采煤機作業(yè)運動參數(shù)對截割阻力的影響研究

孟建杰

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司，山西 朔州 038300）

引言

我國主要采用滾筒采煤機進行煤炭的綜采作業(yè)，滾筒作為采煤機的重要部件，在開采過程中，滾筒受到的截割阻力的大小對于煤層的開采效率及穩(wěn)定性、塊煤率等具有重要的影響[1]。由于煤巖的存在，不同的煤巖界面應(yīng)采取不同的采煤機滾筒運動參數(shù)，從而減輕截割阻力的作用，提高開采效率及采煤機的可靠性。采用試驗分析的方式模擬滾筒運動參數(shù)變化時對截割阻力的影響作用，從而為含煤巖界面的煤層開采提供指導(dǎo)，提高采煤機的作業(yè)效率及穩(wěn)定性[2]。

1 采煤機煤巖截割試驗系統(tǒng)的搭建

隨著煤炭開采形式的變化，采用采煤機對含有煤巖界面的復(fù)雜煤層進行開采，對于采煤機滾筒的作業(yè)提出了更高的要求。采用試驗分析的方式對截割阻力進行模擬，制取一定的煤巖樣品。在某開采中煤礦選擇一定的煤巖材料，在其工作面位置的煤層、夾矸層及斷層處各選取一定的試樣。采用鉆芯機獲得相應(yīng)的試塊，保證試件的高徑比為2∶1，將試樣制成100 mm 的圓柱塊備用[3]。模擬煤層的配置，采用粉煤、水泥的不同比例進行截割材料的配置，并混合不同比例的沙及水泥模擬不同的砂巖。

采用煤巖截割試驗臺對采煤機滾筒的截割過程進行模擬，試驗臺主要包括截割臺系統(tǒng)和截割測試系統(tǒng)兩部分[4]。截割臺系統(tǒng)模擬滾筒的截割過程，采用變頻電機帶動滾筒進行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并通過液壓缸的作用帶動滾筒的牽引，采用變量泵的形式實現(xiàn)滾筒牽引速度的調(diào)節(jié)。截割測試系統(tǒng)采用三維力傳感器進行截齒載荷作用的實時測量，并將測得的數(shù)據(jù)進行存儲讀取，獲得單個截齒截割煤巖的截割阻力的大小。

對采煤機的運動參數(shù)進行分析，將滾筒的轉(zhuǎn)速及牽引速度進行單獨分析，設(shè)定采用齒尖尖角為75°、齒身錐角為20°的鎬形截齒進行截割試驗，滾筒的直徑為480 mm，采用變頻電機調(diào)整滾筒的轉(zhuǎn)速，液壓變量泵調(diào)節(jié)滾筒的牽引速度，分別選取滾筒的轉(zhuǎn)速為45 r/min、60 r/min、90 r/min、120 r/min，牽引速度為0.3 m/min、0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min，由此分別進行不同滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度下的截割阻力的試驗分析。

2 采煤機作業(yè)運動參數(shù)對截割阻力的影響分析

2.1 采煤機滾筒轉(zhuǎn)速對截割阻力的影響

在上述的試驗條件下，設(shè)定滾筒的牽引速度為0.6 m/min，在45 r/min、60 r/min、90 r/min、120 r/min四種不同的滾筒轉(zhuǎn)速下，通過試驗過程分別進行多個周期的截割，對采集到的載荷作用進行提取，得到不同轉(zhuǎn)速下的載荷作用變化。由于滾筒轉(zhuǎn)速的不同，單次截割一周所需的時間不同，同時截割阻力的波動變化呈現(xiàn)一定的差異性。在進行單次截割的后期，由于滾筒的轉(zhuǎn)速較快，較大的沖擊力會造成煤巖體的大塊脫落，從而使得載荷作用急劇下降。在滾筒的轉(zhuǎn)速較小時，在單次截割的前期，其截割阻力的大小會呈現(xiàn)上升的趨勢，這是由于轉(zhuǎn)速較小時，截割對煤巖以擠壓破壞為主，所需消耗的能量較大，產(chǎn)生較大的截割阻力[5]。對四種不同轉(zhuǎn)速下的截割阻力的最大值及均值分別進行統(tǒng)計，可以得到如下頁圖1 所示的截割阻力與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。

從圖1 中可以看出，截割阻力的最大值及均值均順著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，截割阻力下降的幅度逐漸降低。這是由于煤巖材料屬于離散體，隨著轉(zhuǎn)速的增加，受到的沖擊作用會加大，使得煤巖易破碎，從而降低了截割阻力的作用；且煤巖的截割阻力還受到摩擦作用的影響，轉(zhuǎn)速越高時，則摩擦系數(shù)也降低，進一步影響截割阻力的大小[6]。

圖1 截割阻力與滾筒轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線

2.2 采煤機牽引速度對截割阻力的影響

在同樣的試驗條件下，設(shè)定采煤機滾筒的轉(zhuǎn)速為60 r/min，設(shè)定滾筒的牽引速度為0.3 m/min、0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min，不同的牽引速度分別對應(yīng)的截割厚度為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm。不同的牽引速度下對多個截割周期的截割過程進行試驗，對采集到的載荷作用進行提取，對不同牽引速度下的截割阻力的最大值及均值分別進行統(tǒng)計，以對應(yīng)的截割厚度為橫軸可以得到如圖2 所示的截割阻力與截割厚度的變化關(guān)系。

從圖2 中可以看出，隨著截割厚度的增加，即牽引速度的增加，則截割阻力的最大值和均值均增加，且隨著截割厚度的增加，截割阻力的變化近似呈現(xiàn)指數(shù)變化的趨勢，截割厚度越大，則波動越劇烈。這是因為在牽引速度增加時，導(dǎo)致煤巖的截割厚度增加，從而造成截割載荷的明顯增加。

圖2 截割阻力與截割厚度的變化關(guān)系曲線

3 結(jié)語

采煤機進行含煤巖界面的煤層截割時，相對易采煤層受到的截割阻力更大，這給煤炭開采的效率及穩(wěn)定性提出了較高的挑戰(zhàn)。采煤機的運動參數(shù)對煤巖的截割阻力具有重要的影響，采用試驗分析的方式對采煤機的滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度對截割阻力的影響作用進行分析研究，從而為實際中采煤機參數(shù)的選取提供參考，提高采煤機的截割效率。