谊丰煤矿综采工作面块煤率提升技术研究与应用

王建虎，周安宁，邵小平，史秀宝，李 铭

(1.西安科技大学，陕西 西安 710054；2.陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安 710001；3.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

近年来，随着煤矿综采装备技术的发展，综采工作面的产量得到了大幅提升。但由于大功率采煤机的使用，也相应出现了机械化开采导致工作面块煤率低的问题。为此，国内外学者在提高综采工作面块煤率方面做了大量的科学研究。目前观点认为[1-7]，综采工作面块煤率的提高应着重从改造采煤机和优化采煤工艺两个方面进行。波兰主要从增大截齿的切削面积、研究劈破式落煤法、改进滚筒部件及改进截齿四个方面[8]，提高综合机械化开采矿井块煤率。国内学者中，郭迎福认为[9]，切削图的形状越接近“正方形”成块越好，越接近“细长形”成块越差。徐建文、曹伟康等认为[10]，加大截齿切削厚度，采用交叉式镐形截齿布置，采用四头螺旋一线两齿滚筒，有助于提高综采工作面块煤率。于永江、吴正海、李春茂等认为[11-13]，工作面煤壁处全面实施松动预裂微差爆破技术有助于大幅提高工作面块煤率。

谊丰煤矿位于陕北榆林地区，矿井地面块煤率仅35%左右(块煤以粒径大于25mm为基准)。考虑到榆林地区块煤的平均售价普遍比末煤高150元/t左右，矿井块煤率提升可以大幅增加企业经济效益，为此，应从综采工作面源头提高块煤率，重点对采煤机技术参数进行改进，并配以工作面煤壁煤体预裂措施。

1 谊丰煤矿生产条件

谊丰煤矿地质结构简单，总体为单斜构造，无大的断裂及褶皱发育，无岩浆活动痕迹。矿井生产能力为60万t/a，主采5-2煤层，煤层厚度0.25～3.24m，平均煤厚2.42m，属于中厚煤层。矿井原煤运输路线：工作面刮板输送机→转载机→破碎机→主运巷带式输送机→5-2煤主运输大巷带式输送机→主斜井带式输送机→地面。

2 谊丰煤矿综采工作面块煤率低原因分析

谊丰煤矿块煤率低主要受煤层地质条件与采煤机技术参数等因素限制，具体原因如下：

1)煤壁未经弱化处理。矿井煤层倾角1°～3°，硬度系数f=3，属中硬煤层，煤层较坚硬，完整性好且裂隙不发育，以致采煤机滚筒割煤时，截齿截割阻抗较大，切削厚度偏小，限制了工作面的块煤产量。

2)采煤机技术参数不合理。采煤机参数对块煤率的影响：①滚筒的截深、齿数及叶片头数影响块煤率[14]，原装滚筒共有45个齿座，呈三头顺序式布置，原装滚筒各截齿的切屑面积统计结果如图1所示，由图1可知，各个截齿的切屑面积均小于3000mm2，不利于成块；②牵引速度和滚筒转速亦影响块煤率[15]，采煤机在3m/min的牵引速度下，主切削区截齿截割下的切屑块呈L型形状，成大块的可能性很低；③摇臂长度和过煤高度也在一定程度上影响块煤率，但考虑到谊丰煤矿煤层自身储层条件，增加摇臂长度或过煤高度必将会产生大量矸石，因此不考虑调节摇臂长度和过煤高度。

图1 原装滚筒各截齿的切屑面积统计结果

3 采煤机技术参数优化

3.1 采煤机参数调整理论研究

通过大量的试验统计得出块度分布服从威布尔分布：

W=1-exp(-λdm)

(1)

式中，W为通过直径为d的筛子后的碎煤总出量(试样量中的百分比)；λ为粉碎程度参数，与采用的切削方法和采煤机运行参数有关；m为煤炭粉碎性能指标，煤的固有属性，不随切削参数而变化的常数值，通过煤样测定，得到该煤层的m值为0.45，属极脆性煤。

由式(1)得出，采煤机参数主要调整粉碎程度参数λ，该指标的公式为：

λ=K/m2

(2)

式中，K为粉碎程度折算指标。

粉碎程度折算指标与切屑厚度h、切屑宽度t及二者的比例关系、切屑的理论形状等有关。研究表明，切屑厚度、切屑宽度增大，切屑宽度与切屑厚度的比值为1～1.5，切屑面积增大，切屑的理论形状合理时，可取得最有利于提高块煤率的K值。一般来说，由于滚筒上单齿受力和截齿本身寿命的要求，切屑宽度的变化范围不大，切屑厚度就成为了影响粉碎程度参数λ的重要指标。但切屑厚度与截齿排列及采煤机运行参数相关，同时，滚筒采取类似铣削的切割方式，每转一圈，其切屑厚度都在产生周期性地变化。因此，获得滚筒块煤产出的定量模型较为困难。从实用性考虑，需要将滚筒参数和采煤机运行参数调整至最有利于块煤产出的状态。

