EBZ-260 型掘进机截割头几何结构分析研究

王路瑶

（晋能控股煤业集团宏泰矿山工程建设大同有限公司，山西 大同 037003）

1 概况

宏泰矿山开采的4#煤开采巷道老顶岩性为凝灰质砂岩，岩质较硬，厚度为40 m 左右，直接顶和伪顶的岩性不同，分别为砂质页岩和中砂岩。复杂的地质条件，加上断层和积水等影响，掘进工作难度较大，目前采用的EBZ-260 型悬臂式掘进机尤其是截割头形式对复杂岩层掘进工艺适应性较差，掘进效率和稳定性受到很大影响。掘进机上的截割头是截割岩层的核心构件，截割头的几何结构直接决定了掘进机悬臂的受力情况[1-6]。掘进机工作状态下，截割头荷载大小还受到岩层性能和掘进速度等因素影响。选择合适几何结构的截割头是巷道掘进施工的关键[7-10]。基于同煤宏泰矿山巷道岩层性能，研究计算截割头几何结构，配置与研究计算机构相近的截割头，能够保证巷道掘进施工进度，增加截割头使用寿命，降低能耗，提升同煤宏泰矿山经济效益。

2 截割头几何结构形式选择

（1）截割头头体结构

掘进机截割头是一种结构复杂的组合型机械部件，截割头头体是整个部件的基础，部件的截齿等零件全部依附安装在头体上。头体属于中心旋转结构，可以看作是包络线绕中心线旋转形成，常见的结构形状有圆柱形头体（图1a）、圆锥形头体（图1b）、圆柱-圆锥形头体（图1c）三种。

图1 截割头头体外形结构事宜图

圆柱形头体在进行掘进工作时，截齿的齿尖会与截割线保持平行，理想情况下该形状的截割头截齿的荷载均匀，且截割头的轴向力不大，但实际掘进工作面不会是完全平整的，成型后的巷道会是锯齿状的，如图2（a）所示。这种巷道面会增加支护难度，使支护稳定性和强度降低。相较于圆柱形头体，圆锥形头体成型后的巷道表面平整度较高，有利于支护工艺的实施，但在截割运动中，截割头轴向受力大，截齿承受的偏载大，截割头运动的稳定性和使用寿命都会存在一定问题。基于以上分析，结合两种形状头体的优势，圆柱-圆锥形头体的掘进能力强，前端圆锥结构保证巷道成形表面平整，后端圆柱结构能够降低截割运动中截齿偏载和截割头轴向受力，支护工况条件好于以上两种结构头体。该结构截割头形成的巷道表面形状如图2（b）所示。

图2 不同截割头头体导致成型巷道表面形状示意图

（2）截割头截齿类型

截割头截齿有镐形和刀形两种，两种结构截齿适应不同的岩层特点。镐形截齿适用于岩质脆硬且含有一定硬夹石的地层掘进，刀形截齿多用于岩层质地坚硬且裂隙不发达的地层掘进，但由于受到的弯矩力较大，容易折断。同煤宏泰矿山巷道地层存在砂质泥岩层，选用镐形截齿更为合理，配合齿座结构（图3 右），可以使截齿在齿座槽内自由旋转，大大降低截齿荷载。同煤宏泰矿山掘进机截割头截齿外形尺寸如图3 左。

图3 掘进机截割头齿座和截齿外形尺寸图（mm）

3 截割头几何结构参数计算

（1）截割头长度

截割头的长度包含从截割头底部到顶部截齿齿尖之间的距离，该长度决定掘进效率和掘进效果。整体来看，截割头的长度越长，掘进速度越快，但比能耗大，截割阻力增加。如何平衡掘进效率和比能耗，是计算截割头长度的目标。截割头长度与掘进机的最大掏槽深度基本相等，而最大掏槽深度与岩层属性和截割速度等因素有关系，满足以下关系：

式中：Lh为掘进机的最大掏槽深度，与截割头长度相等，m；S为棚距，m；K1为进刀次数；K2为架棚个数。

同煤宏泰矿山工作面巷道掘进过程中，架棚的距离为0.8 m 左右，架棚个数与进刀次数的比值6:8，计算的截割头长度为600 mm。但掘进岩层硬度较高时，要考虑截割头的长度不应大于压张带宽度。通过资料查阅，同煤宏泰矿山岩层压张带宽度约为580 mm，最终确定截割头长度为550 mm。

（2）截割头平均直径

由于截割头的外形选用了圆柱-圆锥形，其平均直径计算的是所有截齿齿尖与中心线距离的平均值，直径平均值的计算是一个范围的确定，过大的直径会降低截割头的截割能力，而过小的直径虽然截割能力增加，但截割效率会大大降低，截割头平均直径的计算公式为：

式中：D为截割头的平均直径，m；QT为理论生产率，m3/h，同煤宏泰矿山理论生产率为8 m3/h；λ0为巷道岩层的松散系数，取值为1.6；L为截割头的长度，取值为0.55 m；Vb为掘进机截割头的摆动速度，取值为0.3 m/min；N为截割头的截割功率，EBZ-260 型掘进机截割头功率为265 kW；nc为平均直径处截齿的数量，取值为3；Z为截割头截割时的最大阻力值，取值为60 kN；n为截割头转速，取值为31 r/min。

计算截割头平均直径在505～907 mm，考虑到较小的截割头直径截割能力强，选取截割头直径为520 mm。基于以上分析确定计算，同煤宏泰矿山EBZ-260 型掘进机截割头的几何结构如图4（左），截割路径如图4（右）。

图4 EBZ-260型掘进机截割头几何结构与截割路径（mm）

截割路径的选择充分考虑到了同煤宏泰矿山的巷道岩层地质结构特点，选择了从下到上之字形截割路径，一方面降低巷道顶的空顶时间，另一方面保证巷道壁应力均匀，为巷道支护提供空间等条件。

4 应用效果

为了检验截割头的截割掘进效果，对同煤宏泰矿山1021 工作面运输槽巷道施工进行掘进验证，分别对原厂携带的截割头A 和与计算结果相似的截割头B 进行掘进比能耗对比，形成图5，分别对比不同截线距下两个截割头的比能耗值。

图5 不同截割头掘进比能耗对比图

从图5 可以看出，两种截割头比能耗曲线走向趋势基本相同。在25 mm 前都是随着截线距的增加，比能耗在逐渐降低；在截线距大于25 mm 后，随着截线距增加，比能耗值也在增加。说明两种截割头都在向封闭式截割状态过渡。截割头B 的能耗无论在哪种截线距下，比能耗都远远低于原厂携带的截割头A 的比能耗，说明经过分析计算后的截割头设计能够满足低能耗运行的需求。