宋權

（山西省大同煤礦集團地煤公司，山西大同037001）

引言

我國采煤機經(jīng)過長時間的發(fā)展，在可靠性、裝機功率以及使用壽命等有極大程度的改進，主要解決了中厚以及厚煤層的開采，但是對于特殊煤層的開展，相應的采煤機設備發(fā)展還不完善。鉆式采煤機的應用，將在特殊煤層的開采方面有積極促進作用。通過建立相關的數(shù)學模型，實現(xiàn)對鉆式采煤機的優(yōu)化設計。

1 鉆式采煤機鉆具相關數(shù)學模型

1.1 鉆頭運動數(shù)學模型

鉆頭主要是由筋板、螺旋葉片、截齒以及齒座等部分組成，鉆頭采煤功能的實現(xiàn)主要是靠鉆頭上面的截齒完成，因此，應該通過研究截齒的運動規(guī)律，掌握截齒不同位置的受力情況，進而實現(xiàn)鉆頭的合理設計。鉆式采煤機在作業(yè)過程中，主要發(fā)生兩種動作，分別是鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動以及縱向的進給運動，通過兩種運動的結合，將實現(xiàn)鉆式采煤機對特殊煤層的采煤作用。在建立鉆頭運動的數(shù)學模型時，可以針對其中一個鉆頭及截齒進行研究。建立關于鉆頭及截齒位置的相關坐標系，以鉆孔中心線、煤壁面以及大地作為坐標系上的不同坐標軸，這個坐標系的建立，將能用來判斷鉆頭的位置。另外，在對截齒位置進行確定時，可將鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線以及鉆頭軸線的表面作為坐標系的三個方向。截齒的截煤作用主要是依靠齒尖來完成的，可利用齒尖來表示截齒位置。在相關空間坐標系的基礎上，可利用相應的空間方程來表達鉆頭在作業(yè)時的位置以及受力情況[1-2]。

1.2 鉆頭切削模型

鉆式采煤機主要依靠旋轉(zhuǎn)以及進給兩種運動過程來實現(xiàn)煤層的開采，其工作原理為：在鉆桿的作用下，使得鉆頭向煤層施加軸向推力，促使鉆頭在軸向進入一定深度，并且旋轉(zhuǎn)鉆頭將對煤層展開切削工作，從而在這兩種運動情況作用下，實現(xiàn)采煤機的采煤作用。其中采煤機的軸向切削模式模型，可實現(xiàn)對煤層在鉆頭軸向方向破碎情況的分析，在對該模型進行分析時，截齒的切削斷面主要由鉆頭截齒的排列情況來確定，切削厚度主要是由鉆頭運動狀態(tài)及截齒數(shù)目確定的。切削厚度可用下式表示：

式中：h為切削厚度；v為推進速度；m為截齒數(shù)目；n為鉆頭鉆速。

通過對鉆頭軸模型展開分析，將發(fā)現(xiàn)不同截齒具有同樣的切削厚度，保持在同一平面的各截齒，將實現(xiàn)鉆進切削，因此，可保證在模型分析的基礎上，實現(xiàn)鉆式采煤機的鉆頭具有良好的鉆進功能。另外，在進行鉆頭徑向切削工作情況的分析時，可建立相應的徑向切削模型，截齒主要實現(xiàn)對孔壁的截割作用。在這種工作模式下，截齒切削厚度主要由相鄰齒尖在徑向方向的半徑差值決定的，因此，可判斷出不同截齒的切削厚度可能不同，在切削模型的作用下，將對截齒工作過程中的切削厚度進行判斷[3]。

2 鉆式采煤機鉆具的優(yōu)化設計

2.1 鉆頭的優(yōu)化設計

鉆過發(fā)揮作用的關鍵在于鉆頭截齒的選擇，采煤機的采煤工作主要是依靠截齒來完成的。鉆式采煤機在工作過程中，可能會遇到夾矸以及割頂?shù)装宓惹闆r，導致截齒在力的作用下發(fā)生偏斜現(xiàn)象，嚴重的將造成截齒損害。針對這一現(xiàn)象，應該通過合理選擇截齒材料以及截齒型號等方面著手，實現(xiàn)截齒具有承受較大載荷的能力，保證截齒具有較長的使用壽命。在進行鉆頭設計時，通常采用破煤性能較好的鎬形截齒，在該種截齒的作用下，將能保證應力集中，進而實現(xiàn)煤層的破裂。另外，應該選擇齒尖較大的截齒，有效降低能耗。同時為了保證鉆頭能順利進入煤層中，應該注重鉆頭截齒角度的設計，在分析相關模型的基礎上，可判斷出截齒的出刃方向以及大小將決定鉆頭性能。因此，在設計鉆頭的工作角度時，應該以盡可能減少鉆頭與煤層摩擦的角度出發(fā)，設置較小的切削角，保證切削力、能耗以及煤粉的生成量控制在一定范圍，保證良好的破煤效果。在實際的采煤過程中，由于截齒與煤層之間將發(fā)生較大摩擦，導致截齒壽命有所降低。為了保證截齒的工作性能及使用壽命，在設計切削角度時，應該使切削角小于截齒的半錐角，保證鉆式采煤機的良好性能。

