王建虎，周安寧，邵小平，史秀寶，李 銘

(1.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001；3.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

近年來(lái)，隨著煤礦綜采裝備技術(shù)的發(fā)展，綜采工作面的產(chǎn)量得到了大幅提升。但由于大功率采煤機(jī)的使用，也相應(yīng)出現(xiàn)了機(jī)械化開(kāi)采導(dǎo)致工作面塊煤率低的問(wèn)題。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高綜采工作面塊煤率方面做了大量的科學(xué)研究。目前觀點(diǎn)認(rèn)為[1-7]，綜采工作面塊煤率的提高應(yīng)著重從改造采煤機(jī)和優(yōu)化采煤工藝兩個(gè)方面進(jìn)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(jìn)滾筒部件及改進(jìn)截齒四個(gè)方面[8]，提高綜合機(jī)械化開(kāi)采礦井塊煤率。國(guó)內(nèi)學(xué)者中，郭迎福認(rèn)為[9]，切削圖的形狀越接近“正方形”成塊越好，越接近“細(xì)長(zhǎng)形”成塊越差。徐建文、曹偉康等認(rèn)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(rèn)為[11-13]，工作面煤壁處全面實(shí)施松動(dòng)預(yù)裂微差爆破技術(shù)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(qū)，礦井地面塊煤率僅35%左右(塊煤以粒徑大于25mm為基準(zhǔn))。考慮到榆林地區(qū)塊煤的平均售價(jià)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(yè)經(jīng)濟(jì)效益，為此，應(yīng)從綜采工作面源頭提高塊煤率，重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并配以工作面煤壁煤體預(yù)裂措施。

1 誼豐煤礦生產(chǎn)條件

誼豐煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總體為單斜構(gòu)造，無(wú)大的斷裂及褶皺發(fā)育，無(wú)巖漿活動(dòng)痕跡。礦井生產(chǎn)能力為60萬(wàn)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(yùn)輸路線：工作面刮板輸送機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→破碎機(jī)→主運(yùn)巷帶式輸送機(jī)→5-2煤主運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)→主斜井帶式輸送機(jī)→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(zhì)條件與采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)等因素限制，具體原因如下：

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

2)采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)不合理。采煤機(jī)參數(shù)對(duì)塊煤率的影響：①滾筒的截深、齒數(shù)及葉片頭數(shù)影響塊煤率[14]，原裝滾筒共有45個(gè)齒座，呈三頭順序式布置，原裝滾筒各截齒的切屑面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，由圖1可知，各個(gè)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(zhuǎn)速亦影響塊煤率[15]，采煤機(jī)在3m/min的牽引速度下，主切削區(qū)截齒截割下的切屑?jí)K呈L型形狀，成大塊的可能性很低；③搖臂長(zhǎng)度和過(guò)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(chǔ)層條件，增加搖臂長(zhǎng)度或過(guò)煤高度必將會(huì)產(chǎn)生大量矸石，因此不考慮調(diào)節(jié)搖臂長(zhǎng)度和過(guò)煤高度。

圖1 原裝滾筒各截齒的切屑面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 采煤機(jī)參數(shù)調(diào)整理論研究

通過(guò)大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出塊度分布服從威布爾分布：

W=1-exp(-λdm)

(1)

式中，W為通過(guò)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(shù)，與采用的切削方法和采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)有關(guān)；m為煤炭粉碎性能指標(biāo)，煤的固有屬性，不隨切削參數(shù)而變化的常數(shù)值，通過(guò)煤樣測(cè)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(jī)參數(shù)主要調(diào)整粉碎程度參數(shù)λ，該指標(biāo)的公式為：

λ=K/m2

(2)

式中，K為粉碎程度折算指標(biāo)。

粉碎程度折算指標(biāo)與切屑厚度h、切屑寬度t及二者的比例關(guān)系、切屑的理論形狀等有關(guān)。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(shí)，可取得最有利于提高塊煤率的K值。一般來(lái)說(shuō)，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(shù)λ的重要指標(biāo)。但切屑厚度與截齒排列及采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)相關(guān)，同時(shí)，滾筒采取類似銑削的切割方式，每轉(zhuǎn)一圈，其切屑厚度都在產(chǎn)生周期性地變化。因此，獲得滾筒塊煤產(chǎn)出的定量模型較為困難。從實(shí)用性考慮，需要將滾筒參數(shù)和采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)調(diào)整至最有利于塊煤產(chǎn)出的狀態(tài)。

