采煤機(jī)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(kāi)采機(jī)械化程度的快速發(fā)展，我國(guó)煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得以有效緩解，煤礦開(kāi)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(jī)的廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)了綜合機(jī)械化開(kāi)采導(dǎo)致礦井塊煤率低的問(wèn)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(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科研工作者在綜采工作面塊煤率提升方面進(jìn)行了諸多探索及研究，主要采取優(yōu)化采煤工藝和改進(jìn)采煤機(jī)2種方法[3-8]。波蘭的研究可以歸納為4個(gè)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(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)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?jí)K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(shí)，塊煤率降低；當(dāng)采煤機(jī)的牽引速度提高時(shí)，塊煤率提升；其中，采煤機(jī)的牽引速度影響更大。鑒于神府礦區(qū)2020年塊煤均價(jià)比末煤均價(jià)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(jì)效益的一個(gè)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(duì)象，對(duì)2個(gè)煤礦的采煤機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)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(hào)煤，煤層厚度3.8～3.9 m，平均煤厚3.85 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0～3層。礦井生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，原煤運(yùn)輸路線(xiàn)為刮板輸送機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→破碎機(jī)→工作面膠運(yùn)巷帶式輸送機(jī)→4-2號(hào)煤膠運(yùn)大巷帶式輸送機(jī)機(jī)→4-2號(hào)煤煤倉(cāng)→主斜井帶式輸送機(jī)→地面生產(chǎn)系統(tǒng)。40105試驗(yàn)工作面采用MG500/1140-WD型滾筒采煤機(jī)，采煤機(jī)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(gè)，截齒形式為刀型齒。

誼豐煤礦主采5-2號(hào)煤，煤層厚度0.25～3.24 m，平均煤厚2.42 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層大部不含夾矸。礦井生產(chǎn)能力為60萬(wàn)t/a，原煤運(yùn)輸路線(xiàn)：刮板輸送機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→破碎機(jī)→工作面膠運(yùn)巷帶式輸送機(jī)→5-2號(hào)煤膠運(yùn)大巷帶式輸送機(jī)→主斜井帶式輸送機(jī)→地面生產(chǎn)系統(tǒng)。52301試驗(yàn)工作面采用MG650/1510-WD型滾筒采煤機(jī)，采煤機(jī)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(gè)，截齒形式為鎬型齒。

2 采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 紅巖煤礦采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于紅巖煤礦試驗(yàn)工作面存在夾矸，研究采用以下3個(gè)優(yōu)化條件對(duì)采煤機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：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(dòng)均方差<5 kN。

優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)為40個(gè)，呈一線(xiàn)兩齒布置，牽引速度由3.0 m/min提升至4.0 m/min。在采煤機(jī)4.0 m/min的牽引速度下，優(yōu)化后滾筒的切屑?jí)K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(cè)試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機(jī)，塊煤率將會(huì)大幅度提升。紅巖煤礦采煤機(jī)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(jī)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(jī)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于誼豐煤礦試驗(yàn)工作面幾乎沒(méi)有夾矸，現(xiàn)有采煤機(jī)功率大，輸送機(jī)能力大等特點(diǎn)，研究采用以下3個(gè)優(yōu)化條件對(duì)采煤機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：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(dòng)均方差<5 kN。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，得到誼豐煤礦塊率滾筒的葉片頭數(shù)為4頭，截齒總個(gè)數(shù)為38個(gè)，呈一線(xiàn)兩齒布置，牽引速度由3.0 m/min提升至5.0 m/min。在采煤機(jī)5.0 m/min的牽引速度下，優(yōu)化后滾筒的切屑?jí)K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(cè)試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機(jī)，塊煤率將會(huì)大幅度提升。誼豐煤礦采煤機(jī)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(jī)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(yàn)

3.1 塊煤率測(cè)定方法

對(duì)礦井塊煤率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，以粒徑在25 mm以上的塊煤作為計(jì)算基準(zhǔn)。礦井塊煤率測(cè)定在井下工作面、地面主井口分別取樣。取樣時(shí)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(gè)生產(chǎn)日內(nèi)完成，應(yīng)按各個(gè)生產(chǎn)班產(chǎn)量比例將子樣數(shù)進(jìn)行分配；在地面主井口煤流中采取煤樣時(shí)，必須截取輸送機(jī)全斷面的煤為一個(gè)子樣；選取的煤樣必須在3天內(nèi)完成測(cè)定；不能在貯煤場(chǎng)、煤倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行煤樣的選取，也不能在煤車(chē)內(nèi)進(jìn)行采??；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(shí)，應(yīng)按一定間隔時(shí)間截取輸送機(jī)全斷面的煤為一個(gè)子樣。井下工作面煤樣選取于工作面膠運(yùn)巷帶式輸送機(jī)尾部，地面主井口煤樣選取于主井帶式輸送機(jī)頭部。選取的煤樣稱(chēng)重后，進(jìn)行篩分處理，并對(duì)篩上物+25 mm塊煤進(jìn)行稱(chēng)重，塊煤質(zhì)量除以煤樣總質(zhì)量計(jì)算出塊煤率。

