。第二樞轉銷118固定在第三U形夾108和安裝支架114的對準的配合孔中，以確保安裝支架在第三U形夾中。
進一步參考圖8，引導控制設備100還包括第一致動器116和第二致動器118。如圖7a和7b所示，第一致動器116可包括液壓缸120和配合活塞/可移動引導構件122。可換引導部件122的第一端部具有第一凸頂124。在所示實施例中，凸頂124具有16英寸(406毫米)的曲率半徑。雖然未示出，但是第二致動器118可包括第二液壓缸、第二活塞/可移動引導構件和第二凸頂，其與圖7a和7b中所示的各組成部件相同，并可參考上述的第一致動器116的描述。
引導控制設備100還包括定位傳感器125、控制器126和礦層傳感器134。控制器126通過控制線128連接到定位傳感器125。控制器126通過各自的控制線130、132連接至第一和第二致動器116、118。另外，控制器126通過控制線136連接至礦層傳感器134。
定位傳感器125為專門用于開采設備的精確慣性定位和定向系統。這種定位傳感器125由Honeywell公司制造和銷售，商標為Horta(Honeywell OreRecovery/Tunneling Aid)。Horta裝置為完全獨立自給動態參考單元慣性導航儀，其使用捷聯式慣性算法進行機械化，三環激光陀螺儀用于感應角運動，三個Q撓曲加速度計用于平移測量，特殊軟件用于采礦應用。
礦層傳感器134專門用于定位礦層的頂部和底部。專門用于所需目的的礦層傳感器134為γ傳感器，例如American Mining Electronics，Inc.制造和銷售的AME Model 1008煤厚度傳感器。
圖5a-5d示出本發明的四種不同實施例。在所有這些實施例中，轉向單元101連接在采礦機M和鄰近的輸送單元U之間。在圖5a所示的實施例中，第一和第二U形夾104、106接收連接至采礦機M的框架或緩沖器150的安裝支架110、112。兩個第一樞轉銷113分別完成這些連接。應該理解，每個樞轉銷113沿大致水平面延伸。
第三U形夾108接收安裝至輸送單元U的框架或緩沖器152的第三安裝支架114。第二樞轉銷115完成了第三U形夾108和第三安裝支架114的連接。應該理解，第二樞轉銷115沿大致垂直于第一樞轉銷113延伸平面的平面而延伸。從而，在這個實施例中，第一樞轉銷113沿大致水平的面延伸，而第二樞轉銷115沿大致垂直的面延伸。
第一致動器116和第二致動器118安裝至轉向單元101的框架102。更具體地說，如圖所示，第一致動器116安裝至第一U形夾104和第三U形夾108之間的框架102。類似地，第二致動器118安裝至第二U形夾106和第三U形夾108之間的框架102。從而，應該理解，兩個致動器116、118安裝至轉向單元101的框架102，以使得它們在從采礦機M的中線154的延長線的每一側橫向分隔。
在操作過程中，引導控制設備100用于調整采礦機M和輸送單元U之間的連接角，以當采礦機M前進穿過礦層時確定并調整采礦機M的定向前進。更具體地說，每個致動器116、118的可移動引導構件122延伸，使得每個引導構件的凸頂124嚙合輸送單元U的緩沖器152上的配合支撐面156。當可移動引導構件122延伸其行程長度的一半時(例如，對于總行程為1.5英寸即38.1毫米的氣缸，延伸0.75英寸即19毫米)，采礦機M被致動器116、118完全保持以平行于輸送單元U對準。
可通過將致動器116或118其中一個的可移動引導構件122伸長并將另一個致動器的可移動引導構件收回相同的量，來調整采礦機M和輸送單元U之間的連接角。因此，例如，為了向右轉或朝向圖5a中的頂部，第二致動器118的可移動引導構件122延長至0.75英寸(即，缸的滿行程)，而致動器116的可移動引導構件122收回0.75英寸。每個致動器116，118包括1.5英寸行程的液壓缸和工作在3500psi(246kg/cm)的10英寸(254毫米)鉆孔。因此，每個致動器116、118產生高達137噸的力。致動器116、118可以平滑地且輕易地改變采礦機M和輸送單元U之間的連接角。
