喬雙樹

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033000）

引言

目前，在中功率淺層地下采煤，普遍采用螺桿式窄捕集采煤機(jī)，其特點(diǎn)是既能進(jìn)行大規(guī)模破壞作業(yè)，又能將煤從破壞區(qū)卸到輸送機(jī)上，設(shè)計(jì)簡單，工作可靠。螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用理論是以螺旋輸送機(jī)力理論的主要原理為基礎(chǔ)。確定剪切機(jī)螺桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何和結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作模式的方法和規(guī)范材料是基于對(duì)非真實(shí)樣品、模型的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果以及在生產(chǎn)條件下廣泛測試的結(jié)果。專家指出，隨著采礦過程強(qiáng)度地增加，采煤機(jī)螺旋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的弊端更加明顯的表現(xiàn)出來，滯后螺桿對(duì)土壤地清洗加劇、煤在氣流中的循環(huán)和伴隨研磨增加、易揮發(fā)、有害衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的微細(xì)粉塵的形成加劇和爆炸、增加了比能耗[1-4]。因此，改進(jìn)煤的卸煤工藝，滯后于螺桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將其從破壞區(qū)卸到井下輸送機(jī)上是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。作為研究對(duì)象的課題考慮的過程主要特征是由外部因素和內(nèi)部因素決定，外部因素包括采礦和地質(zhì)條件、已開發(fā)地層的強(qiáng)度參數(shù)和處理工程的工藝參數(shù)。下面著重說明內(nèi)部因素對(duì)加載過程的影響。

1 材料和方法

內(nèi)部因素對(duì)研究過程有重要影響，其中包括螺桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)、采煤機(jī)和采煤機(jī)機(jī)械化復(fù)合體的一般參數(shù)和工作模式。幾何參數(shù)包括降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直徑、直徑的螺桿中心、葉片距繞組、螺旋葉片厚度、螺旋葉片的數(shù)目、葉片間填充系數(shù)螺旋輸送器的參數(shù)門齒的安排、加載窗口的截面積、螺旋距輸送機(jī)的距離、裝載空間的形狀和尺寸、輸送機(jī)的高度等。剪切機(jī)和處理機(jī)械化綜合設(shè)備的工作參數(shù)包括進(jìn)給速度和切割速度、輸送或鏈條速度。這些參數(shù)的值通常取決于外部條件、復(fù)雜機(jī)械化工作面的工作組織、采煤機(jī)建立的工作模式，并在一定范圍內(nèi)有所變化。例如在設(shè)計(jì)作業(yè)期間，表征煤體的一些參數(shù)的值隨著挖掘具有確定性變化，可以用平均值（期望值）表示，其他參數(shù)的形成具有隨機(jī)性，可以用離散度、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和光譜表示。

煤炭從數(shù)組中分離，卸載破壞質(zhì)量的螺旋葉片，被動(dòng)摧毀了大規(guī)?？臻g區(qū)域之間的螺旋輸送機(jī)側(cè)和輸送機(jī)上的貨物流的形成，機(jī)械本質(zhì)是不同的，影響這些進(jìn)程因素的數(shù)量及其影響這些進(jìn)程的性質(zhì)。因此，這些過程具有多因素和復(fù)雜性，需要對(duì)其進(jìn)行分析，以確定特征，并在考慮這些過程的四個(gè)空間區(qū)域內(nèi)分別進(jìn)行改進(jìn)。

每一個(gè)過程，由于其物理和力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，且影響因素的數(shù)量多，因此本文采煤機(jī)裝煤到工作面輸送機(jī)的過程進(jìn)行建模，對(duì)生產(chǎn)效率和比熱耗進(jìn)行分析，探明輸送機(jī)角度、速度變化對(duì)煤流的運(yùn)動(dòng)阻力，煤流循環(huán)的影響。

2 結(jié)果與討論

影響裝煤效率最重要的參數(shù)包括螺旋鉆和裝卸設(shè)備幾何、結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)。正是這些參數(shù)可以隨著煤在輸送機(jī)裝載過程的改進(jìn)而改變。研究這種復(fù)雜的多因素過程最有效的方法是建模。建模是為了評(píng)估進(jìn)行裝煤過程的效率，輸送機(jī)改變參數(shù)；加載窗口的橫截面積尺寸，螺旋輸送機(jī)之間的差距，螺旋輸送機(jī)的進(jìn)給速度和葉片的角度。在仿真中使用了EDEM 3D程序。以生產(chǎn)率、比能耗、粒徑分布為工藝效率指標(biāo)，評(píng)價(jià)加載過程中巖體的二次磨礦。

