王志強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大同地煤公司青磁窯煤礦， 山西 大同 037000）

煤炭在我國(guó)的能源消費(fèi)中占比較大，隨著對(duì)煤炭資源的不斷開(kāi)采使用，近年來(lái)優(yōu)質(zhì)煤炭資源越來(lái)越少，人們對(duì)薄煤層的開(kāi)采越來(lái)越重視。由于薄煤層開(kāi)采過(guò)程中的空間受限較多，對(duì)設(shè)備的要求高，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，使得薄煤層的開(kāi)采長(zhǎng)期處于次要地位[1]，開(kāi)采水平較低。隨著采煤機(jī)設(shè)備的逐漸發(fā)展，滾筒式采煤機(jī)以其良好的適用性被應(yīng)用于薄煤層的開(kāi)采，提高了薄煤層開(kāi)采的效率，但薄煤層采煤機(jī)的裝煤效果較差[2]，成為影響薄煤層開(kāi)采效率的主要因素。在薄煤層的開(kāi)采中，工作面傾角的不同對(duì)采煤機(jī)的裝煤量具有重要的影響。為提高薄煤層采煤機(jī)的裝煤效果，增加煤礦的開(kāi)采效率[3]，針對(duì)不同的工作面傾角對(duì)裝煤量的影響作用進(jìn)行仿真分析，從而優(yōu)化開(kāi)采過(guò)程中工作面傾角的設(shè)計(jì)及選擇，為薄煤層的高效開(kāi)采提供指導(dǎo)。

1 不同工作面傾角采煤模型的建立

薄煤層采煤機(jī)在進(jìn)行采煤裝煤的過(guò)程中，依據(jù)裝煤形式的不同，可以分為拋射裝煤及推擠裝煤[4]。拋射裝煤指采煤機(jī)滾筒的截割方向與煤巖的截落方向相反，在逆轉(zhuǎn)的過(guò)程中形成裝煤。拋射裝煤過(guò)程中，落煤在螺旋滾筒的作用下在中部區(qū)域形成的煤量最多，在滾筒葉片的作用下完成裝煤。推擠裝煤指采煤機(jī)滾筒的截割方向與煤巖的截落方向一致，在滾筒順轉(zhuǎn)的過(guò)程中形成裝煤[5]。推擠裝煤過(guò)程中，落煤在自重及滾筒葉片及截齒的作用下，落煤大多堆積在底部，完成裝煤。拋射裝煤及推擠裝煤的作用區(qū)域不同，形成的裝煤量不同，現(xiàn)對(duì)兩種裝煤方式分別進(jìn)行模擬分析。

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層的賦存條件及地質(zhì)因素的影響作用，實(shí)際的工作面常與水平面有一定的角度，使得煤巖在開(kāi)采過(guò)程中受到的重力作用而不一定垂直于采煤機(jī)的牽引方向[6]，從而造成采煤機(jī)裝煤量的不同。采煤機(jī)的行進(jìn)方向與水平面之間的夾角稱(chēng)為工作面傾角。薄煤層開(kāi)采中工作面傾角的適用范圍一般為-20°～20°，在該范圍內(nèi)，建立工作面傾角的仿真模型，對(duì)裝煤量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[7]。

采用PFC 離散元仿真軟件，對(duì)薄煤層的開(kāi)采進(jìn)行建模，利用球形顆粒作為模擬煤層的離散單元，通過(guò)接觸模型來(lái)確定顆粒間的相互運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層變化的模擬[8]。設(shè)定滾筒直徑為600 mm，截深530 mm，葉片的直徑為500 mm，設(shè)定6 種不同顏色的顆粒對(duì)不同截深的煤巖進(jìn)行模擬，其中橘黃色顆粒厚度為30 mm，其余均為100 mm，采用顆粒直徑為30 mm 的球形顆粒，設(shè)定顆粒間的摩擦系數(shù)為0.8，墻體的摩擦系數(shù)為0.6，建立工作面推擠裝煤的模型如圖1 所示。

圖1 滾筒推擠裝煤模型

在圖1 中，在滾筒的末端設(shè)置臺(tái)階、安裝接料板，輸出的煤落入到接料板中，避免煤炭的堆積對(duì)裝煤量造成影響。采煤機(jī)滾筒的牽引方向?yàn)檠刂鳻 軸方向，滾筒軸心與Y 軸平行，通過(guò)設(shè)定重力的坐標(biāo)來(lái)改變工作面傾角的方向，設(shè)定滾筒的牽引速度為3.6 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速為90 r/min。選擇工作面傾角分別為-20°、-10°、0°、10°、20°[9]，對(duì)裝煤過(guò)程進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)有效輸出顆粒的累積質(zhì)量。拋射裝煤的模型與推擠裝煤相似，僅改變滾筒的牽引方向[10]。

