石 佳，孫玉路，解國(guó)亮，侯生輝

（西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)的提高和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，導(dǎo)致煤炭需求以及原煤產(chǎn)量不斷增加，煤炭資源作為我國(guó)主體能源的戰(zhàn)略地位在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間依然不會(huì)動(dòng)搖。必須秉持煤炭資源綠色開(kāi)采、煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念，科學(xué)、安全、高效地進(jìn)行煤炭資源的開(kāi)發(fā)和利用。采煤機(jī)作為綜采成套裝備的主要設(shè)備之一，其高產(chǎn)量、高效率、低能耗對(duì)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。螺旋滾筒是采煤機(jī)破煤和裝煤的直接機(jī)構(gòu)，其裝煤性能對(duì)采煤機(jī)工作效率有直接影響。如果螺旋滾筒破煤之后不能實(shí)現(xiàn)有效裝煤，殘留的浮煤落在采空區(qū)需人工清理，影響綜采工作面生產(chǎn)效率，且受工作面氣流影響，易形成浮煤飛揚(yáng)，危害工作面人員身體健康，對(duì)工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。提高采煤機(jī)螺旋滾筒的裝煤性能，最大程度地消除工作面安全隱患，是螺旋滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題。

1 優(yōu)化采煤機(jī)螺旋滾筒裝煤性能研究背景意義

煤炭在我國(guó)一次性能源消耗中占比維持在70%左右，在我國(guó)煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中，地下開(kāi)采時(shí)煤層厚度1.3m 以下為薄煤層，在1.3～3.5m 的為中厚煤層，在3.5m 以上為厚煤層。其中中厚煤層在我國(guó)煤炭資源中占據(jù)著十分重要的位置，儲(chǔ)存量和生產(chǎn)量占我國(guó)煤炭資源總儲(chǔ)存量以及生產(chǎn)量的45%左右，所以中厚煤層是實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采的主力煤層，具有極大的研究?jī)r(jià)值。

近年來(lái)對(duì)滾筒采煤機(jī)的深入研究使其割煤能力已基本滿足工作要求，但裝煤性能差一直得不到有效解決，這是由于中厚煤層開(kāi)采地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜、滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的不匹配使大量煤體散落在非工作面造成的。而且散落在非工作面的煤體會(huì)形成浮煤，需要人工處理，人工處理時(shí)需要工作人員進(jìn)入機(jī)道工作，不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)工人的生命安全也造成一定威脅。加上中厚煤層一般采用雙滾筒循環(huán)往復(fù)采煤法，落煤量大，使裝煤性能差導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問(wèn)題、人力資源浪費(fèi)問(wèn)題更加嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了我國(guó)煤炭事業(yè)的發(fā)展[1]。因此，提高采煤機(jī)滾筒裝煤效率問(wèn)題對(duì)煤炭工業(yè)的可持續(xù)、高效化、現(xiàn)代化發(fā)展具有十分重大的戰(zhàn)略意義，是企業(yè)獲得經(jīng)濟(jì)效益的必然之舉。

2 采煤機(jī)滾筒裝煤機(jī)制研究

2.1 滾筒裝煤機(jī)制

采煤機(jī)滾筒是由端盤(pán)、葉片、簡(jiǎn)轂、截齒組合形成一種螺旋結(jié)構(gòu)。由采煤機(jī)滾筒截割落下來(lái)的煤都是形狀大小不一的煤顆?；旌衔?，這些煤顆粒單個(gè)受外力作用是可以保持特定形狀的固體，這些煤顆?；旌闲纬傻拿毫魇芡饬ψ饔皿w現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)介于固體與液體之間，具有流動(dòng)性，也容易堆積。螺旋葉片的主要作用是裝煤，由于煤流的這些獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，葉片間的煤顆粒受到螺旋葉片的軸向力會(huì)向刮板輸送機(jī)的中部槽的位置移動(dòng)[2]。煤體被滾筒截割落到螺旋葉片上，煤顆粒下落方向與螺旋葉片旋轉(zhuǎn)方向相同形成推擠裝煤現(xiàn)象，煤顆粒下落方向與螺旋葉片旋轉(zhuǎn)方向相反形成拋射裝煤現(xiàn)象。