2.2 螺旋鉆桿的優(yōu)化設計

螺旋鉆桿是鉆式采煤機的一個重要組成部分，主要發(fā)揮著傳遞動力以及排裝煤的作用，及時將主機提供的動力傳遞給鉆頭，進而實現(xiàn)鉆頭的鉆進和割煤作用，又可將破落的煤傳送出工作面。螺旋鉆桿的與截割下的煤的順利排出有緊密聯(lián)系，如果鉆桿設計參數(shù)不合理，將導致部分煤出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，造成卡鉆故障等。因此，應該在數(shù)學模型的基礎上，設計滿足采煤機工作需求的相關設計參數(shù)，減少鉆具出現(xiàn)偏斜的現(xiàn)象。在螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)時，鉆桿產(chǎn)生一定的運動速度，假設煤塊與旋轉(zhuǎn)葉片之間的相對速度為，煤塊運動的速度便是這兩者合成后的速度，將促使煤塊沿著葉片螺旋的方向運動。通過建立有關螺旋鉆桿的數(shù)學模型，將導程及螺旋升角等作為約束條件，并將提高采煤機的采煤效率作為目標函數(shù)，通過分析目標函數(shù)與約束條件之間的關系，能有效保證設計參數(shù)的最佳選擇，實現(xiàn)螺旋鉆桿優(yōu)化設計的目標[4]。

3 鉆式采煤機樣機設計及試驗

3.1 樣機總體設計方案

在進行鉆式采煤機的總體設計時，需要考慮到煤層厚度與采煤寬度，保證鉆具結構具有一定的穩(wěn)定性，并能滿足定向鉆進的需求，現(xiàn)階段，通常使用三頭鉆結構作為鉆式采煤機的設計結構。假設鉆式采煤機的工作機構由3個鉆頭組成，鉆頭的動力分別由鉆桿傳遞，不同鉆頭之間由連接裝置進行連接，并且能在剛性結構的作用下實現(xiàn)力的傳遞和集中。為了使不同鉆頭在采煤過程中能相互協(xié)調(diào)，應該根據(jù)不同鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向，設置合理的動力傳動箱，進而實現(xiàn)螺旋鉆桿工作過程中的穩(wěn)定性，防止鉆具出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象。根據(jù)鉆式采煤機采煤效率提高的需求，通常將其設計為雙主軸的三鉆頭型鉆機，并且中間鉆頭的直徑比兩側鉆頭直徑小，同時設置適當?shù)你@頭軸線間距，能保證一定的推進速度。另外，為了保證鉆頭在采煤過程中的穩(wěn)定性，可以采用一線一截齒的設計方式，保證截割下的煤具有較大塊度。鉆頭結構采用鎬形截齒這種結構，將保證在應用集中的作用下，實現(xiàn)對煤層的破碎作用[5]。

3.2 鉆式采煤機的工業(yè)性試驗

驗證鉆式采煤機設計的合理性，可根據(jù)工業(yè)性試驗來確定。通過記錄一段時間內(nèi)該鉆式采煤機應用在工業(yè)中的生產(chǎn)能力、截齒磨損情況等進行詳細記錄。在對鉆頭性能進行判斷時，可根據(jù)已經(jīng)安裝該類型鉆頭的鉆式采煤機工作情況進行分析。例如，韓橋煤礦地面?zhèn)鲃酉渖习惭b了該種鉆頭，通過對一段時間鉆頭的工作情況進行分析得出以下結論：在相同的工作時間內(nèi)，與傳統(tǒng)鉆式采煤機的鉆頭性能相比，該種鉆頭具有較高的生產(chǎn)效率，并且推進速度有所提高。這種情況說明應用三鉆頭結構將能顯著降低軸向阻力，說明截齒角度的設置是合理的。另外，發(fā)現(xiàn)該鉆頭在煤層使用過程中鉆孔平直，沒有明顯的截割痕跡，這種情況說明鉆頭工作時具有較高的穩(wěn)定性，并且鉆頭在破煤時充分結合了煤塊的掉落作用。從塊煤率，截齒磨損件情況等角度出發(fā)，將發(fā)現(xiàn)塊煤率有一定程度的提高，截齒磨損情況較為均勻，表明截齒排列設計合理。通過以上闡述可發(fā)現(xiàn)，在分析相關數(shù)學模型的基礎上，將對鉆式采煤機的工作情況有一定了解，在這個基礎上，能實現(xiàn)鉆頭設計的合理性，進而保證鉆式采煤機在煤層采煤中的有效應用。

4 結語

鉆式采煤機在我國薄煤層的開采中有廣泛應用，通過加強對鉆式采煤機設計及其應用的研究，將保證鉆式采煤機在我國煤層開采中充分發(fā)揮作用。針對鉆式采煤機在煤層開采過程中，鉆頭可能發(fā)生偏斜現(xiàn)象，相關技術人員將研究鉆式采煤機鉆具以及防偏斜技術作為一項工作重點，實現(xiàn)對薄煤層與極薄煤層的有效開采和特殊煤層煤資源利用率的提高。

[1]陳祥恩.鉆式采煤機的設計及應用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2009.

[2]張錫侯，李高申，趙小風.采煤機截齒滲硼工藝的正交分析研究[J].太原城市職業(yè)技術學院學報，2016（23）：113-115.

[3]譚芳，張耘，陳志勇，等.采煤機截齒的強度計算[J].三峽大學學報（人文社會科學版），2015（11）：143-145.

[4]羅軍飛，汪迪，廖小利.ML360連續(xù)采煤機截割部設計及應用[J].赤峰學院學報（哲學社會科學版），2016（24）：122-123.

[5]朱光輝，袁靜怡，孫佳慧，等.綜采工作面塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)的應用[J].哈爾濱師范大學社會科學學報，2016（11）：263-264.