2 工作面傾角對(duì)裝煤量的影響作用分析

2.1 推擠裝煤工作面傾角結(jié)果分析

對(duì)推擠裝煤過(guò)程進(jìn)行模擬，如下頁(yè)圖2 所示為在工作面傾角為-20°時(shí)不同截深的顆粒分布模型。改變工作面傾角時(shí)，顆粒的分布隨之變化。對(duì)不同工作面傾角下滾筒進(jìn)行推擠裝煤形成的顆粒累積質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如下頁(yè)圖3 所示的不同時(shí)間時(shí)裝煤量在不同工作面傾角下的變化曲線。

圖2 -20°工作面傾角下的煤巖顆粒的分布

圖3 裝煤量在不同工作面傾角下的變化曲線（推擠裝煤）

從圖3 中可以看出，隨著裝煤時(shí)間的增長(zhǎng)，顆粒累積的質(zhì)量逐漸增加，即裝煤量增加，在不同的工作面傾角下，隨著工作面傾角的增大，顆粒累積質(zhì)量呈逐漸減小的趨勢(shì)。在不同的工作面傾角下，滾筒后半側(cè)進(jìn)行截割后的顆粒在滾筒的作用下具有不同的速度。當(dāng)工作面傾角較大時(shí)，滾筒的后半側(cè)的煤巖顆粒在葉片作用下具有較大的初始速度，飛向滾筒后側(cè)較遠(yuǎn)的位置，僅有少部分的顆粒落在滾筒的前側(cè)，形成循環(huán)煤。當(dāng)工作面傾角為-20°時(shí)，滾筒包裹的顆粒大多被帶到滾筒的前側(cè)，形成循環(huán)煤，在不斷進(jìn)行裝煤過(guò)程中，形成的顆粒累積質(zhì)量較大，即裝煤量較大[11]。對(duì)比工作面傾角-20°時(shí)的裝煤量與工作面傾角20°時(shí)的裝煤量，后者與前者相差1.74 倍。

2.2 拋射裝煤工作面傾角結(jié)果分析

改變采煤機(jī)作業(yè)的牽引方向，對(duì)拋射裝煤過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)不同工作面傾角下滾筒進(jìn)行拋射裝煤形成的顆粒累積質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖4 所示的不同時(shí)間時(shí)裝煤量在不同工作面傾角下的變化曲線。

圖4 裝煤量在不同工作面傾角下的變化曲線（拋射裝煤）

從圖4 中可以看出，隨著裝煤時(shí)間的增長(zhǎng)，顆粒累積的質(zhì)量逐漸增加，即裝煤量增加，在不同的工作面傾角下，隨著工作面傾角的變化，拋射裝煤顆粒累積質(zhì)量相差不大，傾角為-20°時(shí)的顆粒累積質(zhì)量最大，傾角為-10°時(shí)的顆粒累積質(zhì)量次之，其余傾角下的顆粒累積質(zhì)量基本接近。在不同的工作面傾角下，煤巖顆粒在滾筒作用下拋射的速度具有較大的區(qū)別，隨著工作面傾角的減小，被拋射的煤巖顆粒逐漸減小，但煤巖顆粒的拋出狀態(tài)隨著煤巖傾角的減小逐漸由分散拋出的狀態(tài)變?yōu)閳F(tuán)簇狀拋出，從而提高了顆粒累積質(zhì)量。當(dāng)工作面傾角較小時(shí)，因重力的作用指向滾筒的前側(cè)，使得落煤顆粒沿著葉片的邊緣運(yùn)動(dòng)，在離心力的作用下，造成煤巖顆粒向著葉片的邊緣逐漸集中[12]，使得煤巖顆粒逐漸形成團(tuán)簇狀而拋出完成裝煤，形成的裝煤量較大。

3 結(jié)論

1）滾筒式采煤機(jī)在進(jìn)行薄煤層的開(kāi)采過(guò)程中，由于客觀條件的限制，使得采煤機(jī)的裝煤性能成為制約開(kāi)采效率的主要問(wèn)題。

2）針對(duì)工作面傾角對(duì)采煤作業(yè)裝煤量的影響進(jìn)行分析，在兩種不同的裝煤方式中，工作面傾角的不同對(duì)推擠裝煤量的影響顯著，對(duì)拋射裝煤量的影響較小。

3）在推擠裝煤中，隨著工作面傾角的增加，裝煤量呈逐漸減小的趨勢(shì)，工作面傾角為-20°時(shí)的裝煤量是20°時(shí)的1.74 倍；而在拋射裝煤中，裝煤量的整體差值不大，僅在-20°傾角時(shí)的裝煤量較大。

4）在進(jìn)行薄煤層的開(kāi)采過(guò)程中，可據(jù)此進(jìn)行工作面傾角的設(shè)計(jì)選擇，從而提高采煤機(jī)的裝煤量，提高薄煤層的開(kāi)采效率。