2.2 推擠裝煤機(jī)制

滾筒截齒截割煤壁，煤顆粒下落方向與滾筒螺旋葉片旋轉(zhuǎn)方向相同，這種工況為推擠裝煤。大量煤顆粒堆積在葉片下端，采煤機(jī)滾筒順轉(zhuǎn)，使螺旋葉片對(duì)堆積的煤顆粒產(chǎn)生左下方的力，煤顆粒受到擠壓，隨著滾筒的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，煤顆粒與煤顆粒之間的相互作用，進(jìn)而向左下方運(yùn)動(dòng)，直至運(yùn)輸?shù)綕L筒外。

2.3 拋射裝煤機(jī)制

滾筒截齒截割煤壁，煤顆粒下落方向與滾筒螺旋葉片旋轉(zhuǎn)方向相反，這種工況為拋射裝煤。大量煤顆粒堆積在葉片上方，采煤機(jī)滾筒逆轉(zhuǎn)，使堆積在螺旋葉片上方的煤顆粒受到右上方的力，煤顆粒被向右上方拋出落入刮板輸送機(jī)中部槽，一部分沒(méi)有被拋出的煤顆粒堆積在葉片下端，受到葉片向右的軸向力，被螺旋葉片推送出滾筒[3]。

3 采煤機(jī)螺旋滾筒裝煤效率影響因素

3.1 滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)裝煤效率的影響

（1）葉片螺旋升角：葉片螺旋升角越大，排煤能力增強(qiáng)，但影響破煤能力，螺旋升角過(guò)小時(shí)，容易形成循環(huán)煤，造成煤體被反復(fù)破碎。合理的葉片螺旋升角會(huì)改善滾筒的裝煤效果。

（2）葉片頭數(shù)：葉片頭數(shù)增加，會(huì)增加滾筒的截煤性能，但是葉片頭數(shù)越多，會(huì)減少采煤機(jī)滾筒的容煤空間，影響滾筒的裝煤性能。葉片頭數(shù)一般為2～4，具體需要結(jié)合滾筒的直徑確定。

（3）葉片厚度：葉片厚度越厚，會(huì)減少滾筒容煤空間，但是葉片越薄，葉片在滾筒高速運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)被破壞，因此在保證葉片強(qiáng)度要求的條件下選取葉片厚度。

（4）滾筒直徑：截深一定時(shí)，滾筒直徑越大，裝煤性能越好，滾筒直徑受煤層采高限制，滾筒直徑一般為采高的0.6 倍。

（5）葉片外緣直徑：葉片外緣直徑與滾筒直徑差值越小，葉片與未截割煤壁間的間隙越小，顆粒從該間隙滑落或流出的概率越小。

（6）簡(jiǎn)轂直徑：簡(jiǎn)轂直徑越大，葉片的深度越小，滾筒的容煤空間越小，破碎煤在滾筒內(nèi)循環(huán)、重復(fù)破碎的可能性增大。

（7）截深：截深增大，會(huì)增加容煤空間，提高采煤機(jī)生產(chǎn)能力，減少回采循環(huán)系數(shù)，提高單刀產(chǎn)量，但是截深過(guò)大會(huì)不利于煤流的自然堆積裝煤，通常情況下滾筒截深一般小于1m，多采用0.6m，大功率采煤機(jī)可取0.8m 左右[4]。

3.2 滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)裝煤效率的影響

（1）滾筒轉(zhuǎn)向：外部工況環(huán)境相同時(shí)，根據(jù)滾筒裝煤機(jī)制，滾筒拋射裝煤比推擠裝煤裝效率高。

雙滾筒往復(fù)雙向采煤法即前后兩滾筒轉(zhuǎn)向相反，有反向?qū)D(zhuǎn)和正向?qū)D(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)方式。圖1 為采煤機(jī)自右向左割煤，左滾筒為前滾筒，右滾筒為后滾筒，正向?qū)D(zhuǎn)前滾筒順轉(zhuǎn)、后滾筒逆轉(zhuǎn)，反向?qū)D(zhuǎn)前滾筒逆轉(zhuǎn)、后滾筒順轉(zhuǎn)。

