郝 杰
(山西潞安環(huán)保能源股份開發(fā)有限公司五陽煤礦,山西 長治 046205)
采煤機是進行煤礦綜采的重要設(shè)備,采煤機的截割性能對于煤礦的開采具有重要的意義。由于現(xiàn)代社會工業(yè)化生產(chǎn)的節(jié)奏較快,對于煤礦開采的效率要求越來越高。在采煤機進行采煤作業(yè)時,截齒截割煤巖厚度的大小,對于采煤的效率及塊煤率都具有重要的影響[1]。從截齒截割的過程入手提高采煤機的作業(yè)效率及截割性能是近年來研究的熱點,筆者以截割厚度作為采煤機開采的重要參數(shù),采用離散元仿真的方式,對不同截割厚度時的截割性能進行分析,從而確定截割厚度對采煤作業(yè)截割性能的影響規(guī)律,選取最優(yōu)的截割厚度,提高采煤作業(yè)的效率及性能,提高煤礦的經(jīng)濟效益。
采煤機在進行煤巖截割的過程中,截割厚度的大小通過牽引速度和滾筒的轉(zhuǎn)速決定,改變截割厚度的大小,需同時對牽引速度和轉(zhuǎn)速進行調(diào)整實現(xiàn)。截割厚度的不同,截齒受到的截割阻力不同,從而影響到截齒的磨損狀態(tài)不同[2]。在不同的截割厚度下,參與截割的截齒數(shù)量及位置不同,使得截齒的截割比能耗不同,并且影響開采的煤樣的塊煤率。在實際的應(yīng)用中,選取合適的截割厚度,要能減小截齒的磨損,減小截割比能耗[3],提高采集的煤樣的塊煤率,并盡量保證采煤機截割阻力穩(wěn)定,減少沖擊,從而可以提高采煤機各零件的使用壽命。
采用離散元分析的方式,對不同截割厚度的截割性能進行分析,首先要建立煤巖的截割模型。離散元分析采用晶格模型的方式表示煤樣材料,通過晶格模型間的彈簧量來模擬煤樣的破裂問題[4]。RockBox3D-MLS是進行離散元分析的前后處理的軟件,采用RockBox3D-MLS建立煤巖的模型,選取煤巖模型的體積為60×40×60cm,設(shè)定煤巖的材料參數(shù),密度值為2 400 kg/m3,彈性模量為1.63 GPa,泊松比為0.21。同時建立截齒的三維模型,選用鋼質(zhì)材料,設(shè)定密度值為7 800 kg/m3,彈性模量為270 GPa,泊松比為0.3,對模型進行一定的簡化處理[5]。選擇不同的截割厚度分別為1 cm、3 cm、5 cm及7 cm,滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min,其余參數(shù)設(shè)定一致,其截割示意圖如圖1所示。
圖1 不同截割厚度截割示意圖
依據(jù)離散元分析,在求解器中設(shè)置四種不同的截割厚度,采用RockBox3D-MLS對模型進行處理,并在求解結(jié)果中設(shè)置煤巖的破碎數(shù)據(jù),不同截割厚度的煤巖截割模型如圖2所示。
圖2 不同截割厚度的截割模型
依據(jù)所設(shè)定的模型參數(shù)對不同截齒厚度的截割過程進行模擬,并對煤巖的破碎率進行統(tǒng)計,得到如圖3所示的不同截割厚度的破碎率變化曲線。
從圖3中的曲線可以看出,在不同的截割厚度下,隨著截割過程的進行,煤巖的破碎率變化曲線相差較大,破碎率曲線的斜率變化不一,但隨著截割厚度的增加,煤巖的破碎率在數(shù)值上呈逐漸上升的趨勢。
圖3 不同截割厚度的破碎率變化曲線
為進一步對比破碎率的大小變化,將四種不同截割厚度下的破碎率進行統(tǒng)計并作圖,得到如圖4所示的不同截割厚度的破碎率斜率變化對比圖。從圖4中可以看出,隨著截割厚度的增加,破碎率的平均斜率增加,說明此時的塊煤率增加。在截割厚度為1 cm時,破碎率的最大斜率值較小,這表明此時采集的煤樣的塊煤率低,且在這種情況下采煤作業(yè)的粉塵量較大,不利于截割過程的進行[6]。當截割厚度增加時,在1~3 cm時,破碎率的斜率變化不大,而增加到5~7 cm時,則破碎率的平均斜率增加較大,此時的塊煤率增加,且開采過程中的粉塵量較小,有利于截割過程的進行。截割厚度小時,截齒受到的截割阻力較小,但開采過程中的粉塵量較大,采集的煤樣塊煤率低;截割厚度大時,截齒受到的截割阻力較大,采集過程中的粉塵量較小,且采集的煤樣塊煤率高。在實際進行采煤機作業(yè)時,應(yīng)在破碎率的斜率增加較大的區(qū)域選擇較大的截割厚度,由此可以提高截割作業(yè)的效率,并且獲得的煤樣的塊煤率高。同時,在截割過程中,應(yīng)綜合考慮到煤巖的性質(zhì)差異及截齒的壽命,不能簡單追求較大的截割厚度,而造成截齒壽命的減小,選取適宜的截割厚度,通過調(diào)整采煤機的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速實現(xiàn)最優(yōu)的截割厚度。
圖4 不同截割厚度的破碎率斜率變化對比
采煤機是進行綜合機械化采煤作業(yè)的重要設(shè)備,采煤機的效率對于煤礦的開采效率具有重要的影響。
采煤機截齒進行截割的過程相對復雜,其截割性能的優(yōu)劣決定了采煤效率及截齒的使用壽命。截齒進行截割的過程,是動態(tài)變化的過程,截割厚度是影響截割性能的重要參數(shù),對于截割的效率及塊煤率,開采過程中的粉塵量等都有影響。采用離散元仿真的方式對不同截割厚度下的截割過程進行模擬,對煤巖的破碎率進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明,隨著截割厚度的增加,煤巖破碎率的平均斜率也在逐漸增加,此時的塊煤率隨之增加。在截割厚度為5~7 cm時,煤巖的破碎率斜率增加較大。在采煤實際工作時,應(yīng)在塊煤率增加較大的區(qū)域內(nèi)提高截割厚度,從而提高采煤機的截割效率,提高煤礦的經(jīng)濟效益。