3.2 采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化方案

為了提高塊煤率，在滾筒平穩(wěn)運(yùn)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(wěn)運(yùn)行主要考慮兩個(gè)方面：一是單個(gè)截齒的受力，該值影響截齒和齒座的壽命；另一個(gè)是載荷波動(dòng)，該值影響采煤機(jī)的振動(dòng)，間接影響采煤機(jī)的故障率。

因此，確定以下目標(biāo)函數(shù)：①主切削區(qū)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(dòng)均方差小于5kN。使用以下變量進(jìn)行搜索：截齒總數(shù)范圍30～45個(gè)；葉片頭數(shù)2～4；牽引速度3～8m/min；布置形式采用順序式、交叉式。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，得到塊率滾筒的截齒總數(shù)為38個(gè)，葉片頭數(shù)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(dá)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(qū)間內(nèi)。塊率滾筒各截齒的切屑面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示，由圖2可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后主切削區(qū)截齒的切屑面積達(dá)到6000mm2。

圖2 塊率滾筒各截齒的切屑面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

將塊率滾筒截齒排列圖和切屑圖輸入計(jì)算機(jī)程序中，并輸入礦井的煤質(zhì)硬度值(f=3)，得到塊率滾筒載荷波動(dòng)如圖3所示，由圖3可知，塊率滾筒負(fù)荷波動(dòng)較平穩(wěn)，引起的搖臂和采煤機(jī)振動(dòng)很小，載荷波動(dòng)情況也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。滾筒采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)照見(jiàn)表1。

圖3 塊率滾筒載荷波動(dòng)

表1 滾筒采煤機(jī)滾筒及運(yùn)行技術(shù)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)照表

4 塊煤率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

礦井52301綜采工作面采用原裝滾筒采煤機(jī)，從兩端頭開(kāi)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(gè)班工作，一個(gè)班檢修(炮眼布置在檢修班進(jìn)行)，每班工作8h，進(jìn)刀割煤循環(huán)進(jìn)度865mm，正常生產(chǎn)時(shí)每班割煤3刀，平均每刀用時(shí)90min。井下塊煤率測(cè)定時(shí)，在每個(gè)進(jìn)刀過(guò)程中取15個(gè)煤樣，共取煤樣90個(gè)。井上塊煤率測(cè)定時(shí)，每隔10min在地面主井帶式輸送機(jī)頭部截取煤流全斷面的煤作為一個(gè)子樣，15h共取煤樣90個(gè)。

圖4 工作面煤壁處炮眼布置方式

測(cè)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(jī)運(yùn)至52303綜采工作面進(jìn)行測(cè)試。52303綜采工作面每天兩個(gè)班工作，一個(gè)班檢修，每班工作8h，進(jìn)刀割煤循環(huán)進(jìn)度865mm，正常生產(chǎn)時(shí)每班割煤1刀。井下塊煤率測(cè)定時(shí)，在每個(gè)進(jìn)刀過(guò)程的頭、中、尾段各取10個(gè)煤樣，共取煤樣60個(gè)。井上塊煤率測(cè)定時(shí)，每隔15min在地面主井帶式輸送機(jī)頭部截取煤流全斷面的煤作為一個(gè)子樣，15h共取煤樣60個(gè)。測(cè)定表明，僅采用塊率滾筒采煤機(jī)，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(jī)后，在工作面從兩端頭開(kāi)始布置炮眼，布置方式為上下對(duì)齊布置。井上下煤樣選取同僅采用塊率滾筒時(shí)保持一致。測(cè)定表明，采用塊率滾筒與工作面煤壁爆破弱化相結(jié)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(cè)定結(jié)果分析

礦井塊煤率測(cè)定結(jié)果對(duì)比見(jiàn)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(jié)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(duì)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(yùn)輸路線，整個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)僅是原煤在輸送機(jī)上的轉(zhuǎn)接，礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中塊煤率下降幅度屬于正常范圍。

表2 礦井塊煤率測(cè)定結(jié)果對(duì)比

6 結(jié) 論

1)采用采煤機(jī)塊率滾筒技術(shù)，同時(shí)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(chǎn)能力為60萬(wàn)t/a，若礦井塊煤率提升值按井上塊煤率提升值23.33%計(jì)算，礦井一年可以增加塊煤13.998萬(wàn)t。誼豐煤礦采用塊率滾筒與工作面煤壁爆破弱化相結(jié)合的措施，綜合考慮噸煤材料費(fèi)用增加6.9元、噸煤人工費(fèi)增加6.4元、噸煤設(shè)備折舊費(fèi)減少0.61元、噸煤動(dòng)力費(fèi)減少2.85元以及榆林地區(qū)塊煤比末煤平均售價(jià)高150元/t等五個(gè)因素，礦井1年增收1509.3萬(wàn)元，表明該技術(shù)措施可以大幅增加煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。