采煤机参数优化在矿井块煤率提升中的应用

王建虎，李鹏博，张 泽

(1.陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安 710001；2.陕西能源投资股份有限公司汇森煤业分公司，陕西 西安 710065)

0 引言

随着煤矿开采机械化程度的快速发展，我国煤矿工人的劳动强度得以有效缓解，煤矿开采的安全性与高效性得到大幅度提高。但随着大功率采煤机的广泛应用，也出现了综合机械化开采导致矿井块煤率低的问题[1]，如神府矿区部分综采矿井的工作面块煤率仅为40%～55%，地面块煤率仅为20%～35%(块煤粒径以25 mm为基准)[2]。为了解决这一问题，国内外科研工作者在综采工作面块煤率提升方面进行了诸多探索及研究，主要采取优化采煤工艺和改进采煤机2种方法[3-8]。波兰的研究可以归纳为4个方面：增大截齿的切削面积、研究劈破式落煤法、优化滚筒部件、优化截齿参数[9]。陈丽等[10]认为，采煤机技术参数对块煤率的影响从大到小依次为：滚筒的转速、筒毂的直径、叶片的螺旋升角。郭迎福[11]认为，切屑块形状越方正，越有利于块煤的产生。刘永刚、葛帅帅等[12-13]认为，当滚筒转速升高时，块煤率降低；当采煤机的牵引速度提高时，块煤率提升；其中，采煤机的牵引速度影响更大。鉴于神府矿区2020年块煤均价比末煤均价高100元/t左右，如何提升块煤率成为了综采矿井提高经济效益的一个重要途径。为此，以神府矿区的神木市红岩煤矿和府谷县谊丰煤矿为研究对象，对2个煤矿的采煤机参数进行优化，并对应用效果进行对比分析，为综采矿井块煤率提升做出有益探索。

1 工程概况

红岩煤矿主采4-2号煤，煤层厚度3.8～3.9 m，平均煤厚3.85 m，煤层结构简单，含夹矸0～3层。矿井生产能力为120万t/a，原煤运输路线为刮板输送机→转载机→破碎机→工作面胶运巷带式输送机→4-2号煤胶运大巷带式输送机机→4-2号煤煤仓→主斜井带式输送机→地面生产系统。40105试验工作面采用MG500/1140-WD型滚筒采煤机，采煤机采高2～4 m，截深800 mm，牵引速度3.0 m/min；滚筒直径2.0 m，转速36 r/min，叶片头数3头，总齿数69个，截齿形式为刀型齿。

谊丰煤矿主采5-2号煤，煤层厚度0.25～3.24 m，平均煤厚2.42 m，煤层结构简单，煤层大部不含夹矸。矿井生产能力为60万t/a，原煤运输路线：刮板输送机→转载机→破碎机→工作面胶运巷带式输送机→5-2号煤胶运大巷带式输送机→主斜井带式输送机→地面生产系统。52301试验工作面采用MG650/1510-WD型滚筒采煤机，采煤机采高为2～5.3 m，截深865 mm，牵引速度3.0 m/min；滚筒直径2.0 m，转速29.7 r/min，叶片头数3头，总齿数45个，截齿形式为镐型齿。

2 采煤机参数优化设计

2.1 红岩煤矿采煤机参数优化设计

鉴于红岩煤矿试验工作面存在夹矸，研究采用以下3个优化条件对采煤机参数进行优化设计：①主切削区截齿的最大切削面积>3 000 mm2；②截齿单刀力<30 kN；③载荷波动均方差<5 kN。

优化设计后，得到红岩煤矿优化后滚筒的叶片头数为4头，截齿总个数为40个，呈一线两齿布置，牵引速度由3.0 m/min提升至4.0 m/min。在采煤机4.0 m/min的牵引速度下，优化后滚筒的切屑块形状方正，主切削区截齿的切屑面积提升到4 000 mm2以上，可以预测试验工作面采用参数优化后的采煤机，块煤率将会大幅度提升。红岩煤矿采煤机参数优化前后滚筒切屑图，如图1所示。

图1 红岩煤矿采煤机参数优化前后滚筒切屑图Fig.1 Cutting diagram of roller before and after shearer parameter optimization in Hongyan Coal Mine

2.2 谊丰煤矿采煤机参数优化设计

鉴于谊丰煤矿试验工作面几乎没有夹矸，现有采煤机功率大，输送机能力大等特点，研究采用以下3个优化条件对采煤机参数进行优化设计：①主切削区截齿的最大切削面积>5 000 mm2；②截齿单刀力<30 kN；③载荷波动均方差<5 kN。

优化设计后，得到谊丰煤矿块率滚筒的叶片头数为4头，截齿总个数为38个，呈一线两齿布置，牵引速度由3.0 m/min提升至5.0 m/min。在采煤机5.0 m/min的牵引速度下，优化后滚筒的切屑块形状方正，主切削区截齿的切屑面积提升到6 000 mm2以上，可以预测试验工作面采用参数优化后的采煤机，块煤率将会大幅度提升。谊丰煤矿采煤机参数优化前后滚筒切屑图，如图2所示。

图2 谊丰煤矿采煤机参数优化前后滚筒切屑图Fig.2 Cutting diagram of roller before and after shearer parameter optimization in Yifeng Coal Mine

