誼豐煤礦綜采工作面塊煤率提升技術研究與應用

王建虎，周安寧，邵小平，史秀寶，李 銘

(1.西安科技大學，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安 710001；3.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

近年來，隨著煤礦綜采裝備技術的發展，綜采工作面的產量得到了大幅提升。但由于大功率采煤機的使用，也相應出現了機械化開采導致工作面塊煤率低的問題。為此，國內外學者在提高綜采工作面塊煤率方面做了大量的科學研究。目前觀點認為[1-7]，綜采工作面塊煤率的提高應著重從改造采煤機和優化采煤工藝兩個方面進行。波蘭主要從增大截齒的切削面積、研究劈破式落煤法、改進滾筒部件及改進截齒四個方面[8]，提高綜合機械化開采礦井塊煤率。國內學者中，郭迎福認為[9]，切削圖的形狀越接近“正方形”成塊越好，越接近“細長形”成塊越差。徐建文、曹偉康等認為[10]，加大截齒切削厚度，采用交叉式鎬形截齒布置，采用四頭螺旋一線兩齒滾筒，有助于提高綜采工作面塊煤率。于永江、吳正海、李春茂等認為[11-13]，工作面煤壁處全面實施松動預裂微差爆破技術有助于大幅提高工作面塊煤率。

誼豐煤礦位于陜北榆林地區，礦井地面塊煤率僅35%左右(塊煤以粒徑大于25mm為基準)。考慮到榆林地區塊煤的平均售價普遍比末煤高150元/t左右，礦井塊煤率提升可以大幅增加企業經濟效益，為此，應從綜采工作面源頭提高塊煤率，重點對采煤機技術參數進行改進，并配以工作面煤壁煤體預裂措施。

1 誼豐煤礦生產條件

誼豐煤礦地質結構簡單，總體為單斜構造，無大的斷裂及褶皺發育，無巖漿活動痕跡。礦井生產能力為60萬t/a，主采5-2煤層，煤層厚度0.25～3.24m，平均煤厚2.42m，屬于中厚煤層。礦井原煤運輸路線：工作面刮板輸送機→轉載機→破碎機→主運巷帶式輸送機→5-2煤主運輸大巷帶式輸送機→主斜井帶式輸送機→地面。

2 誼豐煤礦綜采工作面塊煤率低原因分析

誼豐煤礦塊煤率低主要受煤層地質條件與采煤機技術參數等因素限制，具體原因如下：

1)煤壁未經弱化處理。礦井煤層傾角1°～3°，硬度系數f=3，屬中硬煤層，煤層較堅硬，完整性好且裂隙不發育，以致采煤機滾筒割煤時，截齒截割阻抗較大，切削厚度偏小，限制了工作面的塊煤產量。

2)采煤機技術參數不合理。采煤機參數對塊煤率的影響：①滾筒的截深、齒數及葉片頭數影響塊煤率[14]，原裝滾筒共有45個齒座，呈三頭順序式布置，原裝滾筒各截齒的切屑面積統計結果如圖1所示，由圖1可知，各個截齒的切屑面積均小于3000mm2，不利于成塊；②牽引速度和滾筒轉速亦影響塊煤率[15]，采煤機在3m/min的牽引速度下，主切削區截齒截割下的切屑塊呈L型形狀，成大塊的可能性很低；③搖臂長度和過煤高度也在一定程度上影響塊煤率，但考慮到誼豐煤礦煤層自身儲層條件，增加搖臂長度或過煤高度必將會產生大量矸石，因此不考慮調節搖臂長度和過煤高度。

圖1 原裝滾筒各截齒的切屑面積統計結果

3 采煤機技術參數優化

3.1 采煤機參數調整理論研究

通過大量的試驗統計得出塊度分布服從威布爾分布：

W=1-exp(-λdm)

(1)

式中，W為通過直徑為d的篩子后的碎煤總出量(試樣量中的百分比)；λ為粉碎程度參數，與采用的切削方法和采煤機運行參數有關；m為煤炭粉碎性能指標，煤的固有屬性，不隨切削參數而變化的常數值，通過煤樣測定，得到該煤層的m值為0.45，屬極脆性煤。

由式(1)得出，采煤機參數主要調整粉碎程度參數λ，該指標的公式為：

λ=K/m2

(2)

式中，K為粉碎程度折算指標。

粉碎程度折算指標與切屑厚度h、切屑寬度t及二者的比例關系、切屑的理論形狀等有關。研究表明，切屑厚度、切屑寬度增大，切屑寬度與切屑厚度的比值為1～1.5，切屑面積增大，切屑的理論形狀合理時，可取得最有利于提高塊煤率的K值。一般來說，由于滾筒上單齒受力和截齒本身壽命的要求，切屑寬度的變化范圍不大，切屑厚度就成為了影響粉碎程度參數λ的重要指標。但切屑厚度與截齒排列及采煤機運行參數相關，同時，滾筒采取類似銑削的切割方式，每轉一圈，其切屑厚度都在產生周期性地變化。因此，獲得滾筒塊煤產出的定量模型較為困難。從實用性考慮，需要將滾筒參數和采煤機運行參數調整至最有利于塊煤產出的狀態。