可通過在第一U形夾104和第一安裝支架110之間、第二U形夾106和第二安裝支架112之間、以及第三U形夾108和第三安裝支架114之間設置少量空隙來實現連接角的改變。在所示實施例中，第一和第二致動器116、118能夠將采礦機M和輸送單元U之間的連接角在軸線P(見圖6)的任意一側改變高達2.5度。這允許操作者當采礦設備10在礦層中前進時保持其期望的空間定向，并在礦口之間保持適當尺寸的礦柱，以及防止穿透進入鄰近礦口和避免由此引起的潛在冒頂。這是一個很重要的操作優點，因為這種冒頂可能潛在地將采礦機困在地下，可能妨礙采礦機還原，至少在任何恢復操作過程中，中斷了煤生產。
通過采取相反的動作有可能將圖5a中的方向改變為向左或向下。這樣，致動器116的可移動引導構件122可延長，而致動器118的引導構件可收回相同長度，以迫使采礦機M平行向左偏轉2.5度。
為了保持采礦機M沿正確方向前進的必要修正可通過控制器126實現。更具體地說，控制器126接收來自設置在采礦機M上的傳感器125的實際定位和前進方向信息。然后，控制器126將該實際定位和前進方向信息與在鄰近礦口之間提供所需礦柱所必需的預定的期望定位和前進方向信息進行比較。根據以上比較，控制器126將控制信號經過控制線130、132傳送至兩個致動器116、118，以進行任何必要的前進方向的調整。這個過程為連續過程并允許采礦設備10沿所需路徑在面F后面有效率地和有效地進行深開采。
礦層傳感器134同時工作以連續檢測被開采的礦層的頂部和底部。該數據流通過控制線136送至控制器126。控制器126通過控制采礦機M吊臂端部上的刀頭筒D的操作來響應該數據。這樣，刀頭筒D按需要上升和下降以在合適的水平面切割頂板和底板，從而無需過度浪費材料即可得到干凈的礦石，并可保持所需的頂板情況。
從而，采礦機M可以追隨礦層，不管礦層底部是水平的還是向上或向下傾斜的。有利地，采礦機M和各種輸送單元U之間的U形夾和樞轉銷連接提供了必需的空隙或允許采礦機或輸送單元追隨地面的起伏和/或傾斜。另外，可移動引導構件122端部處的凸頂124具有足夠的半徑以允許采礦機M沿該傾斜行進而不迫使或使得采礦機M離開預定路線。
圖5b、5c和5d所示的實施例以類似方式操作，但其構件的組裝有細小不同。在圖5b的實施例中，轉向單元101相對于采礦機M和輸送單元U是反向的。這樣，第一和第二U形夾104、106嚙合連接至輸送單元U的框架或緩沖器152的安裝支架110、112。第三U形夾108連接至固定于采礦機M的框架或緩沖器150的第三安裝支架114。
另一個區別是致動器116、118的凸頂124嚙合采礦機M的緩沖器150上的支撐面156。然而，引導控制設備100和致動器116、118仍舊以同樣的方式工作，以在采礦機M前進進入礦層時控制采礦機M的定向前進，以在礦口之間保持所需寬度的礦柱。
圖5c示出另一個實施例。在這個實施例中，轉向單元101的第一和第二U形夾104、106連接至輸送單元U的框架或緩沖器152上的安裝支架110、112。轉向單元101的第三U形夾108連接至采礦機M的框架或緩沖器150上的安裝支架114。另一個區別是第一和第二致動器116、118安裝在采礦機M的框架或緩沖器150上。每個致動器的凸頂124嚙合設置在轉向單元101的框架102的對置的橫向邊緣附近的支撐面156。
雖然這個實施例的結構與前面兩個實施例不同，但操作原理是相同的。更具體地說，控制器126響應于從定位傳感器125發出的數據運行，并按需要延長和收回致動器116、118的可移動引導構件122，以控制采礦機M的線路并在礦口之間提供所需寬度的礦柱。類似地，控制器126響應于從礦層傳感器134接收的數據運行，以控制刀頭筒D，用以追隨礦層并在保持適當頂板的情況下獲得干凈的礦石。如在所有實施例中的那樣，U形夾連接和樞轉銷可實現必要的空隙，以允許路線調整和追隨礦層地面的傾斜變化。有利地，致動器116、118的彎曲凸頂124可以確保，不管地面傾斜如何(即，無論采礦機向上、向下或水平前進)，在任何時候都提供適當且一致的引導控制。
圖5d示出另一個實施例。在這個實施例中，轉向單元101的第一和第二U形夾104、106連接至安裝在采礦機M的緩沖器150上的安裝支架110、112。第三U形夾108連接至固定至輸送單元U的緩沖器或框架152的安裝支架114。第一和第二致動器116、118安裝至輸送單元U的緩沖器或框架152。致動器116、118的可移動引導構件122上的凸頂124嚙合框架102上鄰近轉向單元101的每個橫向邊緣的支撐面156。同樣地，不管構件組裝的差異如何，系統以和上述相同的方式運行，以引導采礦機M沿最佳線路前進，從而對礦層提供有效率地和有效地開采。
