王路瑤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)宏泰礦山工程建設(shè)大同有限公司，山西 大同 037003）

1 概況

宏泰礦山開采的4#煤開采巷道老頂巖性為凝灰質(zhì)砂巖，巖質(zhì)較硬，厚度為40 m 左右，直接頂和偽頂?shù)膸r性不同，分別為砂質(zhì)頁(yè)巖和中砂巖。復(fù)雜的地質(zhì)條件，加上斷層和積水等影響，掘進(jìn)工作難度較大，目前采用的EBZ-260 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)尤其是截割頭形式對(duì)復(fù)雜巖層掘進(jìn)工藝適應(yīng)性較差，掘進(jìn)效率和穩(wěn)定性受到很大影響。掘進(jìn)機(jī)上的截割頭是截割巖層的核心構(gòu)件，截割頭的幾何結(jié)構(gòu)直接決定了掘進(jìn)機(jī)懸臂的受力情況[1-6]。掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)下，截割頭荷載大小還受到巖層性能和掘進(jìn)速度等因素影響。選擇合適幾何結(jié)構(gòu)的截割頭是巷道掘進(jìn)施工的關(guān)鍵[7-10]。基于同煤宏泰礦山巷道巖層性能，研究計(jì)算截割頭幾何結(jié)構(gòu)，配置與研究計(jì)算機(jī)構(gòu)相近的截割頭，能夠保證巷道掘進(jìn)施工進(jìn)度，增加截割頭使用壽命，降低能耗，提升同煤宏泰礦山經(jīng)濟(jì)效益。

2 截割頭幾何結(jié)構(gòu)形式選擇

（1）截割頭頭體結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)截割頭是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組合型機(jī)械部件，截割頭頭體是整個(gè)部件的基礎(chǔ)，部件的截齒等零件全部依附安裝在頭體上。頭體屬于中心旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可以看作是包絡(luò)線繞中心線旋轉(zhuǎn)形成，常見的結(jié)構(gòu)形狀有圓柱形頭體（圖1a）、圓錐形頭體（圖1b）、圓柱-圓錐形頭體（圖1c）三種。

圖1 截割頭頭體外形結(jié)構(gòu)事宜圖

圓柱形頭體在進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，截齒的齒尖會(huì)與截割線保持平行，理想情況下該形狀的截割頭截齒的荷載均勻，且截割頭的軸向力不大，但實(shí)際掘進(jìn)工作面不會(huì)是完全平整的，成型后的巷道會(huì)是鋸齒狀的，如圖2（a）所示。這種巷道面會(huì)增加支護(hù)難度，使支護(hù)穩(wěn)定性和強(qiáng)度降低。相較于圓柱形頭體，圓錐形頭體成型后的巷道表面平整度較高，有利于支護(hù)工藝的實(shí)施，但在截割運(yùn)動(dòng)中，截割頭軸向受力大，截齒承受的偏載大，截割頭運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和使用壽命都會(huì)存在一定問(wèn)題?；谝陨戏治觯Y(jié)合兩種形狀頭體的優(yōu)勢(shì)，圓柱-圓錐形頭體的掘進(jìn)能力強(qiáng)，前端圓錐結(jié)構(gòu)保證巷道成形表面平整，后端圓柱結(jié)構(gòu)能夠降低截割運(yùn)動(dòng)中截齒偏載和截割頭軸向受力，支護(hù)工況條件好于以上兩種結(jié)構(gòu)頭體。該結(jié)構(gòu)截割頭形成的巷道表面形狀如圖2（b）所示。

圖2 不同截割頭頭體導(dǎo)致成型巷道表面形狀示意圖

（2）截割頭截齒類型

截割頭截齒有鎬形和刀形兩種，兩種結(jié)構(gòu)截齒適應(yīng)不同的巖層特點(diǎn)。鎬形截齒適用于巖質(zhì)脆硬且含有一定硬夾石的地層掘進(jìn)，刀形截齒多用于巖層質(zhì)地堅(jiān)硬且裂隙不發(fā)達(dá)的地層掘進(jìn)，但由于受到的彎矩力較大，容易折斷。同煤宏泰礦山巷道地層存在砂質(zhì)泥巖層，選用鎬形截齒更為合理，配合齒座結(jié)構(gòu)（圖3 右），可以使截齒在齒座槽內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，大大降低截齒荷載。同煤宏泰礦山掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒外形尺寸如圖3 左。