3.2 采煤機技術參數優化方案

為了提高塊煤率，在滾筒平穩運行的前提下，提高切屑厚度。由于切屑寬度的變化范圍不大，切屑面積即可反映切削厚度，因此采用切屑面積作為約束條件。滾筒的平穩運行主要考慮兩個方面：一是單個截齒的受力，該值影響截齒和齒座的壽命；另一個是載荷波動，該值影響采煤機的振動，間接影響采煤機的故障率。

因此，確定以下目標函數：①主切削區截齒的最大切屑面積大于5000m2；②截齒單刀力小于30kN；③載荷波動均方差小于5kN。使用以下變量進行搜索：截齒總數范圍30～45個；葉片頭數2～4；牽引速度3～8m/min；布置形式采用順序式、交叉式。

優化設計后，得到塊率滾筒的截齒總數為38個，葉片頭數4頭，呈一線兩齒布置，牽引速度提高至5.0m/min，在此種切割形式下，切屑厚度將達到85mm，切屑寬度為125mm，切屑寬度與切屑厚度的比值為1.48，位于最佳區間內。塊率滾筒各截齒的切屑面積統計結果如圖2所示，由圖2可知，優化設計后主切削區截齒的切屑面積達到6000mm2。

圖2 塊率滾筒各截齒的切屑面積統計結果

將塊率滾筒截齒排列圖和切屑圖輸入計算機程序中，并輸入礦井的煤質硬度值(f=3)，得到塊率滾筒載荷波動如圖3所示，由圖3可知，塊率滾筒負荷波動較平穩，引起的搖臂和采煤機振動很小，載荷波動情況也達到了設計要求。滾筒采煤機技術參數優化前后對照見表1。

圖3 塊率滾筒載荷波動

表1 滾筒采煤機滾筒及運行技術參數優化前后對照表

4 塊煤率現場測定

礦井52301綜采工作面采用原裝滾筒采煤機，從兩端頭開始布置炮眼，炮眼布置方式如圖4所示。52301綜采工作面每天兩個班工作，一個班檢修(炮眼布置在檢修班進行)，每班工作8h，進刀割煤循環進度865mm，正常生產時每班割煤3刀，平均每刀用時90min。井下塊煤率測定時，在每個進刀過程中取15個煤樣，共取煤樣90個。井上塊煤率測定時，每隔10min在地面主井帶式輸送機頭部截取煤流全斷面的煤作為一個子樣，15h共取煤樣90個。

圖4 工作面煤壁處炮眼布置方式

測定表明，僅采取工作面煤壁爆破弱化措施，井下工作面塊煤率均值為61.48%，井上塊煤率均值為50.77%。

將塊率滾筒采煤機運至52303綜采工作面進行測試。52303綜采工作面每天兩個班工作，一個班檢修，每班工作8h，進刀割煤循環進度865mm，正常生產時每班割煤1刀。井下塊煤率測定時，在每個進刀過程的頭、中、尾段各取10個煤樣，共取煤樣60個。井上塊煤率測定時，每隔15min在地面主井帶式輸送機頭部截取煤流全斷面的煤作為一個子樣，15h共取煤樣60個。測定表明，僅采用塊率滾筒采煤機，井下工作面塊煤率均值為51.6%，井上塊煤率均值為42.32%。

礦井52303工作面采用塊率滾筒采煤機后，在工作面從兩端頭開始布置炮眼，布置方式為上下對齊布置。井上下煤樣選取同僅采用塊率滾筒時保持一致。測定表明，采用塊率滾筒與工作面煤壁爆破弱化相結合的措施，井下工作面塊煤率均值為65.82%，井上塊煤率均值為58.21%。

5 塊煤率測定結果分析

礦井塊煤率測定結果對比見表2，由表2可知，誼豐煤礦僅采用塊率滾筒，井下工作面塊煤率均值可提高4.34%；僅采用工作面爆破弱化措施，井下工作面塊煤率均值可提高14.22%；采用塊率滾筒與工作面煤壁爆破弱化相結合的措施，井下工作面塊煤率可提高18.56%。另外，三種情況下，井上塊煤率均值相對于井下塊煤率均值均保持在10%左右下降幅度，分析煤炭的運輸路線，整個運輸環節僅是原煤在輸送機上的轉接，礦井運輸系統中塊煤率下降幅度屬于正常范圍。

表2 礦井塊煤率測定結果對比

6 結 論

1)采用采煤機塊率滾筒技術，同時配以工作面煤壁爆破弱化措施，可以有效提高誼豐煤礦塊煤率，井下工作面塊煤率可提高18.56%，井上塊煤率可提高23.33%。

2)誼豐煤礦生產能力為60萬t/a，若礦井塊煤率提升值按井上塊煤率提升值23.33%計算，礦井一年可以增加塊煤13.998萬t。誼豐煤礦采用塊率滾筒與工作面煤壁爆破弱化相結合的措施，綜合考慮噸煤材料費用增加6.9元、噸煤人工費增加6.4元、噸煤設備折舊費減少0.61元、噸煤動力費減少2.85元以及榆林地區塊煤比末煤平均售價高150元/t等五個因素，礦井1年增收1509.3萬元，表明該技術措施可以大幅增加煤礦的經濟效益。