總的來說，采用本發明的概念可得到很多益處。采礦設備10整合了新穎的導航控制設備或系統100，其以必要的精度引導采礦機M以在礦層面之后對更深的礦層進行安全而有效的開采。有利地，這種深開采允許更多的資源回收，同時在礦口之間保持必要的礦柱以支撐覆蓋層并防止陷落。因此，可以最小化開采活動帶來的環境破壞。
還應該理解，采礦設備10由作用在作為采礦設備一部分的支撐面156上的一對致動器116、118引導。致動器116、118不與礦口的頂板、底板或礦壁/礦柱嚙合或接觸，而對采礦設備10實施轉向。因此，地面上不會留下轍痕溝，也不會有材料從頂板或礦柱上掉落。因而，轉向動作不會無意中傷害到頂板和礦柱。而且，通過避免地面上的轍痕和礦壁與頂板的掉落，保持了礦口干凈以用于采礦設備的操作。
另外，還基本消除了穿透礦柱進入鄰近礦口的可能性。這明顯降低了冒頂的可能性，冒頂可能潛在地將貴重的開采設備困在地下。雖然在這種情況下恢復操作可能成功，但由于采礦機停機時間引起的生產損失對開采工作的最終效益具有極有害的影響。因此，本領域技術人員應該很好地理解，避免問題具有很大的益處。
前面對本發明優選實施例的描述是為了說明和描述本發明。其并不是詳盡的，也并非意在將本發明限制為公開的精確形式。考慮到上述教導，明顯的修改或變化都是可能的。例如，雖然轉向單元描述為連接在采礦機和鄰近輸送單元之間，但是其也可定位在兩個相鄰的輸送單元之間。而且，可以去掉轉向單元，并將致動器直接安裝至一個單元，而致動器的凸頂嚙合相鄰單元的配合支撐面。
選擇和描述的實施例提供了對本發明原理和其實際應用的最佳說明，從而使得本領域技術人員可以以適用于構思的特定用途的各種實施例和各種改進使用本發明。當在符合公正、合法、公平的情況下對權利要求的范圍進行解釋時，所有這些修改和變化都落在所附權利要求限定的本發明范圍內。所述附圖和優選實施例在任何情況下都不意在限制權利要求的一般含義以及其公正和廣泛的解釋。
權利要求
1.一種采礦設備，包括采礦機；輸送單元；轉向單元，其連接所述采礦機和所述輸送單元；定位傳感器；控制器，其響應所述定位傳感器；第一致動器，其設置在所述采礦機、所述輸送單元和所述轉向單元其中之一上，所述第一致動器定位到所述采礦機的中線的第一側；以及第二致動器，其設置在所述采礦機、所述輸送單元和所述轉向單元其中之一上，所述第二致動器定位到所述采礦機的所述中線的第二對置側；從而，所述第一和第二致動器在任一平行側調整所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角，以確定所述采礦機的前進方向。
2.如權利要求1所述的采礦設備，其中，所述第一致動器包括第一可移動引導構件，所述第二致動器包括第二可移動引導構件。
3.如權利要求2所述的采礦設備，其中，所述第一可移動引導構件包括具有第一凸頂的第一端部，所述第二可移動引導構件包括具有第二凸頂的第二端部。
4.如權利要求3所述的采礦設備，其中，所述第一和第二凸頂具有約為16英寸即406毫米的曲率半徑。
5.如權利要求4所述的采礦設備，其中，所述第一致動器為第一液壓缸，所述第二致動器為第二液壓缸。
6.如權利要求5所述的采礦設備，其中，所述第一和第二液壓缸中的每一個具有約10英寸即254毫米的孔，約1.5英寸即38.1毫米的行程且以高達約3500psi即246公斤/厘米的情況下運行。
7.如權利要求3所述的采礦設備，其中，所述第一和第二致動器設置在所述轉向單元上，所述第一和第二端部分別嚙合所述采礦機上的第一和第二配合支撐面。
8.如權利要求3所述的采礦設備，其中，所述第一和第二致動器設置在所述轉向單元上，所述第一和第二端部分別嚙合所述輸送單元上的第一和第二配合支撐面。
9.如權利要求3所述的采礦設備，其中，所述第一和第二致動器設置在所述采礦機上，所述第一和第二端部分別嚙合所述轉向單元上的第一和第二配合支撐面。
10.如權利要求3所述的采礦設備，其中，所述第一和第二致動器設置在所述輸送單元上，所述第一和第二端部分別嚙合所述轉向單元上的第一和第二配合支撐面。
