工作面角度對采煤機(jī)裝煤性能的影響研究

劉 敏

（左權(quán)永興煤化有限責(zé)任公司，山西 晉中 032600）

引言

煤炭開采的主要方式包括炮采和機(jī)采兩種，其中炮采安全性差且效率較低，而機(jī)采通過采煤機(jī)和刨煤機(jī)完成。目前，我國煤礦以機(jī)采為主，而且由于刨煤機(jī)對工作面的要求較高且能耗較大，我國機(jī)采以采煤機(jī)為主。從實際生產(chǎn)來看，機(jī)采的裝煤效率僅為70%，剩余30%只能通過人工清理完成，不僅效率低而且勞動強(qiáng)度大。因此，對于不同綜采工作面，不同煤層影響其裝煤性能的參數(shù)包括有采煤機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)、位置參數(shù)以及地質(zhì)條件等[1]。本文將以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，研究工作面角度對采煤機(jī)裝煤性能的影響。

1 采煤機(jī)裝煤性能的理論研究

采煤機(jī)在實際生產(chǎn)中的主要任務(wù)為截煤和裝煤。目前，針對采煤機(jī)截割能力的研究已經(jīng)開展數(shù)年并取得一定成就；而對于采煤機(jī)裝煤能力的研究相對滯后?？傮w來講，采煤機(jī)的裝煤性能較差，已經(jīng)成為影響綜采工作面生產(chǎn)能力的主要因素之一。對于滾筒采煤機(jī)而言，其裝煤的理論基礎(chǔ)為拋射裝煤和推擠裝煤。結(jié)合生產(chǎn)實踐及理論基礎(chǔ)，影響滾筒采煤機(jī)裝煤性能的主要因素除了采煤機(jī)具體的形式外，還包括有采煤機(jī)滾筒的自身結(jié)構(gòu)、煤炭的物理性質(zhì)以及采煤機(jī)滾筒的工作參數(shù)。

1）影響采煤機(jī)裝煤性能的因素除了煤炭自身的特征外，還與煤炭的濕度、粒度大小等相關(guān)。此外，間接影響采煤機(jī)裝煤性能的因素包括有煤炭的松散程度和孔隙程度。其中，煤炭的粒度越大其對應(yīng)的裝煤性能越好；而煤炭本身的松散程度通過直接影響采煤機(jī)滾筒的填充系統(tǒng)對其裝煤性能造成影響[2]。

2）影響采煤機(jī)裝煤性能的因素包括有采煤機(jī)滾筒的直徑、螺旋升角、截割深度以及葉片外邊緣的直徑等。其中，采煤機(jī)的滾筒直徑越大，對應(yīng)滾筒的截割深度越小，其對應(yīng)的裝煤性能越好；滾筒葉片螺旋升角越小其對應(yīng)的裝煤性能越好。

3）影響采煤機(jī)裝煤性能的因素包括有采煤機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)反向、旋轉(zhuǎn)速度以及牽引速度等。當(dāng)采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)確定后，采煤機(jī)的牽引速度和滾筒的旋轉(zhuǎn)速度共同決定滾筒的充填系數(shù)進(jìn)而影響其裝煤性能。

在實際生產(chǎn)中，綜采工作面與水平面之間必然存在一定的角度，從而影響滾筒采煤機(jī)的裝煤性能。因此，本文將基于PFC3D軟件研究工作面角度對滾筒采煤機(jī)裝煤性能的影響，為后續(xù)采煤機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提升滾筒采煤機(jī)的裝煤性能奠定基礎(chǔ)。

2 PFC3D仿真模型的搭建

根據(jù)煤層傾斜角度的大小可將其分為近水平煤層、緩傾斜煤層、中傾斜煤層以及急傾斜煤層。對于工作面角度而言，可將其分為走向傾角和工作傾角[3]。其中，走向傾角指的是采煤機(jī)滾筒的軸向方向與水平面之間的夾角；工作傾角指的是滾筒采煤機(jī)的行走方向與水平方向的夾角。工作傾角與水平傾角如圖1所示。