3 工业性试验

3.1 块煤率测定方法

对矿井块煤率进行统计时，以粒径在25 mm以上的块煤作为计算基准。矿井块煤率测定在井下工作面、地面主井口分别取样。取样时生产煤样的子样数不小于30，子样质量不小于90 kg，总质量不小于2.7 t；煤样的采取必须在一个生产日内完成，应按各个生产班产量比例将子样数进行分配；在地面主井口煤流中采取煤样时，必须截取输送机全断面的煤为一个子样；选取的煤样必须在3天内完成测定；不能在贮煤场、煤仓内进行煤样的选取，也不能在煤车内进行采取；煤样选取前应仔细清除前一班遗留的浮煤、矸石及杂物。地面主井口采取煤样时，应按一定间隔时间截取输送机全断面的煤为一个子样。井下工作面煤样选取于工作面胶运巷带式输送机尾部，地面主井口煤样选取于主井带式输送机头部。选取的煤样称重后，进行筛分处理，并对筛上物+25 mm块煤进行称重，块煤质量除以煤样总质量计算出块煤率。

3.2 红岩煤矿工业性试验

3.2.1 采煤机参数优化前块煤率测定

红岩煤矿40105试验工作面采用参数优化前采煤机生产时，在试验工作面胶运巷带式输送机尾部和地面主井带式输送机头部分别选取煤样，并对选取的煤样进行块煤率测定。40105工作面每天2个半班工作，半班检修，每班工作时间8 h，每班割煤3刀。现场工业性试验时，每个进刀过程在试验工作面各取12个煤样，共取96个煤样；每隔20 min在地面主井口选取一个煤样，共取60个煤样。红岩煤矿40105试验工作面采用参数优化前采煤机，工作面块煤率约42.31%，地面块煤率约25.54%。

3.2.2 采煤机参数优化后块煤率测定

红岩煤矿40105试验工作面采用参数优化后采煤机生产时，在试验工作面胶运巷带式输送机尾部和地面主井带式输送机头部分别选取煤样，并对选取的煤样进行块煤率测定。现场工业性试验时，每个进刀过程在试验工作面各取12个煤样，共取96个煤样；每隔半个小时在地面主井口选取一个煤样，共取40个煤样。红岩煤矿40105试验工作面采用参数优化后采煤机，工作面块煤率约48.37%，地面块煤率约38.85%。

3.3 谊丰煤矿工业性试验

3.3.1 采煤机参数优化前块煤率测定

谊丰煤矿52301试验工作面采用参数优化前采煤机生产时，在试验工作面胶运巷带式输送机尾部和地面主井带式输送机头部分别选取煤样，并对选取的煤样进行块煤率测定。52301工作面每天2个班工作，1个班检修，每班工作时间8 h，每班割煤3刀。现场工业性试验时，每个进刀过程在试验工作面各取15个煤样，共取90个煤样；每隔10 min在地面主井口选取一个煤样，共取90个煤样。谊丰煤矿52301试验工作面采用参数优化前采煤机，工作面块煤率约47.26%，地面块煤率约34.88%。

3.3.2 采煤机参数优化后块煤率测定

谊丰煤矿52303试验工作面采用参数优化后的采煤机生产时，在试验工作面胶运巷带式输送机尾部和地面主井带式输送机头部分别选取煤样，并对所选取的煤样进行块煤率测定。52303工作面每天2个班工作，1个班检修，每班工作时间为8 h，每班割煤1刀。现场工业性试验时，每个进刀过程在试验工作面各取30个煤样，共取60个煤样；每隔15 min在地面主井口选取一个煤样，共取60个煤样。谊丰煤矿52303试验工作面采用参数优化后采煤机，工作面块煤率约为51.6%，地面块煤率约为42.32%。

3.4 试验结果分析

对红岩煤矿和谊丰煤矿工业性试验的试验结果进行分析，可得出矿井试验结果对比表，见表1。由表1可以看出，红岩煤矿采用参数优化后的采煤机，相对于采用参数优化前的采煤机时，工作面块煤率提升了6.06%，地面块煤率提升了13.31%，地面主井口相对井下工作面的块煤率下降值由16.77%降至9.52%；谊丰煤矿采用参数优化后的采煤机，相对于采用参数优化前的采煤机时，工作面块煤率提升了4.34%，地面块煤率提升了7.44%，地面主井口相对井下工作面的块煤率下降值由12.38%降至9.28%。

表1 矿井试验结果对比

4 结论

(1)通过采煤机参数优化，红岩煤矿工作面块煤率提升了6.06%，谊丰煤矿工作面块煤率提升了4.34%，提升均值为5.2%，说明采煤机参数优化在矿井块煤提升中的应用取得了一定的效果。虽然初期矿井块率提升均值仅为5.2%，但是表明从采煤机参数优化的方向是正确的，后期可以在此基础上进一步对影响矿井块率的采煤机参数(牵引速度、滚筒转速、叶片头数、截齿总个数、截齿形式等)进行深入研究。

(2)通过采煤机参数优化，红岩煤矿地面主井口相对井下工作面的块煤率下降值降低了7.25%，谊丰煤矿地面主井口相对井下工作面的块煤率下降值降低了3.1%，下降值平均降低了5.175%，说明采煤机参数优化技术可以降低井下煤炭运输系统的块煤损失，从而提升矿井地面块煤率。