11.如權利要求1所述的采礦設備，其中，所述轉向單元通過第一樞轉銷連接至所述采礦機，通過第二樞轉銷連接至所述輸送單元。
12.如權利要求11所述的采礦設備，其中，所述第一樞轉銷沿第一平面延伸，所述第二樞轉銷沿第二平面延伸，所述第一和第二平面大致彼此垂直。
13.如權利要求12所述的采礦設備，其中，所述第一平面是水平的，所述第二平面是垂直的。
14.如權利要求12所述的采礦設備，其中，所述第一平面是垂直的，所述第二平面是水平的。
15.如權利要求1所述的采礦設備，還包括用于定位被開采的礦層的頂部和底部的礦層傳感器。
16.如權利要求15所述的采礦設備，其中，所述礦層傳感器是γ傳感器。
17.一種采礦設備，包括采礦機；輸送單元，其連接至所述采礦機；以及轉向機構，其包括可移動轉向構件，所述采礦機和所述輸送單元其中之一承載所述轉向機構，所述可移動轉向構件嚙合所述采礦機和所述輸送單元中的另一個，從而，所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角被調整以確定所述采礦機運動的前進方向。
18.如權利要求17所述的采礦設備，還包括設置在所述采礦機上的定位傳感器和響應所述定位傳感器的控制器。
19.如權利要求18所述的采礦設備，還包括用于定位被開采的礦層的頂部和底部的礦層傳感器。
20.如權利要求19所述的采礦設備，其中，所述礦層傳感器是γ傳感器。
21.一種用于包括采礦機和輸送單元的采礦設備的引導控制設備，包括定位傳感器；控制器，其響應于所述定位傳感器；以及至少一個響應于所述控制器的致動器，用于調整所述采礦機的前進方向。
22.一種用于包括采礦機和至少一個輸送單元的采礦設備的引導控制設備，包括定位傳感器；控制器，其響應于所述定位傳感器；轉向單元，其連接到所述采礦機和所述輸送單元二者；第一致動器，其設置在所述采礦機、輸送單元和轉向單元其中之一上，所述第一致動器響應于所述控制器以調整所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角，從而調整所述采礦機的前進方向。
23.一種引導包括采礦機和至少一個輸送單元的采礦設備通過礦層的方法，包括在所述采礦機和所述至少一個輸送單元之間定位引導機構；在所述采礦機和所述至少一個輸送單元之間施加力，從而，改變所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角；以及在調整所述連接角后使所述采礦設備前進。
24.一種引導包括采礦機和輸送單元的采礦設備通過礦層的方法，包括確定所述采礦機的實際位置和前進方向；將所述實際位置和前進方向與所述采礦機的期望位置和前進方向進行比較；調整嚙合在所述采礦機和所述輸送單元之間的轉向機構，以使得所述采礦機朝向期望的方向前進；以及使所述采礦機沿所述期望的前進方向前進。
25.一種引導包括采礦機和輸送單元的采礦設備通過礦層的方法，包括通過控制所述采礦機和所述輸送單元之間的連接角來調整所述采礦機運動的前進方向。
26.一種采礦設備，包括采礦機；相鄰的輸送單元；致動器，其固定至所述采礦設備，所述致動器包括可移動轉向構件，所述轉向構件的端部嚙合所述采礦機和所述輸送單元其中之一的支撐面。
27.一種引導包括采礦機和輸送單元的采礦設備的方法，包括在采礦設備上定位引導致動器；以及在所述采礦機和所述輸送單元之間施加轉向力。
全文摘要
本發明提供了一種采礦設備，包括采礦機、輸送單元和連接采礦機與輸送單元的轉向單元。該設備還包括前進方向傳感器和響應于前進方向傳感器的控制器。第一致動器設置在采礦機、控制單元或轉向單元上。第一致動器定位在采礦機中線的第一側。另外，第二致動器設置在采礦機、輸送單元和轉向單元之一上。第二致動器定位在采礦機中線的第二對置側上。第一和第二致動器用于沿任一平行側調整采礦機和輸送單元之間的連接角，以保持采礦機按需要的方向前進。
文檔編號E21C27/24GK1961134SQ200480043195
公開日2007年5月9日 申請日期2004年4月1日 優先權日2004年4月1日
發明者伊恩·T·卡爾, 小約翰·A·貝爾德 申請人:Icg阿德卡爾系統公司