综采工作面截齿使用优化及对策

1、综采工作面截齿使用优化分析及对策摘要：截齿作为采煤机的重要构件之一，其使用性能和使用寿命直接关系工作面的正常回采，生产过程中，大量的截齿消耗不仅增加吨煤成本、影响煤碳生产的经济效益,而且还会因为更换截齿的时间增加而降低生产效率。文主要分析了割煤过程中截齿失效的形式和原因及相同条件下截齿消耗情况及相同时间内创造割煤利润对比分析。关键词：截齿；经济效益；利润对比分析 一、截齿的工作状态截齿分刀形截齿和镐形截齿两种。镐型截齿其刀柄部分为圆柱形，用弹簧圈固定在齿座中，拆装极为方便。结构简单，能点击刨煤，吃刀深度大，在作业中能自动磨锐而经常保持齿头锋利，采煤机负荷较平稳。目前我矿主要使用镐型截齿，其可分

2、为两大类，即割煤截齿和割岩截齿。煤岩被切削破碎过程是截齿工作的主要过程。根据力学特征可将切削破碎过程，大致分为四个阶段：变形阶段，裂纹阶段，压实核形成阶段，裂纹扩展及崩裂阶段。在每一个循环中，四个过程都是瞬间完成的。把四个过程按特征来划分，还可以简化成两个阶段，第一个阶段是经过弹、塑性变形，形成裂纹和形成压实核的储能阶段，这是第一种裂纹形式的断裂；第二个阶段为崩裂阶段，是在第一个阶段的基础上，由锥孔周围赫兹裂纹，在悬臂梁加载系统的作用下沿煤岩体内层理、节理弱面扩展、崩落，是崩裂形式的断裂。二、采煤机截齿失效的形式及原因采煤机在割煤时往往挑顶、落底调整工作面会截割到石英、黄铁矿等坚硬矿物质，同时

3、由于煤岩物理性质不均匀，职工操作不规范等原因，在回采过程中，截齿极易损坏。研究发现，采煤机截齿失效形式主要有磨损、断裂和合金头脱落等，其中以磨损为主，占失效形的7585。2.1、硬质合金头脱落 当截齿磨损到一定程度后，其齿尖的合金头将脱落。合金头脱落的原因主要有2个方面： 2.1.1、钎焊质量问题。如焊接处存在夹砂、微裂纹以及虚焊等缺陷。截齿钎焊焊缝间隙的大小是影响焊缝致密性和焊缝强度的关键因素。如果间隙太小，会妨碍钎焊料流入。而间隙过大，则又会破坏钎焊缝的毛细管作用，使钎料不能填满焊缝间隙。截齿在作业过程中承受的强大冲击负荷，致使缺陷产生应力集中，反复的冲击，导致合金头的松动，直致脱落。 2

4、.1.2、合金头截割阻力大 截齿截割煤岩时在冲击载荷的作用下，合金头处于高压应力状态。若遇到煤岩中坚硬的矸石，在合金头与煤岩接触不良处承受高的剪应力，处于拉应力状态，当拉应力超过合金的强度极限时即发生碎裂，从而造成合金头的破裂。2.2、截齿的磨损2.2.1、煤矸石磨损截齿在作业过程中，煤矸石与截齿表面间产生较大的摩擦力，带有锐利棱角且具有合适仰角的煤矸石能够使截齿更为锐利；如果煤矸石棱角不够尖锐或刺入截齿表面角度不适当，则在截齿表面挤出裂纹，随着截齿工作时间的延长，煤矸石反复对截齿表面发生摩擦，致使截齿发生塑性形变。而且煤层中存在腐蚀性介质与截齿表面发生化学反应加快了截齿材料表层的磨损。 2.

