摘 要：随着科学技术的不断发展，我国钻式采煤机技术在设计和应用上也得到了不断的更新和完善。本文以现阶段我国钻式采煤机设计及应用现状，以及钻式采煤机的发展为基础，对钻式采煤机钻具相关数学模型、钻具的优化设计以及样机设计和试验三个方面进行阐述研讨，并对现阶段钻式采煤机设计和应用中存在的问题，从而促进钻式采煤机高效作业。

关键词：钻式采煤机 设计 应用研究

钻式采煤机是一种适用于薄与极薄煤层开采的采煤设备，还可用于开采边角煤、三下压煤顶板松软破碎煤层和回收各种煤柱。利用钻式采煤机采煤即能够在一定程度上提高煤炭的回收率，而且还能够实现无人工作面采煤，是一项绿色开采技术，该技术在煤矿开采中有着巨大的市场前景。但是由于我国对与钻式采煤机的设计和应用研究还相对缺乏，导致了钻式采煤技术难以满足我国煤矿开采的需要。基于此，本文将通过建立相关的数学模型来实现对钻式采煤机的优化设计。

1 钻式采煤机钻具相关数学模型

1.1 钻头运动数学模型

钻式采煤机的钻头主要由筋板、截齿、齿座以及螺旋叶片等组成，钻头主要靠其上面的截齿来实现钻头的采煤功能，因此应该对钻头截齿的运动规律展开研究以掌握截齿在各个位置的受力情况，从而达到合理设计钻头的目标。钻式采煤机在作业过程中会发生钻头的旋转运动和纵向进给运动，通过这两种运动实现对特殊煤层的采煤工作。建立钻头运动的数学模型需要建立有关钻头和截齿位置的坐标系，从而判定钻头位置。将钻孔中心线、煤壁面、大地作为作为坐标系的坐标轴。

另外，对截齿位置进行确定时可将钻头旋转轴线、钻头轴线表面作为坐标系的三个方向。利用齿尖表示截齿位置。钻头在作业过程中的位置、受力情况由相应的空间方程表示。

1.2 钻头切削模型

钻头轴向切削模型可以对煤层在钻头轴向方向破碎情况进行分析，在对钻头轴向切削模型进行分析时，钻头截齿的排列情况可以确定截齿的切削断面，钻头运动状态和截齿数目可以确定切削厚度，切削厚度用表示，其中为切削厚度，为推进速度，、分别为截齿数目和钻头钻速。通过对钻头轴模型进行分析可知不同截齿具有相同的切削厚度，同一平面的各个截齿将实现钻进切削，从而实现钻式采煤机的钻进功能。

2 钻式采煤机钻具的优化设计

2.1 钻头优化设计

钻式采煤机在工作时可能会遇到夹矸、割顶底板等情况，导致截齿发生倾斜并受到一定损害。针对这一问题，应该合理选择截齿材料和截齿型号以提升其承载能力，延长截齿使用寿命。在钻头的优化设计中一般采用性能较好的鎬形截齿，鎬形截齿能够保证应力集中。

另外，选择齿尖较大的截齿有助于降低能耗，并且截齿角度的优化设计有助于使钻头顺利进入煤层。在钻头工作角度的设计中应设置较小的切削角，从而将切削力、能耗、煤粉生成量进行有效控制，保证良好的破煤效果。并且为了保证钻式采煤机的良好性能，需要使半錐角大于切削角。

2.2 螺旋钻杆的优化设计

螺旋钻杆可以直接影响到煤的顺利排出，如果螺旋钻杆设计参数不合理很容易出现煤堆积现象，导致卡钻故障。因此，通过建立有关螺旋钻杆的数学模型可以将导程、螺旋升角作为约束条件，并将提高钻式采煤机的采煤效率作为目标函数。通过对约束条件和目标函数的关系进行分析，能够有效保证螺旋钻杆设计参数，从而使螺旋杆的设计得到优化。

3 钻式采煤机样机设计及试验

3.1 样机总体设计方案

钻式采煤机的总体设计需要考虑到煤层的厚度与宽度，保证钻机结构具有稳定性从而满足定向钻井的需求。目前，钻式采煤机的设计结构一般情况下采用三头钻结构，为了使不同的钻头在采煤过程中高度协调，应根据钻头旋转方向的不同设置合理的动力传动箱，从而实现螺旋钻杆的稳定性，避免出现钻具偏斜现象。根据钻式采煤机采煤效率要求，一般钻式采煤机的总体设计为双主轴的三钻头钻机，两边钻头直径大于中间钻头，并且为了保证规定的推进速度需要设置适当的钻头轴线间距。另外，可以采用一线一截齿的设计方式保证割下来的煤块具有一定块度，从而实现钻头在采煤过程中的稳定。

3.2 钻式采煤机的工业性试验

钻式采煤机的设计需要进行工业性试验来检测，将钻式采煤机投用在工业生产中，对钻式采煤机在工业生产中的生产能力和截齿磨损情况等进行观察记录。判断钻式采煤机钻头性能需要对安装该钻头的钻式采煤机的作业情况进行有效分析。另外，如果该钻头在煤层使用过程中，出现钻孔平直和没有明显截割痕迹现象，说明钻头具有较高的稳定性。站在煤块率和截齿磨损情况来看，发现煤块率明显升高和截齿磨损情况均匀，说明截齿的排列设计合理。通过上述可以看出，对相关数学模型进行分析能够在一定程度上了解钻式采煤机的工作情况，从而做到合理设计钻式采煤机的钻头，使钻式采煤机高效稳定应用得到保障。

结 语

综上所述，钻式采煤机广泛应用于我国薄煤层的开采中，对钻式采煤机的设计和应用进行优化，有助于钻式采煤机在煤层开采中发挥出更大的作用，提高钻式采煤机的工作效率。而对于钻式采煤机在作业过程中出现钻头偏斜的问题，技术人员将对钻具和防偏技术进行重点研究，从而实现对煤层的高效率开采，提高特殊煤层煤炭资源的利用率。

参考文献：

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[3] 刘萍，赵超，杨凡.全液压钻式采煤机履带行走机构研究[J].煤炭技术，2016，35（06）：239-242.

作者简介：宋子龙，出生年月1981年7月，性别男，籍贯黑龙江省双鸭山市集贤县，民族 汉族，最高学历 本科，职称工程师，研究方向采煤机设计及采煤机在生产制造方面的改进。