采煤機參數(shù)優(yōu)化在礦井塊煤率提升中的應(yīng)用

王建虎，李鵬博，張 澤

(1.陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001；2.陜西能源投資股份有限公司匯森煤業(yè)分公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著煤礦開采機械化程度的快速發(fā)展，我國煤礦工人的勞動強度得以有效緩解，煤礦開采的安全性與高效性得到大幅度提高。但隨著大功率采煤機的廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)了綜合機械化開采導(dǎo)致礦井塊煤率低的問題[1]，如神府礦區(qū)部分綜采礦井的工作面塊煤率僅為40%～55%，地面塊煤率僅為20%～35%(塊煤粒徑以25 mm為基準(zhǔn))[2]。為了解決這一問題，國內(nèi)外科研工作者在綜采工作面塊煤率提升方面進行了諸多探索及研究，主要采取優(yōu)化采煤工藝和改進采煤機2種方法[3-8]。波蘭的研究可以歸納為4個方面：增大截齒的切削面積、研究劈破式落煤法、優(yōu)化滾筒部件、優(yōu)化截齒參數(shù)[9]。陳麗等[10]認(rèn)為，采煤機技術(shù)參數(shù)對塊煤率的影響從大到小依次為：滾筒的轉(zhuǎn)速、筒轂的直徑、葉片的螺旋升角。郭迎福[11]認(rèn)為，切屑塊形狀越方正，越有利于塊煤的產(chǎn)生。劉永剛、葛帥帥等[12-13]認(rèn)為，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速升高時，塊煤率降低；當(dāng)采煤機的牽引速度提高時，塊煤率提升；其中，采煤機的牽引速度影響更大。鑒于神府礦區(qū)2020年塊煤均價比末煤均價高100元/t左右，如何提升塊煤率成為了綜采礦井提高經(jīng)濟效益的一個重要途徑。為此，以神府礦區(qū)的神木市紅巖煤礦和府谷縣誼豐煤礦為研究對象，對2個煤礦的采煤機參數(shù)進行優(yōu)化，并對應(yīng)用效果進行對比分析，為綜采礦井塊煤率提升做出有益探索。

1 工程概況

紅巖煤礦主采4-2號煤，煤層厚度3.8～3.9 m，平均煤厚3.85 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸0～3層。礦井生產(chǎn)能力為120萬t/a，原煤運輸路線為刮板輸送機→轉(zhuǎn)載機→破碎機→工作面膠運巷帶式輸送機→4-2號煤膠運大巷帶式輸送機機→4-2號煤煤倉→主斜井帶式輸送機→地面生產(chǎn)系統(tǒng)。40105試驗工作面采用MG500/1140-WD型滾筒采煤機，采煤機采高2～4 m，截深800 mm，牽引速度3.0 m/min；滾筒直徑2.0 m，轉(zhuǎn)速36 r/min，葉片頭數(shù)3頭，總齒數(shù)69個，截齒形式為刀型齒。

誼豐煤礦主采5-2號煤，煤層厚度0.25～3.24 m，平均煤厚2.42 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層大部不含夾矸。礦井生產(chǎn)能力為60萬t/a，原煤運輸路線：刮板輸送機→轉(zhuǎn)載機→破碎機→工作面膠運巷帶式輸送機→5-2號煤膠運大巷帶式輸送機→主斜井帶式輸送機→地面生產(chǎn)系統(tǒng)。52301試驗工作面采用MG650/1510-WD型滾筒采煤機，采煤機采高為2～5.3 m，截深865 mm，牽引速度3.0 m/min；滾筒直徑2.0 m，轉(zhuǎn)速29.7 r/min，葉片頭數(shù)3頭，總齒數(shù)45個，截齒形式為鎬型齒。

2 采煤機參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.1 紅巖煤礦采煤機參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

鑒于紅巖煤礦試驗工作面存在夾矸，研究采用以下3個優(yōu)化條件對采煤機參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計：①主切削區(qū)截齒的最大切削面積>3 000 mm2；②截齒單刀力<30 kN；③載荷波動均方差<5 kN。