5、2.2、热疲劳磨损 截齿作业过程中，随着滚筒的旋转合金头与煤岩产生周期性的回转运动，因此合金头因摩擦产生周期性的升温、降温，即当合金头接触煤岩时升温,离开煤岩时降温，使截齿合金头产生高温回火现象，降低了截齿的硬度，加快了其磨损速度。2.3、齿身弯曲、折断截齿截割坚硬岩石或钢带、锚杆、注浆管路时，截齿承受很大的外力，由于截齿齿身强度不足，导致截齿的结构尺寸、刚度、布置方式等方面发生变化，超过截齿许用强度时就会引起齿身折断。2.4、截齿丢失在实际使用过程中，由于截齿与齿套之间固定不牢靠或齿套磨损严重时，往往会造成截齿丢失。三、相同地质条件下技术经济对比分析3.1、截齿参数表我矿目前使用截齿可分为两

6、大类，即割岩截齿、割煤截齿。具体技术参数见表1表1 截齿技术参数表截齿状态截齿类型截齿型号单价(元)截齿总长度（cm）截齿齿长（cm）合金头直径（mm）新进截齿割岩截齿U482402212.535U96240U95（凯南麦特）316割煤截齿U9210018.5919复用截齿割岩截齿U481442212.535U96144割煤截齿U926018.59193.2、相同地质条件下不同截齿块煤率对比分析滚筒的截齿截割煤岩时，由于受到滚筒转动和牵引速度的影响，截齿作弧形截割，其切削形状呈月牙形。从煤块的形成机理来看，当切削厚度加大时，与受截齿挤压形成的煤粉核相接触的煤体体积增大，从而使得破碎块和拉应力向

7、上的裂纹增多，块量增加。由于割煤截齿齿长和齿身锥度均大于割岩截齿，割煤截齿削切深度大于割岩截齿削切深度，根据表1相关数据计算可得，割煤截齿齿长是割岩截齿的1.4倍，因此在相同地质条件下单位时间内使用割煤截齿的块煤率约为使用割岩截齿的1.4倍。3.3、相同地质条件下不同截齿消耗量对比分析岩石的坚固系数f可把岩石分为10级，根据采煤机截齿的特性，可将地质条件分为四类，即比较软（f2）、比较坚固（2f5）、坚固（5f10）、非常坚固（10f20）。部分岩石坚固系数分级表，见表2。表2 部分岩石坚固分级表岩石级别坚固程度代 表 性 岩 石f最坚固最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他各种特别坚固的

8、岩石。20坚固致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石。10a比较坚固砂质页岩，页岩质砂岩。5比较软软弱页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，无烟煤，破碎的砂岩和石质土壤。2流沙状流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤。0.3经过长期现场统计结合理论计算分析可知，工作面揭露岩石的岩性和长度不同，截齿消耗也不相同，本文为了便于研究分析，设定工作面长度为180m，平均采高2.8m，采煤机滚筒截深0.6m，揭露岩石长度为1m。3.3.1、工作面全煤，即岩石硬度系数f2、使用割煤截齿时，每班平均割5刀煤需消耗12个截齿，即平均每刀煤消耗0.20.4个截齿。、使用割岩截齿

9、时，每班平均割5刀煤需消耗01个截齿，即平均每刀消耗0.10.2个截齿。3.3.2、工作面揭露岩石硬度系数为2f5、使用割煤截齿时，每班割4刀煤需消耗68个截齿，即平均每刀煤消耗1.52个截齿，其中割岩消耗时间35s和1.31.6个截齿。、使用割岩截齿时，每班割4刀煤需消耗23个截齿，即平均每刀煤消耗0.50.8个截齿，其中割岩消耗时间25s和0.30.5个截齿。3.3.3、工作面揭露岩石硬度系数为5f10 、使用割煤截齿时，每班割3刀煤需消耗1218个截齿，即平均每刀煤消耗46个截齿。其中割岩消耗时间70s和3.85.6个截齿、使用割岩截齿时，每班割3刀煤需消耗46个截齿，即平均每刀煤消耗1

