采煤機高塊煤率截割的優化設計研究

趙 俊

（晉能控股煤業集團朔州朔煤王坪煤電公司， 山西 朔州 038300）

引言

目前，煤的產量和質量仍作為制約著我國經濟發展的首要因素[1]，煤炭開采方式主要由露天開采和井工開采，在井工開采中，機械落煤是開采的主要方式，在機械落煤時，滾筒采煤機能夠滿足各種煤層條件的開采方式，是煤礦采煤中應用較為廣泛主要大型設備。滾筒采煤機的高塊煤率決定煤炭開采能否高效運行，因此，針對采煤機高塊煤率的優化設計展開分析。

1 存在問題

目前，在機械化采煤的過程中，存在的主要問題是塊煤率低，塊煤率是影響煤炭質量的首要影響因素。依據煤層的物理機械性質條件為基礎，選擇合理匹配的滾筒轉速與牽引速度就可以適當地提高塊煤率[2]。當一臺采煤機投入到實際生產中，由于目前所有的采煤機均為采用調速截割功能，滾筒只能以恒定速度進行截割，這就需要合理地調整轉速與牽引速度，保證塊煤率，提高截割速率[3]。

2 采煤機的結構及原理

由于雙滾筒采煤機突出的優越性能，在我國大部分煤礦被廣泛應用，采煤、裝煤一體化操作提高了工作效率。圖1 就是雙滾筒采煤機主體及其組成。

圖1 雙滾筒采煤機結構圖

雙滾筒采煤機主要是通過中間控制箱內的點擊將動力通過搖臂的惰輪進行傳遞，滾筒通過旋轉實現割煤動作，搖臂可以上下移動從而調整割煤過程中高度的變化，左右牽引部是采煤機移動的主要部件，保證采煤機沿著工作面左右移動，中間控制箱是作為控制部分的集成。這幾部分的共同作用使得采煤機能夠實現高效割煤[4]。

3 影響雙滾筒采煤機的截割參數研究

3.1 煤巖的物理性質

煤的形成需要經過長期的隔絕空氣，在地殼高溫、高壓條件下漫長的碳化過程形成，原始物質的不同使得煤的成分不同。煤的形成過程中會產生分層現象稱之為層理，當地殼運動使其破碎時稱為節理。層理和節理的存在使得煤體本身就存在各相異性。煤體的脆性特質對與采煤機的截齒及施加載荷大小有很重要的影響。在考慮采煤機滾筒及截齒種類時就需要對煤體進行分析，選擇適當的采煤機作為開采的主要設備。

3.2 截齒的安裝角

鎬型截齒在采煤機上安裝的一個重要的角度就是安裝角，當安裝角設計安裝時盡量使鎬型截齒所受的合力與齒身軸線重合，不僅使截齒易損部位受到的合應力最小，而且要避免與周圍煤層發生干涉，最大可能降低能耗，增加截齒使用時間。

4 截割參數優化設計

在遺傳算法的基礎上，利用MATLAB 進行實數編碼，用隨機競爭選擇函數，聯合使用多個交叉算子和變異算子。利用本礦使用的MG200/475－W 型采煤機，該采煤機采高H＝1 400～2 800 mm，煤層傾角≤16°，煤質中硬，截割阻抗A≈210 N mm；采煤機的左或右截割功率P1=200 kW，牽引功率為P2=75 kW，滾筒截深B＝630 mm，Dc=1 600 mm。

高塊煤率采煤機參數優化的目標函數：

目標函數中的設計變量為：

采煤機裝載性能約束：

建立的采煤機參數優化數學模型為：

其中：φ 為齒尖螺旋升角；N 為螺旋葉片頭數；Dc為滾筒直徑；Φ 為煤的崩落角；vq為采煤機的牽引速度；n 為滾筒轉速。

5 結論

對截割阻抗A 分別為150 N/mm、210 N/mm、270 N/mm時，3 頭和4 頭螺旋葉片的滾筒獲得最大塊煤率所對應的截割和牽引速度利用式4 進行優化計算，計算結果如表1 所示。對計算結果進行分析可以看出對于不同性質的煤層，隨著煤巖截割阻抗的提高，為獲得最大的塊煤率，即最大切削面積，應增加截割速度，同時降低牽引速度。隨著煤巖截割阻抗的提高，切削面積增加，三向截割力基本上呈線性增大，因而，可以用監測采煤機在工作過程中的截割載荷間接地識別煤巖截割阻抗，并進行截割參數的調整。

表1 不同截割阻抗的優化結果