優(yōu)化設(shè)計后，得到紅巖煤礦優(yōu)化后滾筒的葉片頭數(shù)為4頭，截齒總個數(shù)為40個，呈一線兩齒布置，牽引速度由3.0 m/min提升至4.0 m/min。在采煤機4.0 m/min的牽引速度下，優(yōu)化后滾筒的切屑塊形狀方正，主切削區(qū)截齒的切屑面積提升到4 000 mm2以上，可以預(yù)測試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機，塊煤率將會大幅度提升。紅巖煤礦采煤機參數(shù)優(yōu)化前后滾筒切屑圖，如圖1所示。

圖1 紅巖煤礦采煤機參數(shù)優(yōu)化前后滾筒切屑圖Fig.1 Cutting diagram of roller before and after shearer parameter optimization in Hongyan Coal Mine

2.2 誼豐煤礦采煤機參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

鑒于誼豐煤礦試驗工作面幾乎沒有夾矸，現(xiàn)有采煤機功率大，輸送機能力大等特點，研究采用以下3個優(yōu)化條件對采煤機參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計：①主切削區(qū)截齒的最大切削面積>5 000 mm2；②截齒單刀力<30 kN；③載荷波動均方差<5 kN。

優(yōu)化設(shè)計后，得到誼豐煤礦塊率滾筒的葉片頭數(shù)為4頭，截齒總個數(shù)為38個，呈一線兩齒布置，牽引速度由3.0 m/min提升至5.0 m/min。在采煤機5.0 m/min的牽引速度下，優(yōu)化后滾筒的切屑塊形狀方正，主切削區(qū)截齒的切屑面積提升到6 000 mm2以上，可以預(yù)測試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機，塊煤率將會大幅度提升。誼豐煤礦采煤機參數(shù)優(yōu)化前后滾筒切屑圖，如圖2所示。

圖2 誼豐煤礦采煤機參數(shù)優(yōu)化前后滾筒切屑圖Fig.2 Cutting diagram of roller before and after shearer parameter optimization in Yifeng Coal Mine

3 工業(yè)性試驗

3.1 塊煤率測定方法

對礦井塊煤率進行統(tǒng)計時，以粒徑在25 mm以上的塊煤作為計算基準(zhǔn)。礦井塊煤率測定在井下工作面、地面主井口分別取樣。取樣時生產(chǎn)煤樣的子樣數(shù)不小于30，子樣質(zhì)量不小于90 kg，總質(zhì)量不小于2.7 t；煤樣的采取必須在一個生產(chǎn)日內(nèi)完成，應(yīng)按各個生產(chǎn)班產(chǎn)量比例將子樣數(shù)進行分配；在地面主井口煤流中采取煤樣時，必須截取輸送機全斷面的煤為一個子樣；選取的煤樣必須在3天內(nèi)完成測定；不能在貯煤場、煤倉內(nèi)進行煤樣的選取，也不能在煤車內(nèi)進行采取；煤樣選取前應(yīng)仔細(xì)清除前一班遺留的浮煤、矸石及雜物。地面主井口采取煤樣時，應(yīng)按一定間隔時間截取輸送機全斷面的煤為一個子樣。井下工作面煤樣選取于工作面膠運巷帶式輸送機尾部，地面主井口煤樣選取于主井帶式輸送機頭部。選取的煤樣稱重后，進行篩分處理，并對篩上物+25 mm塊煤進行稱重，塊煤質(zhì)量除以煤樣總質(zhì)量計算出塊煤率。

3.2 紅巖煤礦工業(yè)性試驗

3.2.1 采煤機參數(shù)優(yōu)化前塊煤率測定

紅巖煤礦40105試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機生產(chǎn)時，在試驗工作面膠運巷帶式輸送機尾部和地面主井帶式輸送機頭部分別選取煤樣，并對選取的煤樣進行塊煤率測定。40105工作面每天2個半班工作，半班檢修，每班工作時間8 h，每班割煤3刀。現(xiàn)場工業(yè)性試驗時，每個進刀過程在試驗工作面各取12個煤樣，共取96個煤樣；每隔20 min在地面主井口選取一個煤樣，共取60個煤樣。紅巖煤礦40105試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機，工作面塊煤率約42.31%，地面塊煤率約25.54%。