10、2个截齿。其中割岩消耗时间45s和0.71.8个截齿。3.3.4、工作面揭露岩石硬度系数为10f20当工作面揭露岩石系数为10f20时，揭露矸石非常坚硬，已不适合采煤机直接截割，需采用放松动炮措施辅助推进。采取放松动措施后消耗截齿数量及破岩时间如下：、使用割煤截齿时，每班割3刀煤需消耗2124个截齿，即平均每刀煤消耗78个截齿。其中割岩消耗时间140s和6.67.6个截齿。、使用割岩截齿时，每班割3刀煤需消耗79个截齿，即平均每刀煤消耗23个截齿。其中割岩消耗时间80s和1.82.8个截齿。综上所述，揭露不同岩性岩石状态下每1刀煤消耗截齿数量，如图1所示，不同截齿每1刀煤截割不同岩性岩石状态下

11、消耗的时间，如图2所示图1 揭露不同岩性岩石状态下每1刀煤消耗截齿数量柱状图图2 不同截齿每1刀煤截割不同岩性岩石状态下消耗的时间柱状图3.4、相同地质条件下不同截齿生产能力及经济对比分析本文为了便于不同岩性岩石状态下截齿割煤的经济研究分析，设定工作面长度为180m，平均采高2.8m，采煤机滚筒截深0.6m，采煤机平均速度3m/min，每班计划4个循环，完成1个循环需180min，更换整个滚筒截齿需要45min，块煤价格750元/t，沫煤价格250元/t。工作面循环产量计算公式： W=L×S×h××C式中 W正规循环生产能力，t；L工作面长度，180m；

12、S正规循环推进长度，取0.6m；h平均采高，为2.8m；煤的视密度，1.47t/m3；C回采率，95；代入工作面参数得：W=180×0.6×2.8×1.47×95422.3t1刀煤创造利润计算公式如下：Q=D×W式中 Q1刀煤，t；D煤价格，元；W正规循环生产能力，t；则割煤截齿每1刀煤可创造利润为（块煤率按100%计算）：Q1=422.3×75031.7万元则割岩截齿每1刀煤可创造利润为（由3.2可知，割岩截齿的块煤率为割煤截齿的0.7倍）：Q2=422.3×750×0.7422.3×250×

13、0.325.2万元设定采煤机速度为V，截齿齿长L，则单位时间内相同地质条件下生产能力为：N=0.6×L×V×t×h式中 N单位时间内生产能力，t；0.6采煤机滚筒截深，m；L截齿齿身长度，cm；V采煤机速度，m/min；t截割时间，s；h工作面平均采高，m。3.4.1、工作面揭露岩石硬度系数为f2，即工作面全煤单位时间内相同地质条件下生产能力N为：N1=0.6×L1×V×t×hN2=0.6×L2×V×t×h根据采煤机滚筒叶片的螺旋方式、截齿数量和齿身锥角的布置以及截齿自身的耐

14、磨强度，通过长度现场实际调研结合理论计算分析，当岩石硬度系数f2的情况下，岩体对截齿截割过程中产生的摩擦阻力影响不大，破岩消耗的时间截齿数量可忽略不计。则有：N1：N2=L1：L2，即，当岩石硬度系数f2的情况下，相同地质条件下不同截齿生产能力之比为截齿齿身长度之比，由表1可知，割煤截齿的生产能力是割岩截齿的1.4倍，同时，使用割煤截齿产生的块煤率为使用割岩截齿的1.4倍。即可得到，当岩石硬度系数f2（工作面全煤）的情况下，每割1刀煤创造的利润分别为:Q1=422.3×75031.7万元Q2=422.3×750×0.7422.3×250×0.3

15、25.2万元假设揭露岩石为Xm，则，、割煤截齿割1刀煤破岩后产量：W1=（180-X）×0.6×2.8×1.47×95=422.32.35×X割煤截齿割1刀煤破岩后利润（单位：万元），则Q1= W1×750=31.670.172×X割煤截齿割1刀煤破岩消耗时间为T（单位：s），则T1=35×X割煤截齿割1刀煤破岩消耗截齿数量为K，金额为Z（单位：万元，由图1，表1知消耗截齿数量及割煤截齿单价100元/个），则Z1=100×K1×X割煤截齿割1刀煤破岩后纯利润（单位：万元）：P1= Q1Z1=31