3.2 紅巖煤礦工業(yè)性試驗(yàn)

3.2.1 采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化前塊煤率測(cè)定

紅巖煤礦40105試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機(jī)生產(chǎn)時(shí)，在試驗(yàn)工作面膠運(yùn)巷帶式輸送機(jī)尾部和地面主井帶式輸送機(jī)頭部分別選取煤樣，并對(duì)選取的煤樣進(jìn)行塊煤率測(cè)定。40105工作面每天2個(gè)半班工作，半班檢修，每班工作時(shí)間8 h，每班割煤3刀?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)進(jìn)刀過(guò)程在試驗(yàn)工作面各取12個(gè)煤樣，共取96個(gè)煤樣；每隔20 min在地面主井口選取一個(gè)煤樣，共取60個(gè)煤樣。紅巖煤礦40105試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機(jī)，工作面塊煤率約42.31%，地面塊煤率約25.54%。

3.2.2 采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化后塊煤率測(cè)定

紅巖煤礦40105試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化后采煤機(jī)生產(chǎn)時(shí)，在試驗(yàn)工作面膠運(yùn)巷帶式輸送機(jī)尾部和地面主井帶式輸送機(jī)頭部分別選取煤樣，并對(duì)選取的煤樣進(jìn)行塊煤率測(cè)定。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)進(jìn)刀過(guò)程在試驗(yàn)工作面各取12個(gè)煤樣，共取96個(gè)煤樣；每隔半個(gè)小時(shí)在地面主井口選取一個(gè)煤樣，共取40個(gè)煤樣。紅巖煤礦40105試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化后采煤機(jī)，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(yàn)

3.3.1 采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化前塊煤率測(cè)定

誼豐煤礦52301試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機(jī)生產(chǎn)時(shí)，在試驗(yàn)工作面膠運(yùn)巷帶式輸送機(jī)尾部和地面主井帶式輸送機(jī)頭部分別選取煤樣，并對(duì)選取的煤樣進(jìn)行塊煤率測(cè)定。52301工作面每天2個(gè)班工作，1個(gè)班檢修，每班工作時(shí)間8 h，每班割煤3刀?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)進(jìn)刀過(guò)程在試驗(yàn)工作面各取15個(gè)煤樣，共取90個(gè)煤樣；每隔10 min在地面主井口選取一個(gè)煤樣，共取90個(gè)煤樣。誼豐煤礦52301試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化前采煤機(jī)，工作面塊煤率約47.26%，地面塊煤率約34.88%。

3.3.2 采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化后塊煤率測(cè)定

誼豐煤礦52303試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化后的采煤機(jī)生產(chǎn)時(shí)，在試驗(yàn)工作面膠運(yùn)巷帶式輸送機(jī)尾部和地面主井帶式輸送機(jī)頭部分別選取煤樣，并對(duì)所選取的煤樣進(jìn)行塊煤率測(cè)定。52303工作面每天2個(gè)班工作，1個(gè)班檢修，每班工作時(shí)間為8 h，每班割煤1刀?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)進(jìn)刀過(guò)程在試驗(yàn)工作面各取30個(gè)煤樣，共取60個(gè)煤樣；每隔15 min在地面主井口選取一個(gè)煤樣，共取60個(gè)煤樣。誼豐煤礦52303試驗(yàn)工作面采用參數(shù)優(yōu)化后采煤機(jī)，工作面塊煤率約為51.6%，地面塊煤率約為42.32%。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)紅巖煤礦和誼豐煤礦工業(yè)性試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得出礦井試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表，見(jiàn)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(jī)，相對(duì)于采用參數(shù)優(yōu)化前的采煤機(jī)時(shí)，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(duì)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(jī)，相對(duì)于采用參數(shù)優(yōu)化前的采煤機(jī)時(shí)，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(duì)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(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)通過(guò)采煤機(jī)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(shuō)明采煤機(jī)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(jī)參數(shù)優(yōu)化的方向是正確的，后期可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)影響礦井塊率的采煤機(jī)參數(shù)(牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、葉片頭數(shù)、截齒總個(gè)數(shù)、截齒形式等)進(jìn)行深入研究。

(2)通過(guò)采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化，紅巖煤礦地面主井口相對(duì)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(duì)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(shuō)明采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)可以降低井下煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)的塊煤損失，從而提升礦井地面塊煤率。