圖1 采煤機(jī)雙滾筒運(yùn)行狀態(tài)

在圖1 這種工況下，前滾筒推擠裝煤，后滾筒拋射裝煤的裝煤效果好。

（2）滾筒轉(zhuǎn)速：根據(jù)滾筒裝煤顆粒運(yùn)動(dòng)速度公式，轉(zhuǎn)速增加，會(huì)相應(yīng)地增加煤流的軸向速度，進(jìn)而影響滾筒的裝煤效率，煤流軸向速度增加，會(huì)使煤流更容易拋出，但是滾筒轉(zhuǎn)速增加到一定程度，會(huì)發(fā)生過(guò)拋現(xiàn)象，增加粉塵。

（3）牽引速度：牽引速度不屬于滾筒本身的固有參數(shù)，它是隨采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)滾筒獲得的一種牽連運(yùn)動(dòng)，但其大小與煤的推出力有關(guān)，影響滾筒單位時(shí)間內(nèi)的落煤量，進(jìn)而影響滾筒內(nèi)煤顆粒的充滿系數(shù)，當(dāng)葉片間的煤流大于滾筒的理論容量，會(huì)發(fā)生擁堵，影響滾筒裝煤效率[5]。

3.3 顆粒屬性對(duì)裝煤效率的影響

（1）摩擦力：煤顆粒與煤顆粒之間的摩擦力、煤顆粒與葉片之間的摩擦力都會(huì)影響滾筒的裝煤效率。

（2）煤顆粒大小：煤顆粒大小影響煤的粒度，煤的粒度影響螺旋輸送效率。

（3）煤顆粒濕度：煤的濕度相當(dāng)于煤的含水率，煤的含水率不同會(huì)影響煤顆粒與煤顆粒之間、煤顆粒與葉片之間的摩擦力，進(jìn)而影響裝煤效果。

（4）煤顆粒松散系數(shù)：松散系數(shù)又稱碎脹系數(shù)，是指截割后呈松散狀態(tài)煤的體積與截割前煤的自然狀態(tài)下原有體積之比。煤的松散度越高，采煤機(jī)截落下的單位體積煤層的煤量就越多，對(duì)滾筒裝載能力的要求也就越高。

（5）煤顆粒孔隙率：煤的孔隙性是指不同形狀、不同大小的煤顆粒之間存有間隙的現(xiàn)象，可用一定容積煤中孔隙體積與總體積的比值，即孔隙率來(lái)表示?？紫堵试礁?，煤的松散度也就越高，采煤機(jī)截落的單位重量煤的體積就越大，對(duì)滾筒輸煤空間的要求越高。

4 基于離散元法的螺旋滾筒裝煤性能

采煤機(jī)滾筒主要作用是截煤和割煤，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采煤機(jī)功率的不斷增加，滾筒截齒截煤的能力明顯提高，但是因?yàn)楣r環(huán)境的惡劣，煤層采高比較高，一次截割煤量以及落煤量大，煤體大量散落工作面機(jī)道，采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)以及滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的不匹配，使裝煤效率問(wèn)題突出。

目前，螺旋滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要采用有限元法和二維離散元法。而離散元方法作為一種新型的散料分析法，研究滾筒裝煤效率具有一定的可行性，而且投入少，效果明顯，具有很大的經(jīng)濟(jì)適用性。