16、.670.172×X100×K1×X、割岩截齿割1刀煤破岩后产量：W2=（180-X）×0.6×2.8×1.47×95=422.32.35×X割岩截齿割1刀煤破岩后利润（单位：万元）：Q2= W2×750×0.7W2×250×0.3=25.340.138×X割岩截齿割1刀煤破岩消耗时间为T（单位：s），则T2=25×X割岩截齿割1刀煤破岩消耗截齿数量为K，金额为Z（单位：万元，由图1，表1知消耗截齿数量及割煤截齿单价240元/个），则Z2=240×

17、;K2×X割煤截齿割1刀煤破岩后纯利润（单位：万元）：P2= Q2Z2=25.340.138×X240×K2×X、平均每班总利润为Y（单位：万元），则Y=P×刀煤数3.4.2、工作面揭露岩石硬度系数为2f5假设当揭露岩石为Xm，采煤机直接截割1刀煤后创造利润相等，即， P21P22=（31.670.172×X100×K1×X）（25.340.138×X240×K2×X）=0P21P22=31.670.188×X（25.340.15×X）=6.30.038X=0则，

18、X=161.6m其中， （31.670.172×X100×K1×X）0（25.340.138×X240×K2×X）0则， X165m割1刀煤破岩消耗时间为T（单位：s），则T1=35×XT2=25×XT1T2=10×X即使用割岩截齿破岩消耗时间比割煤截齿短10×X，按割岩截齿平均每班4个循环，完成1个循环需180min，则相同的时间内，割煤截齿能够完成3.5个循环相同时间内平均每班总利润为Y（单位：万元），则Y=P×刀煤数即， Y1=（31.670.188×X）×3

19、.5Y2=（25.340.15×X）×4 若Y1= Y2，则， （31.670.188×X）×3.5=（25.340.15×X）×4 即， X=163.5m总上计算得到，当工作面揭露岩石长度161.6m时，使用割岩截齿或使用割煤截齿的割1刀煤纯利润相等，当工作面揭露岩石长度小于161.6m时，P1P20，即使用割煤截齿创造纯利润大于割岩截齿，当工作面揭露岩石长度大于161.6m小于165m时，P1P20，即使用割岩截齿创造纯利润大于割煤截齿，当揭露岩石长度大于165m时，P10，P20，说明工作面没有回采价值。以割岩截齿完成4个循环为

20、基本任务，则相同时间内，当揭露岩石长度163.5m时，平均每班创造利润相等，当揭露岩石长度小于163.5m时，使用割煤截齿时，平均每班创造利润均大于使用割岩截齿。3.4.3、工作面揭露岩石硬度系数为5f10，假设当揭露岩石为Xm，采煤机直接截割1刀煤后创造利润相等，即， P31P32=（31.670.172×X100×K1×X）（25.340.138×X240×K2×X）=0P31P32=（31.670.228×X）（25.340.181×X）=6.330.0468X=0则， X=132.0m其中， P31 =（3

21、1.670.172×X100×K1×X）=（31.670.228×X）0P32=（25.340.138×X240×K2×X）=（25.340.181×X）0则， X136.5m割1刀煤破岩消耗时间为T（单位：s），则T31=70×XT32=45×X T31T32=25×X即使用割岩截齿破岩消耗时间比割煤截齿短25×X，按割岩截齿平均每班4个循环，完成1个循环需180min，则相同的时间内，割煤截齿能够完成2.5个循环平均每班总利润为Y（单位：万元），则Y=P×刀煤数