3.2 采煤机技术参数优化方案

为了提高块煤率，在滚筒平稳运行的前提下，提高切屑厚度。由于切屑宽度的变化范围不大，切屑面积即可反映切削厚度，因此采用切屑面积作为约束条件。滚筒的平稳运行主要考虑两个方面：一是单个截齿的受力，该值影响截齿和齿座的寿命；另一个是载荷波动，该值影响采煤机的振动，间接影响采煤机的故障率。

因此，确定以下目标函数：①主切削区截齿的最大切屑面积大于5000m2；②截齿单刀力小于30kN；③载荷波动均方差小于5kN。使用以下变量进行搜索：截齿总数范围30～45个；叶片头数2～4；牵引速度3～8m/min；布置形式采用顺序式、交叉式。

优化设计后，得到块率滚筒的截齿总数为38个，叶片头数4头，呈一线两齿布置，牵引速度提高至5.0m/min，在此种切割形式下，切屑厚度将达到85mm，切屑宽度为125mm，切屑宽度与切屑厚度的比值为1.48，位于最佳区间内。块率滚筒各截齿的切屑面积统计结果如图2所示，由图2可知，优化设计后主切削区截齿的切屑面积达到6000mm2。

图2 块率滚筒各截齿的切屑面积统计结果

将块率滚筒截齿排列图和切屑图输入计算机程序中，并输入矿井的煤质硬度值(f=3)，得到块率滚筒载荷波动如图3所示，由图3可知，块率滚筒负荷波动较平稳，引起的摇臂和采煤机振动很小，载荷波动情况也达到了设计要求。滚筒采煤机技术参数优化前后对照见表1。

图3 块率滚筒载荷波动

表1 滚筒采煤机滚筒及运行技术参数优化前后对照表

4 块煤率现场测定

矿井52301综采工作面采用原装滚筒采煤机，从两端头开始布置炮眼，炮眼布置方式如图4所示。52301综采工作面每天两个班工作，一个班检修(炮眼布置在检修班进行)，每班工作8h，进刀割煤循环进度865mm，正常生产时每班割煤3刀，平均每刀用时90min。井下块煤率测定时，在每个进刀过程中取15个煤样，共取煤样90个。井上块煤率测定时，每隔10min在地面主井带式输送机头部截取煤流全断面的煤作为一个子样，15h共取煤样90个。

图4 工作面煤壁处炮眼布置方式

测定表明，仅采取工作面煤壁爆破弱化措施，井下工作面块煤率均值为61.48%，井上块煤率均值为50.77%。

将块率滚筒采煤机运至52303综采工作面进行测试。52303综采工作面每天两个班工作，一个班检修，每班工作8h，进刀割煤循环进度865mm，正常生产时每班割煤1刀。井下块煤率测定时，在每个进刀过程的头、中、尾段各取10个煤样，共取煤样60个。井上块煤率测定时，每隔15min在地面主井带式输送机头部截取煤流全断面的煤作为一个子样，15h共取煤样60个。测定表明，仅采用块率滚筒采煤机，井下工作面块煤率均值为51.6%，井上块煤率均值为42.32%。

矿井52303工作面采用块率滚筒采煤机后，在工作面从两端头开始布置炮眼，布置方式为上下对齐布置。井上下煤样选取同仅采用块率滚筒时保持一致。测定表明，采用块率滚筒与工作面煤壁爆破弱化相结合的措施，井下工作面块煤率均值为65.82%，井上块煤率均值为58.21%。

5 块煤率测定结果分析

矿井块煤率测定结果对比见表2，由表2可知，谊丰煤矿仅采用块率滚筒，井下工作面块煤率均值可提高4.34%；仅采用工作面爆破弱化措施，井下工作面块煤率均值可提高14.22%；采用块率滚筒与工作面煤壁爆破弱化相结合的措施，井下工作面块煤率可提高18.56%。另外，三种情况下，井上块煤率均值相对于井下块煤率均值均保持在10%左右下降幅度，分析煤炭的运输路线，整个运输环节仅是原煤在输送机上的转接，矿井运输系统中块煤率下降幅度属于正常范围。

表2 矿井块煤率测定结果对比

6 结 论

1)采用采煤机块率滚筒技术，同时配以工作面煤壁爆破弱化措施，可以有效提高谊丰煤矿块煤率，井下工作面块煤率可提高18.56%，井上块煤率可提高23.33%。

2)谊丰煤矿生产能力为60万t/a，若矿井块煤率提升值按井上块煤率提升值23.33%计算，矿井一年可以增加块煤13.998万t。谊丰煤矿采用块率滚筒与工作面煤壁爆破弱化相结合的措施，综合考虑吨煤材料费用增加6.9元、吨煤人工费增加6.4元、吨煤设备折旧费减少0.61元、吨煤动力费减少2.85元以及榆林地区块煤比末煤平均售价高150元/t等五个因素，矿井1年增收1509.3万元，表明该技术措施可以大幅增加煤矿的经济效益。