综采工作面截齿使用优化分析及对策

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75％~85％。

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。

2.1.2、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。

2.2.2、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

U48 240

22 12.5 35

U96 240

U95（凯南麦特）316

割煤截齿U92 100 18.5 9 19

复用截齿割岩截齿

U48 144

22 12.5 35

U96 144

割煤截齿U92 60 18.5 9 19

3.2、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（f≤2）、比较坚固（2＜f＜5）、坚固（5≤f＜10）、非常坚固（10≤f≤20）。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

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f≤2

①、使用割煤截齿时，每班平均割5刀煤需消耗1~2个截齿，即平均每刀煤消耗0.2~0.4个截齿。

②、使用割岩截齿时，每班平均割5刀煤需消耗0~1个截齿，即平均每刀消耗0.1~0.2个截齿。

3.3.2、工作面揭露岩石硬度系数为2＜f＜5

①、使用割煤截齿时，每班割4刀煤需消耗6~8个截齿，即平均每刀煤消耗1.5~2个截齿，其中割岩消耗时间35s和1.3~1.6个截齿。

②、使用割岩截齿时，每班割4刀煤需消耗2~3个截齿，即平均每刀煤消耗0.5~0.8个截齿，其中割岩消耗时间25s和0.3~0.5个截齿。

3.3.3、工作面揭露岩石硬度系数为5≤f＜10

①、使用割煤截齿时，每班割3刀煤需消耗12~18个截齿，即平均每刀煤消耗4~6个截齿。其中割岩消耗时间70s和3.8~5.6个截齿

②、使用割岩截齿时，每班割3刀煤需消耗4~6个截齿，即平均每刀煤消耗1~2个截齿。其中割岩消耗时间45s和0.7~1.8个截齿。

3.3.4、工作面揭露岩石硬度系数为10≤f≤20

当工作面揭露岩石系数为10≤f≤20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：

①、使用割煤截齿时，每班割3刀煤需消耗21~24个截齿，即平均每刀煤消耗7~8个截齿。其中割岩消耗时间140s和6.6~7.6个截齿。

②、使用割岩截齿时，每班割3刀煤需消耗7~9个截齿，即平均每刀煤消耗2~3个截齿。其中割岩消耗时间80s和1.8~2.8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消耗的时间，如图2所示