22、即， Y31=（31.670.228×X）×2.5Y32=（25.340.181×X）×4若Y1= Y2，则，（31.670.228×X）×2.5=（25.340.181×X）×4即， X=144.1m总上计算得到，当工作面揭露岩石长度132.0m时，使用割岩截齿或使用割煤截齿的割1刀煤纯利润相等，当工作面揭露岩石长度小于132.0m时，P31P320，即使用割煤截齿创造纯利润大于割岩截齿，当工作面揭露矸石长度大于132.0小于136.5m时，P31P320，即使用割岩截齿创造纯利润大于割煤截齿。当揭露岩石长度大于

23、136.5m时，P310，P320，说明工作面没有回采价值。3.4.4、工作面揭露岩石硬度系数为10f20根据现场实际生产情况，当岩石系数f10时，岩石非常坚固，已不适合采煤机直接截割，需采用放松动炮措施辅助推进。假设当揭露岩石为Xm，采取放松动炮后措施后采煤机直接截割1刀煤后创造利润相等，即，P41P42=（31.670.172×X100×K1×X）（25.340.138×X240×K2×X）=0P41P42=（31.670.248×X）（25.340.205×X）=6.330.043×X=0则， X=

24、144.0m其中， P41 =（31.670.172×X100×K1×X）=（31.670.248×X）0P42=（25.340.138×X240×K2×X）=（25.340.205×X）0X125.7总上计算得到，采取放松动炮后措施后，当工作面揭露岩石长度小于125.7m时，P41P420，即使用割煤截齿创造纯利润大于割岩截齿，当工作面揭露矸石大于125.7m时，P410，P420，说明工作面没有回采价值。割1刀煤破岩消耗时间为T（单位：s），则T41=140×XT42=80×XT41T42=

25、60×X即使用割岩截齿破岩消耗时间比割煤截齿短60×X，按割岩截齿平均每班4个循环，完成1个循环需180min，则相同的时间内，割煤截齿能够完成1.5个循环平均每班总利润为Y（单位：万元），则Y=P×刀煤数即， Y31=（31.670.248×X）×1.5Y32=（25.340.205×X）×4若Y1= Y2，则，（31.670.248×X）×1.5=（25.340.205×X）×4即， X=120.2m总上计算得到，总上计算得到，采取放松动炮后措施后，当工作面揭露岩石长度小于125.

26、7m时，P41P420，即使用割煤截齿创造纯利润大于割岩截齿，当工作面揭露矸石大于125.7m时，P410，P420，说明工作面没有回采价值。以割岩截齿完成4个循环为基本任务，则相同时间内，当揭露岩石长度120.2m时，平均每班创造利润相等， 四、结论1、采煤机截齿失效形式主要有磨损、断裂和合金头脱落等，其中以磨损为主，占失效形的7585。2、当切削厚度加大时，与受截齿挤压形成的煤粉核相接触的煤体体积增大，从而使得破碎块和拉应力向上的裂纹增多，块量增加。由于割煤截齿齿长和齿身锥度均大于割岩截齿，割煤截齿削切深度大于割岩截齿削切深度，在相同地质条件下单位时间内使用割煤截齿的块煤率约为使用割岩截齿

27、的1.4倍。3、在工作面全煤（f2）的情况下，机头、机尾滚筒使用割煤截齿，即可以提高工作面回采效率，也可以增加块煤率，同时也可以降低粉尘量。4、工作面揭露岩石硬度系数为2f5时，当揭露岩石长度大于工作面长度的91.7%（165m）时，P10，P20，说明工作面没有回采价值。以割岩截齿完成4个循环为基本任务，则相同时间内，当揭露岩石长度是工作面长度的90.8%(163.5m)时，平均每班创造利润相等，当揭露岩石长度小于工作面长度的90.8%(163.5m)时，使用割煤截齿时，平均每班创造利润均大于使用割岩截齿。5、工作面揭露岩石硬度系数为5f10时，当工作面揭露岩石长度小于工作面长度的73.3%（132.0m）时，使用割煤截齿创造纯利润大于割岩截齿，当揭露岩石长度大于工作面长度的75.8%（136.