離散元方法（簡(jiǎn)稱DEM）是一種專門(mén)用來(lái)解決不連續(xù)問(wèn)題的數(shù)值模擬方法，是由美國(guó)學(xué)者在1971 年最早提出，最早用來(lái)模擬巖石的構(gòu)造。離散元方法基于牛頓定理，模擬顆粒間、顆粒與墻體間非線性相互作用，從而確定顆粒后續(xù)的行為軌跡，一經(jīng)提出就得到了大量學(xué)者的關(guān)注。最常見(jiàn)的離散元軟件由EDEM、PFC，在巖土工程以及機(jī)械工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有研究大多基于單一或部分因素對(duì)螺旋滾筒進(jìn)行優(yōu)化，未綜合考慮螺旋滾筒設(shè)計(jì)變量對(duì)裝煤性能的影響。而螺旋滾筒設(shè)計(jì)變量多，難以同時(shí)得到滾筒幾何參數(shù)及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的最優(yōu)解。針對(duì)該問(wèn)題，本文基于煤的物理力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果，建立了螺旋滾筒截割煤壁耦合模型；對(duì)采用不同設(shè)計(jì)變量時(shí)的螺旋滾筒模型進(jìn)行裝煤性能仿真，得到滾筒設(shè)計(jì)變量對(duì)裝煤性能的影響規(guī)律；基于正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)螺旋滾筒的三因素三水平正交試驗(yàn)，得到螺旋滾筒最優(yōu)幾何參數(shù)和截割策略。

4.1 煤物理力學(xué)特性測(cè)試

選取切割機(jī)將煤樣切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用搗碎法、比重瓶和烘干法測(cè)試煤樣的物理特性。測(cè)得煤樣密度為1325.5kg/m3，天然含水率為8.63%，孔隙率為9.53%，堅(jiān)固性系數(shù)為2.0，彈性模量為4388MPa，泊松比為0.23。

選取電阻應(yīng)變片和微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試煤樣的力學(xué)特性測(cè)得煤樣抗拉強(qiáng)度為1.08MPa，抗壓強(qiáng)度為17.71MPa。

4.2 滾筒截割煤壁耦合模型建立

基于煤樣物理力學(xué)特性測(cè)試數(shù)據(jù)，采用離散元分析軟件EDEM 建立煤壁。以MG400/950 型采煤機(jī)為研究對(duì)象，為使?jié)L筒裝煤性能最優(yōu)且不堵塞葉片，選取2頭的TY1150 型順序式排列螺旋滾筒，截割方式為拋射截割。建立螺旋滾筒截割煤壁耦合模型。

4.3 裝煤性能仿真

設(shè)置EDEM 仿真步長(zhǎng)為0.1s，仿真時(shí)間為10s；采煤機(jī)牽引速度為4m/min，滾筒轉(zhuǎn)速為58r/min。仿真得到的采煤機(jī)螺旋滾筒裝煤效果如圖2 所示。

對(duì)采煤機(jī)螺旋滾筒裝煤效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將煤顆粒落在刮板輸送機(jī)上的有效裝煤區(qū)域定義為區(qū)域Ⅰ，落在刮板輸送機(jī)以外的其他區(qū)域定義為區(qū)域Ⅱ，如圖3 所示。

圖3 螺旋滾筒裝煤效果統(tǒng)計(jì)

采煤機(jī)裝煤率為落在區(qū)域Ⅰ的煤質(zhì)量與截落的所有煤質(zhì)量之比。利用EDEM 后處理模塊統(tǒng)計(jì)采煤機(jī)裝煤率，可知該工況下裝煤顆粒數(shù)為8028，未成功裝煤顆粒數(shù)為5225，裝煤率為60.57%。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于煤的物理力學(xué)特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果，采用離散元分析軟件EDEM 構(gòu)建了采煤機(jī)螺旋滾筒截割煤壁耦合模型，仿真得到螺旋滾筒截割煤層時(shí)的裝煤性能數(shù)據(jù)。利用顆粒離散元方法，對(duì)采煤機(jī)滾筒裝煤過(guò)程進(jìn)行研究，詳細(xì)分析各影響因素的影響機(jī)制以及影響規(guī)律，提高采煤機(jī)裝煤性能。