采煤机高块煤率截割的优化设计研究

赵 俊

（晋能控股煤业集团朔州朔煤王坪煤电公司， 山西 朔州 038300）

引言

目前，煤的产量和质量仍作为制约着我国经济发展的首要因素[1]，煤炭开采方式主要由露天开采和井工开采，在井工开采中，机械落煤是开采的主要方式，在机械落煤时，滚筒采煤机能够满足各种煤层条件的开采方式，是煤矿采煤中应用较为广泛主要大型设备。滚筒采煤机的高块煤率决定煤炭开采能否高效运行，因此，针对采煤机高块煤率的优化设计展开分析。

1 存在问题

目前，在机械化采煤的过程中，存在的主要问题是块煤率低，块煤率是影响煤炭质量的首要影响因素。依据煤层的物理机械性质条件为基础，选择合理匹配的滚筒转速与牵引速度就可以适当地提高块煤率[2]。当一台采煤机投入到实际生产中，由于目前所有的采煤机均为采用调速截割功能，滚筒只能以恒定速度进行截割，这就需要合理地调整转速与牵引速度，保证块煤率，提高截割速率[3]。

2 采煤机的结构及原理

由于双滚筒采煤机突出的优越性能，在我国大部分煤矿被广泛应用，采煤、装煤一体化操作提高了工作效率。图1 就是双滚筒采煤机主体及其组成。

图1 双滚筒采煤机结构图

双滚筒采煤机主要是通过中间控制箱内的点击将动力通过摇臂的惰轮进行传递，滚筒通过旋转实现割煤动作，摇臂可以上下移动从而调整割煤过程中高度的变化，左右牵引部是采煤机移动的主要部件，保证采煤机沿着工作面左右移动，中间控制箱是作为控制部分的集成。这几部分的共同作用使得采煤机能够实现高效割煤[4]。

3 影响双滚筒采煤机的截割参数研究

3.1 煤岩的物理性质

煤的形成需要经过长期的隔绝空气，在地壳高温、高压条件下漫长的碳化过程形成，原始物质的不同使得煤的成分不同。煤的形成过程中会产生分层现象称之为层理，当地壳运动使其破碎时称为节理。层理和节理的存在使得煤体本身就存在各相异性。煤体的脆性特质对与采煤机的截齿及施加载荷大小有很重要的影响。在考虑采煤机滚筒及截齿种类时就需要对煤体进行分析，选择适当的采煤机作为开采的主要设备。

3.2 截齿的安装角

镐型截齿在采煤机上安装的一个重要的角度就是安装角，当安装角设计安装时尽量使镐型截齿所受的合力与齿身轴线重合，不仅使截齿易损部位受到的合应力最小，而且要避免与周围煤层发生干涉，最大可能降低能耗，增加截齿使用时间。

4 截割参数优化设计

在遗传算法的基础上，利用MATLAB 进行实数编码，用随机竞争选择函数，联合使用多个交叉算子和变异算子。利用本矿使用的MG200/475－W 型采煤机，该采煤机采高H＝1 400～2 800 mm，煤层倾角≤16°，煤质中硬，截割阻抗A≈210 N mm；采煤机的左或右截割功率P1=200 kW，牵引功率为P2=75 kW，滚筒截深B＝630 mm，Dc=1 600 mm。

高块煤率采煤机参数优化的目标函数：

目标函数中的设计变量为：

采煤机装载性能约束：

建立的采煤机参数优化数学模型为：

其中：φ 为齿尖螺旋升角；N 为螺旋叶片头数；Dc为滚筒直径；Φ 为煤的崩落角；vq为采煤机的牵引速度；n 为滚筒转速。

5 结论

对截割阻抗A 分别为150 N/mm、210 N/mm、270 N/mm时，3 头和4 头螺旋叶片的滚筒获得最大块煤率所对应的截割和牵引速度利用式4 进行优化计算，计算结果如表1 所示。对计算结果进行分析可以看出对于不同性质的煤层，随着煤岩截割阻抗的提高，为获得最大的块煤率，即最大切削面积，应增加截割速度，同时降低牵引速度。随着煤岩截割阻抗的提高，切削面积增加，三向截割力基本上呈线性增大，因而，可以用监测采煤机在工作过程中的截割载荷间接地识别煤岩截割阻抗，并进行截割参数的调整。

表1 不同截割阻抗的优化结果