對刨削深度及混合刨煤優化分析

賈東修　魯連喜　張迎軍　王則行

[摘要]刨削深度是刨煤工作面工藝技術的關鍵。刨深選取過大，會導致刨頭載荷過大，引起輸送機過載，影響正常運行時間；刨深過小，刨煤量不能滿足生產能力要求。

本文對曉南礦N1-1403刨煤工作面刨深進行了優化分析，為實現高產高效提供了技術依據，達到了降低能耗及材料損耗的目的。由于該工作面長度達到了242.5m，當刨頭以高于運輸機的速度運行，疊加裝煤對運輸機超載運輸也進行了分析。

[關鍵詞]刨削深度；疊加裝煤；混合刨煤；單位能耗

引言

在刨煤時，需要克服刨煤阻力和裝煤阻力。因此，消耗的能量和刨深有關，希望在刨煤過程中，用盡可能少的能量刨削更多的煤，故用單位能耗來衡量刨煤機的能量利用率。在設計回采工藝時，應該給出刨深的合理變化范圍，在使用刨煤機時也應盡量維持這個范圍不變。但是由于煤層的賦存條件、煤層的物理機械性質和工作面地質條件的隨機性，改變刨深也是正常的。

對于硬度相同的煤層，減小截割深度則截割力也隨之減小；對于硬度不同的煤層，減小截割深度則能使截割力保持在一定的水平。因此，適當地控制刨煤深度便可有效地提高刨煤機截割硬煤的能力。根據附圖分析可知，如將刨深控制在110mm以內，則實際消耗功率接近于2×400kW滑行刨的裝機功率。在減小刨深的同時可考慮提高開機率，來增加工作面的效益，即如果每次刨深由60mm減為30mm，而同時開機率由30%提高到60%，那么這兩種運行狀況所得到的產量是相同的。

以單位能耗最小為目標優化刨削深度

在一定的煤層條件下，煤的性質如煤層抗截強度A是確定的，刨頭結構、刨刀的相關參數及其他系數均為定值，截線距t和崩落角α均可表示為刨削深度H的函數。因此，單位能耗僅是h的函數，則設計變量為：

X=[h]=[x]

單位能耗是指刨削單位體積的煤所作的功。在刨煤過程中，消耗在落煤和裝煤上的能量是在設計刨煤機時需要考慮的關鍵問題之一。這里僅考慮刨刀刨削力（包括與煤壁之間產生的摩擦力）和刨頭的裝煤力所作的功。因此，將單位能耗作為目標函數，則有：

F（x）=HW=（W1+W2）/V

式中：

HW---單位能耗，（kWh）/m3；

W1---刨削力（包括煤壁摩擦力）作的功，kWh；

W2---裝煤力作的功，kWh；

V---刨削煤的體積，m3。

其中，刨削下來的煤的體積

V=HhLb

式中：

H---刨煤機工作面煤層采高，m；

h---刨深，m；

Lb---刨頭的運行距離，m。

刨削深度受刨刀的結構限制，不應超過刨刀露于刀座之外的長度（即刨刀外露長度）。若在脆性很大的煤層，截割時崩落角很大，可適當增加刨深進行刨削，但以不超過刀座較寬部位為宜。因此，有：

0﹤h≤lP

式中：

lP---刨刀的外露長度，cm。

數學模型和選用求解方法

以單位能耗最小為目標的優化設計數學模型為

Minf（x）=[f1（x）+f2（x）]/HLbx

g1（x）=x﹥0

g2（x）=lP-x≥0

采用外懲罰函數法編制程序對刨深進行優化，得到優化結果。經過多次反復計算，再考慮其他因素，就能給出刨深的合理變化范圍。

本工作面優化計算

工作面參數以及刨煤機部分參數如下：

煤層采高H 1.44m

煤的抗截強度A 1500N/cm

刨刀寬度b 2.7cm

刨刀外露長度lP 7.5cm

裝煤阻力系數μ 0.5～1

煤的視密度γ 1.35g/cm3

結論

由優化程序得到的優化結果：刨深h=10.5cm時，單位能耗最小，為0.41（kWh）/cm3。還要結合其他影響因素，才能最終確定合理刨深。

優化結果表明，刨深越大時，單位能耗越小。因此，在設計時應盡量選擇較大的刨深，以降低能耗。但在實際應用中，需要考慮輸送機供載情況以及生產能力等情況，然后再合理選擇。N1-1403工作面下行刨煤時，由于運輸機與刨頭同向運行，嚴重制約了運輸機運力，為防止運輸機局部超載后煤矸竄至下幫影響安全生產，刨深設定為2.5cm，實踐證明，減少停機次數，會增加上行（大刨深）刨煤開機率，對提高產能效果明顯。N1-1403工作面當月生產28天，產煤達到了11.5萬噸，設備運行平穩，生產過程中沒有超負荷現象。

參考文獻

[1]J.克拉克等.薄煤層開采技術[M].海國治等譯.煤炭工業出版社，1990年

[2]樊玉泉.復雜條件下薄煤層礦井高產高效[M].煤炭工業出版社，1997年

[3]陳引亮.中國刨煤機采煤技術[M].煤炭工業出版社，2000年

[4]Bialy W.hartl clal reserves in Ploand in aspect of coal plough use possibility[j].Przeglad Gorniczy，2004（1）

作者簡介

賈東修、男、高工、現任曉南礦工程地測大隊隊長。