3.2.2 采煤機參數(shù)優(yōu)化后塊煤率測定

紅巖煤礦40105試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化后采煤機生產(chǎn)時，在試驗工作面膠運巷帶式輸送機尾部和地面主井帶式輸送機頭部分別選取煤樣，并對選取的煤樣進行塊煤率測定。現(xiàn)場工業(yè)性試驗時，每個進刀過程在試驗工作面各取12個煤樣，共取96個煤樣；每隔半個小時在地面主井口選取一個煤樣，共取40個煤樣。紅巖煤礦40105試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化后采煤機，工作面塊煤率約48.37%，地面塊煤率約38.85%。

3.3 誼豐煤礦工業(yè)性試驗

3.3.1 采煤機參數(shù)優(yōu)化前塊煤率測定

誼豐煤礦52301試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機生產(chǎn)時，在試驗工作面膠運巷帶式輸送機尾部和地面主井帶式輸送機頭部分別選取煤樣，并對選取的煤樣進行塊煤率測定。52301工作面每天2個班工作，1個班檢修，每班工作時間8 h，每班割煤3刀。現(xiàn)場工業(yè)性試驗時，每個進刀過程在試驗工作面各取15個煤樣，共取90個煤樣；每隔10 min在地面主井口選取一個煤樣，共取90個煤樣。誼豐煤礦52301試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機，工作面塊煤率約47.26%，地面塊煤率約34.88%。

3.3.2 采煤機參數(shù)優(yōu)化后塊煤率測定

誼豐煤礦52303試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機生產(chǎn)時，在試驗工作面膠運巷帶式輸送機尾部和地面主井帶式輸送機頭部分別選取煤樣，并對所選取的煤樣進行塊煤率測定。52303工作面每天2個班工作，1個班檢修，每班工作時間為8 h，每班割煤1刀。現(xiàn)場工業(yè)性試驗時，每個進刀過程在試驗工作面各取30個煤樣，共取60個煤樣；每隔15 min在地面主井口選取一個煤樣，共取60個煤樣。誼豐煤礦52303試驗工作面采用參數(shù)優(yōu)化后采煤機，工作面塊煤率約為51.6%，地面塊煤率約為42.32%。

3.4 試驗結(jié)果分析

對紅巖煤礦和誼豐煤礦工業(yè)性試驗的試驗結(jié)果進行分析，可得出礦井試驗結(jié)果對比表，見表1。由表1可以看出，紅巖煤礦采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機，相對于采用參數(shù)優(yōu)化前的采煤機時，工作面塊煤率提升了6.06%，地面塊煤率提升了13.31%，地面主井口相對井下工作面的塊煤率下降值由16.77%降至9.52%；誼豐煤礦采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機，相對于采用參數(shù)優(yōu)化前的采煤機時，工作面塊煤率提升了4.34%，地面塊煤率提升了7.44%，地面主井口相對井下工作面的塊煤率下降值由12.38%降至9.28%。

表1 礦井試驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1)通過采煤機參數(shù)優(yōu)化，紅巖煤礦工作面塊煤率提升了6.06%，誼豐煤礦工作面塊煤率提升了4.34%，提升均值為5.2%，說明采煤機參數(shù)優(yōu)化在礦井塊煤提升中的應(yīng)用取得了一定的效果。雖然初期礦井塊率提升均值僅為5.2%，但是表明從采煤機參數(shù)優(yōu)化的方向是正確的，后期可以在此基礎(chǔ)上進一步對影響礦井塊率的采煤機參數(shù)(牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、葉片頭數(shù)、截齒總個數(shù)、截齒形式等)進行深入研究。

(2)通過采煤機參數(shù)優(yōu)化，紅巖煤礦地面主井口相對井下工作面的塊煤率下降值降低了7.25%，誼豐煤礦地面主井口相對井下工作面的塊煤率下降值降低了3.1%，下降值平均降低了5.175%，說明采煤機參數(shù)優(yōu)化技術(shù)可以降低井下煤炭運輸系統(tǒng)的塊煤損失，從而提升礦井地面塊煤率。