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)

0 引 言

采煤機(jī)是進(jìn)行煤礦綜采的重要設(shè)備，采煤機(jī)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(huì)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(jī)進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，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(jī)的作業(yè)效率及截割性能是近年來研究的熱點(diǎn)，筆者以截割厚度作為采煤機(jī)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(shí)的截割性能進(jìn)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(jì)效益。

1 不同截割厚度煤巖截割的模型

采煤機(jī)在進(jìn)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?zèng)Q定，改變截割厚度的大小，需同時(shí)對牽引速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整實(shí)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(shí)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(jī)截割阻力穩(wěn)定，減少?zèng)_擊，從而可以提高采煤機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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

2 不同截割厚度煤巖截割性能分析

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(jìn)行模擬，并對煤巖的破碎率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)的塊煤率增加。在截割厚度為1 cm時(shí)，破碎率的最大斜率值較小，這表明此時(shí)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(jìn)行[6]。當(dāng)截割厚度增加時(shí)，在1～3 cm時(shí)，破碎率的斜率變化不大，而增加到5～7 cm時(shí)，則破碎率的平均斜率增加較大，此時(shí)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(jìn)行。截割厚度小時(shí)，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(shí)，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(shí)際進(jìn)行采煤機(jī)作業(yè)時(shí)，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(shí)，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(jī)的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速實(shí)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

3 總 結(jié)

采煤機(jī)是進(jìn)行綜合機(jī)械化采煤作業(yè)的重要設(shè)備，采煤機(jī)的效率對于煤礦的開采效率具有重要的影響。

采煤機(jī)截齒進(jìn)行截割的過程相對復(fù)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(jìn)行截割的過程，是動(dòng)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(jìn)行模擬，對煤巖的破碎率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)的塊煤率隨之增加。在截割厚度為5～7 cm時(shí)，煤巖的破碎率斜率增加較大。在采煤實(shí)際工作時(shí)，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(jī)的截割效率，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。