如圖1所示，α為工作傾角，β為走向傾角。結(jié)合某礦實際地質(zhì)條件，走向傾角的取值范圍為±10°，工作傾角的取值范圍為±20°。本次仿真采煤機(jī)建模所依據(jù)的參數(shù)如下頁表1所示。

表1 滾筒采煤機(jī)建模參數(shù)

圖1 采煤機(jī)工作角度示意圖

3 工作面角度對裝煤性能的影響研究

3.1 走向傾角對滾筒采煤機(jī)裝煤性能的影響

3.1.1 推擠裝煤

走向傾角的取值范圍為±10°。經(jīng)仿真分析可知，走向傾角對煤炭在X方向和Z方向的速度影響幾乎可以忽略不計，主要對煤炭顆粒Y方向的影響較為明顯。在采煤機(jī)推擠裝煤方式下不同走向傾角對煤炭顆粒Y方向的速度及煤炭顆粒裝運率的影響如圖2所示。

圖2 推擠裝煤下走向傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

如圖2所示，隨著走向傾角的增加對應(yīng)煤炭顆粒的平均速度呈線性增加趨勢；對應(yīng)的煤炭顆粒的裝運率也隨著走向傾角的增加而增加，且二者的變化趨勢幾乎一致。

3.1.2 拋射裝煤

走向傾角的取值范圍為±10°。經(jīng)仿真分析可知，走向傾角對煤炭在X方向和Z方向的速度影響幾乎可以忽略不計，主要對煤炭顆粒Y方向的影響較為明顯[4]。不同走向傾角下對應(yīng)采煤機(jī)拋射裝煤方式下對煤炭顆粒Y方向的速度及煤炭顆粒裝運率如圖3所示。

如圖3所示，隨著走向傾角的增加對應(yīng)煤炭顆粒的平均速度呈線性增加趨勢；對應(yīng)的煤炭顆粒的裝運率也隨著走向傾角的增加而增加，且二者的變化趨勢幾乎一致。

對比圖2、圖3可知，同一走向傾角下拋射裝煤對應(yīng)的裝煤性能高于推擠裝煤。

圖3 拋射裝煤下走向傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

3.2 工作傾角對滾筒采煤機(jī)裝煤性能的影響

3.2.1 推擠裝煤

工作傾角的范圍為±20°。經(jīng)仿真分析可知，隨著工作傾角的增加對應(yīng)煤炭顆粒X方向的平均速度增大；對應(yīng)煤炭顆粒Y方向的平均速度減?。粚?yīng)煤炭顆粒X方向的平均速度處于無規(guī)則變化。為對比走向傾角與工作傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響差距，列出工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響，如圖4所示。

圖4 推擠裝煤下工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

對比圖2、圖4可知，工作傾角與走向傾角對裝煤性能的影響趨勢相反，而且走向傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響大于工作傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響。

3.2.2 拋射裝煤

工作傾角的范圍為±20°。經(jīng)仿真分析可知，隨著工作傾角的增加對應(yīng)煤炭顆粒X方向的平均速度增大；對應(yīng)煤炭顆粒Y方向的平均速度減小；對應(yīng)煤炭顆粒X方向的平均速度處于無規(guī)則變化。為對比走向傾角與工作傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響差距，列出工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響，如下頁圖5所示。

對比上頁圖3、圖5可知，工作傾角與走向傾角對裝煤性能的影響趨勢相反，而且走向傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響大于工作傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響[5]。

圖5 拋射裝煤下工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

4 結(jié)論

1）同等條件下的走向傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響因子大于工作傾角對采煤機(jī)裝煤性能的影響因子；

2）同等條件下，基于拋射裝煤理論的性能優(yōu)于基于推擠裝煤理論的性能；

3）隨著工作面傾角的增大，對應(yīng)裝煤性能降低；隨著走向傾角的增大，對應(yīng)裝煤性能增大。