塊煤轉(zhuǎn)載損失機(jī)理及止損應(yīng)用研究

白文勇，徐青云，李通達(dá)

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

近幾年，我國(guó)煤炭行業(yè)持續(xù)低迷，如何在不增加投資情況下增加煤炭附加效益成為每個(gè)煤炭企業(yè)十分關(guān)注的問(wèn)題。同時(shí)，我國(guó)煤炭市場(chǎng)對(duì)煤炭產(chǎn)品種類(lèi)需求更加細(xì)化，而產(chǎn)品種類(lèi)不同價(jià)格相差甚遠(yuǎn)。提高塊煤產(chǎn)品在原煤生產(chǎn)中的比重是煤炭企業(yè)應(yīng)對(duì)低迷市場(chǎng)快速有效的手段。而提高塊煤產(chǎn)出是一個(gè)綜合系統(tǒng)的優(yōu)化的過(guò)程，其中運(yùn)輸系統(tǒng)是煤炭企業(yè)塊煤損失的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。因此，塊煤轉(zhuǎn)載運(yùn)輸止損是提高塊煤產(chǎn)出的最佳途徑。

根據(jù)在破碎機(jī)理方面及機(jī)械上的理論研究[1]，煤礦企業(yè)在轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)上已做出很多防破碎裝置，但其大部分轉(zhuǎn)載止損均針對(duì)于破碎機(jī)轉(zhuǎn)載和煤倉(cāng)轉(zhuǎn)載[2]，這種止損方法存在緩沖裝置占據(jù)空間較大，緩沖材料消耗大，并且很少涉及膠帶運(yùn)輸搭接上的塊煤止損等問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)塊煤跌落碰撞破碎機(jī)理分析，結(jié)合礦井膠帶轉(zhuǎn)載運(yùn)輸實(shí)際情況，利用EDEM模型軟件分析塊煤轉(zhuǎn)載能量損耗問(wèn)題，優(yōu)化礦井現(xiàn)有膠帶轉(zhuǎn)載緩沖裝置。

1 塊煤跌落碰撞破碎機(jī)理

在礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中造成塊煤破碎的因素有很多，但在運(yùn)輸途中的破碎原因相對(duì)簡(jiǎn)單，其實(shí)質(zhì)是物體的反復(fù)碰撞、摩擦、擠壓。當(dāng)原煤經(jīng)過(guò)上述過(guò)程后，原煤塊度不斷變小，而單位體積的表面積不斷增大，根據(jù)邦德裂縫理論破碎的單元功與破碎形成的表面積和體積的幾何平均值的增量成正比。為了對(duì)抗破碎所做的功，其中主要就是依靠原煤自身抗碎性[3]。

塊煤在轉(zhuǎn)載運(yùn)輸過(guò)程中的破碎，不僅與自身抗碎性有關(guān)，而且與運(yùn)輸設(shè)備所提供的動(dòng)能等有很大的關(guān)系。塊煤防破碎主要是針對(duì)原煤運(yùn)輸系統(tǒng)提出的，塊煤破碎主要發(fā)生在設(shè)備轉(zhuǎn)載點(diǎn)上，因該處是塊煤的能量轉(zhuǎn)化點(diǎn)。運(yùn)輸系統(tǒng)中原煤轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤流卸載方式是原煤以一定的初速度做平拋運(yùn)動(dòng)，其水平方向動(dòng)能守恒、動(dòng)量守恒，豎直方向動(dòng)能增加，動(dòng)量亦增加。

根據(jù)能量守恒、動(dòng)量守恒，有

式中：v0為膠帶運(yùn)輸速度，v1為煤塊m1碰撞前的速度。

假設(shè)m1以v1的速度碰撞m2的物體或者煤塊，碰撞后m1靜止，可以得出m2所受到的最大撞擊力F。

根據(jù)沖量定理,接觸單元之間碰撞產(chǎn)生的平均接觸力Fca可以表示為：

式中：m1和m2分別為兩個(gè)碰撞物體的質(zhì)量；（t1-t2）為物體碰撞接觸的平均時(shí)間；e為物體碰撞彈性恢復(fù)系數(shù)。

煤塊與煤塊間及煤塊與其他物體間的碰撞均視為彈塑性碰撞，則由式（3）可知，在防止塊煤運(yùn)輸中破碎的問(wèn)題應(yīng)從以下三個(gè)方面入手：降低塊煤運(yùn)輸中的運(yùn)動(dòng)速度；延長(zhǎng)塊煤之間以及塊煤與其他物體的碰撞接觸時(shí)間；減小碰撞物體之間的彈性恢復(fù)系數(shù)。

2 EDEM轉(zhuǎn)載點(diǎn)仿真模擬分析

EDEM轉(zhuǎn)載點(diǎn)仿真模擬是利用離散元模型模擬分析轉(zhuǎn)載點(diǎn)三維多體接觸，通過(guò)該方法可獲知：煤塊與膠帶輸送機(jī)機(jī)器表面相互作用的內(nèi)部行為；煤塊顆粒之間相互碰撞的級(jí)別、頻率和分布；每個(gè)煤塊的速度與位置；與其他煤塊相互沖擊、磨損、凝聚和分離相關(guān)的能量，有助于對(duì)煤礦運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)設(shè)備的優(yōu)化。

2.1 模型建立

經(jīng)過(guò)對(duì)某礦井下運(yùn)輸轉(zhuǎn)載實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，建立直線型擋煤板結(jié)構(gòu)模型和弧形擋煤板結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)建立對(duì)應(yīng)的顆粒與顆粒、顆粒與結(jié)構(gòu)的接觸模型進(jìn)行仿真[4-5]。