圖3 掘進(jìn)機(jī)截割頭齒座和截齒外形尺寸圖（mm）

3 截割頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

（1）截割頭長(zhǎng)度

截割頭的長(zhǎng)度包含從截割頭底部到頂部截齒齒尖之間的距離，該長(zhǎng)度決定掘進(jìn)效率和掘進(jìn)效果。整體來(lái)看，截割頭的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，掘進(jìn)速度越快，但比能耗大，截割阻力增加。如何平衡掘進(jìn)效率和比能耗，是計(jì)算截割頭長(zhǎng)度的目標(biāo)。截割頭長(zhǎng)度與掘進(jìn)機(jī)的最大掏槽深度基本相等，而最大掏槽深度與巖層屬性和截割速度等因素有關(guān)系，滿足以下關(guān)系：

式中：Lh為掘進(jìn)機(jī)的最大掏槽深度，與截割頭長(zhǎng)度相等，m；S為棚距，m；K1為進(jìn)刀次數(shù)；K2為架棚個(gè)數(shù)。

同煤宏泰礦山工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中，架棚的距離為0.8 m 左右，架棚個(gè)數(shù)與進(jìn)刀次數(shù)的比值6:8，計(jì)算的截割頭長(zhǎng)度為600 mm。但掘進(jìn)巖層硬度較高時(shí)，要考慮截割頭的長(zhǎng)度不應(yīng)大于壓張帶寬度。通過(guò)資料查閱，同煤宏泰礦山巖層壓張帶寬度約為580 mm，最終確定截割頭長(zhǎng)度為550 mm。

（2）截割頭平均直徑

由于截割頭的外形選用了圓柱-圓錐形，其平均直徑計(jì)算的是所有截齒齒尖與中心線距離的平均值，直徑平均值的計(jì)算是一個(gè)范圍的確定，過(guò)大的直徑會(huì)降低截割頭的截割能力，而過(guò)小的直徑雖然截割能力增加，但截割效率會(huì)大大降低，截割頭平均直徑的計(jì)算公式為：

式中：D為截割頭的平均直徑，m；QT為理論生產(chǎn)率，m3/h，同煤宏泰礦山理論生產(chǎn)率為8 m3/h；λ0為巷道巖層的松散系數(shù)，取值為1.6；L為截割頭的長(zhǎng)度，取值為0.55 m；Vb為掘進(jìn)機(jī)截割頭的擺動(dòng)速度，取值為0.3 m/min；N為截割頭的截割功率，EBZ-260 型掘進(jìn)機(jī)截割頭功率為265 kW；nc為平均直徑處截齒的數(shù)量，取值為3；Z為截割頭截割時(shí)的最大阻力值，取值為60 kN；n為截割頭轉(zhuǎn)速，取值為31 r/min。

計(jì)算截割頭平均直徑在505～907 mm，考慮到較小的截割頭直徑截割能力強(qiáng)，選取截割頭直徑為520 mm?；谝陨戏治龃_定計(jì)算，同煤宏泰礦山EBZ-260 型掘進(jìn)機(jī)截割頭的幾何結(jié)構(gòu)如圖4（左），截割路徑如圖4（右）。

圖4 EBZ-260型掘進(jìn)機(jī)截割頭幾何結(jié)構(gòu)與截割路徑（mm）

截割路徑的選擇充分考慮到了同煤宏泰礦山的巷道巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇了從下到上之字形截割路徑，一方面降低巷道頂?shù)目枕敃r(shí)間，另一方面保證巷道壁應(yīng)力均勻，為巷道支護(hù)提供空間等條件。

4 應(yīng)用效果

為了檢驗(yàn)截割頭的截割掘進(jìn)效果，對(duì)同煤宏泰礦山1021 工作面運(yùn)輸槽巷道施工進(jìn)行掘進(jìn)驗(yàn)證，分別對(duì)原廠攜帶的截割頭A 和與計(jì)算結(jié)果相似的截割頭B 進(jìn)行掘進(jìn)比能耗對(duì)比，形成圖5，分別對(duì)比不同截線距下兩個(gè)截割頭的比能耗值。

圖5 不同截割頭掘進(jìn)比能耗對(duì)比圖

從圖5 可以看出，兩種截割頭比能耗曲線走向趨勢(shì)基本相同。在25 mm 前都是隨著截線距的增加，比能耗在逐漸降低；在截線距大于25 mm 后，隨著截線距增加，比能耗值也在增加。說(shuō)明兩種截割頭都在向封閉式截割狀態(tài)過(guò)渡。截割頭B 的能耗無(wú)論在哪種截線距下，比能耗都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原廠攜帶的截割頭A 的比能耗，說(shuō)明經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后的截割頭設(shè)計(jì)能夠滿足低能耗運(yùn)行的需求。