考慮到螺旋執(zhí)行器的直徑為1 800 mm，建模時(shí)參數(shù)變化的范圍為：螺釘加載窗口的截面積為0.55 ～1.00 m2；螺旋與輸送機(jī)之間的間隙為250～450 mm；聯(lián)合進(jìn)給速度從2～6 m/min；螺旋葉片的螺旋角度為16°、18°、20°、22°、24°。

在仿真過程中，如表1 所示設(shè)計(jì)參數(shù)采用如下值：螺桿直徑1 800 mm；輪轂直徑600 mm；螺旋葉片螺旋角度α=20°；葉片數(shù)3；葉片厚度50 mm；工作寬度-800 mm；輸送距hk=350 mm；輸送機(jī)盤寬800mm；變速箱壁高350 mm；螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min。表征煤體分散質(zhì)量的參數(shù)值為平均粒徑30 mm；分散質(zhì)量中顆粒的摩擦系數(shù)0.8；顆粒在金屬上的摩擦系數(shù)為0.6，材料在塊體中的休止角ρ=350°。在建模過程中，將煤裝到輸送機(jī)帶滯后螺桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)的性能由以下公式確定：

表1 螺旋執(zhí)行器參數(shù)變化

式中：M 為裝載到輸送機(jī)上的煤的質(zhì)量，kg；t 為時(shí)間，s。

結(jié)果表明加載窗口橫截面積的增加會(huì)顯著增加輸送機(jī)的生產(chǎn)率（見圖1）。距離越大的螺旋輸送機(jī)傳動(dòng)裝置，由于交配的單位設(shè)備的布局特征，煤流裝載到輸送機(jī)上時(shí)，阻力越大。被破壞物料到輸送機(jī)的移動(dòng)路徑越短，裝載過程的效率越高。然而，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)的剪切機(jī)和輸送機(jī)中，這個(gè)距離是300 mm 或更多。由于其布局的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，減少螺旋和輸送機(jī)之間的這種差距是困難的。裝載通道長度分析和比較分析仿真結(jié)果（見圖2），在此之前，在螺旋輸送機(jī)的進(jìn)給速率增加，加載過程強(qiáng)度（生產(chǎn)力）增加，（見圖3），因此，在選擇輸送機(jī)運(yùn)行方式（給料速度）時(shí)，要考慮到工藝指標(biāo)的值：分煤能力、裝載量、扭矩和比能耗（見圖4）。裝載煤炭到輸送機(jī)的過程可以表示為一個(gè)拋物線，加載強(qiáng)度在螺旋葉片彎曲角的范圍的實(shí)際值16°～24°（見圖5）。在這種情況下，19.2°是最大生產(chǎn)率對(duì)應(yīng)于螺旋葉片的角度。

圖1 生產(chǎn)率與加載窗口截面積的關(guān)系

圖2 生產(chǎn)率與加載窗口的長度關(guān)系

圖3 生產(chǎn)率與進(jìn)料速度的關(guān)系

圖4 裝載到輸送機(jī)上的煤的體積隨時(shí)間的關(guān)系

圖5 螺旋角度與生產(chǎn)率的關(guān)系

3 結(jié)語

提高裝載過程的效率只能通過一個(gè)全面的技術(shù)解決方案來實(shí)現(xiàn)，該解決方案提供了減少煤流運(yùn)動(dòng)阻力，減少循環(huán)，并在輸送機(jī)上形成了合理的煤流斷面；加載窗口的橫截面積增加到0.55～1.00 m2導(dǎo)致加載性能增加了1.73 倍，增加螺釘和輸送機(jī)之間的差距減少了2.28 倍，加載性能由于間歇被動(dòng)區(qū)電阻；進(jìn)料速度增加3 倍，加載性能提高1.45 倍；輸送機(jī)上裝煤的最大生產(chǎn)率對(duì)應(yīng)于螺旋葉片的角度為19.2°。