將井下膠帶輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡導(dǎo)入CATIA 三維建模軟件中作為輔助，將原有轉(zhuǎn)載點(diǎn)直線擋板結(jié)構(gòu)導(dǎo)入模型中，弧形擋板結(jié)構(gòu)模型根據(jù)轉(zhuǎn)載點(diǎn)空間要求建立結(jié)構(gòu)導(dǎo)入模型中[6]。模型結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 擋煤板結(jié)構(gòu)模型

2.2 煤塊顆粒轉(zhuǎn)載運(yùn)輸能量分析

轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塊顆粒流動(dòng)過(guò)程能量的監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖2。

圖2 不同結(jié)構(gòu)擋料板仿真效果及監(jiān)測(cè)區(qū)布置

對(duì)直線型和弧形擋煤板結(jié)構(gòu)中煤顆粒平均能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出不同落差范圍內(nèi)煤顆粒流的平均能量變化情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 不同測(cè)點(diǎn)顆粒平均能量變化

從表中可以明顯看出，在Q3～Q5三個(gè)位置煤塊顆粒完成了從上一運(yùn)輸環(huán)節(jié)至下一運(yùn)輸環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)載沖擊過(guò)程，直線型擋煤板結(jié)構(gòu)模型較弧型擋煤板結(jié)構(gòu)模型能量下降速度快，總能耗較高，容易發(fā)生破碎，平均總的能耗比比值為1.33∶1。

2.3 煤塊顆粒沖擊磨損分析

煤塊顆粒在與擋板發(fā)生沖擊接觸過(guò)程中，單位沖擊長(zhǎng)度能耗情況可以評(píng)價(jià)沖擊嚴(yán)重程度。將EDEM中煤塊顆粒對(duì)擋板結(jié)構(gòu)沖擊過(guò)程中擋板結(jié)構(gòu)沖擊磨損區(qū)導(dǎo)出[7]，見(jiàn)圖3。

圖3 不同擋料板沖擊磨損情況

利用EDEM仿真模擬軟件自帶測(cè)量工具對(duì)沖擊磨損區(qū)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 沖擊距離及沖擊能量統(tǒng)計(jì)

從表中可以看出，直線型的沖擊接觸長(zhǎng)度最短，直線型和弧型單位沖擊接觸長(zhǎng)度內(nèi)能耗比為6.5∶1。因此，從單位接觸長(zhǎng)度的能耗比來(lái)看，弧型擋料板的能耗更低，能最大化減少碰撞破碎和擋料板沖擊磨損。

2.4 煤塊顆粒速度分析

兩種模型結(jié)構(gòu)煤塊顆粒在沖擊不同擋板結(jié)構(gòu)時(shí)，速度變化曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 煤流速度隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)速度變化曲線圖可以知道，兩種煤流顆粒在轉(zhuǎn)載沖擊前的速度相近，均在5 m/s左右；直線擋板結(jié)構(gòu)在沖擊后速度降低后又快速增加，而弧型擋板結(jié)構(gòu)在沖擊后速度是緩慢增加。沖擊過(guò)程中顆粒速度變化情況，見(jiàn)表3。

表3 沖擊過(guò)程中顆粒速度變化

由表3可知，弧型擋板結(jié)構(gòu)速度變化較小，當(dāng)弧型半徑逐漸增大后，速度變化趨近于0；反觀直線型結(jié)構(gòu)擋板速度變化大，碰撞損失大。在工程應(yīng)用中，為了減少碰撞損耗，在不考慮空間尺寸的情況下，可以盡可能的優(yōu)化弧型半徑尺寸，實(shí)現(xiàn)能量的最低損耗。

3 工程應(yīng)用

某煤礦采用膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸，轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)較少，但轉(zhuǎn)載點(diǎn)搭接高度較大（3～5 m），且以直角搭接為主，目前采用在卸料滾筒前方較短距離內(nèi)布置了直線型結(jié)構(gòu)擋煤板來(lái)改變煤流方向，且未使用任何防破碎設(shè)備[8-9]。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，拋卸的煤流幾乎以直角方式?jīng)_擊擋板，發(fā)生嚴(yán)重破碎情況，與此同時(shí)，產(chǎn)生大量煤塵，嚴(yán)重影響作業(yè)環(huán)境和威脅煤礦安全。針對(duì)以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出轉(zhuǎn)載改進(jìn)措施，根據(jù)順直搭接、垂直搭接兩種轉(zhuǎn)載形式設(shè)置如圖5弧型結(jié)構(gòu)擋煤板防破碎裝置，使運(yùn)動(dòng)的煤流得到緩沖，減小塊煤受到撞擊破碎。

圖5 擋煤板防破碎裝置

經(jīng)過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)增設(shè)柔性防護(hù)、設(shè)置緩沖區(qū)、增設(shè)自溜裝置后，轉(zhuǎn)載點(diǎn)處原煤塊煤率有大幅度提高，膠帶運(yùn)輸塊煤提高幅度達(dá)20%以上（具體見(jiàn)表4），效果明顯。

表4 大巷轉(zhuǎn)載點(diǎn)塊煤率

4 結(jié)論

根據(jù)碰撞機(jī)理及利用EDEM轉(zhuǎn)載點(diǎn)仿真模擬分析，得出對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)塊煤率影響較大因素的有塊煤顆粒能量損耗、沖擊接觸時(shí)間、速度變化率。

根據(jù)理論和模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)進(jìn)行改造優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后塊煤率提高效果顯著。