采煤機(jī)作業(yè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割阻力的影響研究

孟建杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(jī)進(jìn)行煤炭的綜采作業(yè)，滾筒作為采煤機(jī)的重要部件，在開采過程中，滾筒受到的截割阻力的大小對(duì)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(jī)滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而減輕截割阻力的作用，提高開采效率及采煤機(jī)的可靠性。采用試驗(yàn)分析的方式模擬滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化時(shí)對(duì)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(jī)的作業(yè)效率及穩(wěn)定性[2]。

1 采煤機(jī)煤巖截割試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

隨著煤炭開采形式的變化，采用采煤機(jī)對(duì)含有煤巖界面的復(fù)雜煤層進(jìn)行開采，對(duì)于采煤機(jī)滾筒的作業(yè)提出了更高的要求。采用試驗(yàn)分析的方式對(duì)截割阻力進(jìn)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(jī)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(jìn)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(yàn)臺(tái)對(duì)采煤機(jī)滾筒的截割過程進(jìn)行模擬，試驗(yàn)臺(tái)主要包括截割臺(tái)系統(tǒng)和截割測(cè)試系統(tǒng)兩部分[4]。截割臺(tái)系統(tǒng)模擬滾筒的截割過程，采用變頻電機(jī)帶動(dòng)滾筒進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并通過液壓缸的作用帶動(dòng)滾筒的牽引，采用變量泵的形式實(shí)現(xiàn)滾筒牽引速度的調(diào)節(jié)。截割測(cè)試系統(tǒng)采用三維力傳感器進(jìn)行截齒載荷作用的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)讀取，獲得單個(gè)截齒截割煤巖的截割阻力的大小。

對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，將滾筒的轉(zhuǎn)速及牽引速度進(jìn)行單獨(dú)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(jìn)行截割試驗(yàn)，滾筒的直徑為480 mm，采用變頻電機(jī)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(jìn)行不同滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度下的截割阻力的試驗(yàn)分析。

2 采煤機(jī)作業(yè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割阻力的影響分析

2.1 采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)截割阻力的影響

在上述的試驗(yàn)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(yàn)過程分別進(jìn)行多個(gè)周期的截割，對(duì)采集到的載荷作用進(jìn)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(shí)間不同，同時(shí)截割阻力的波動(dòng)變化呈現(xiàn)一定的差異性。在進(jìn)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(huì)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(shí)，在單次截割的前期，其截割阻力的大小會(huì)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是由于轉(zhuǎn)速較小時(shí)，截割對(duì)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(duì)四種不同轉(zhuǎn)速下的截割阻力的最大值及均值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(shì)，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(huì)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(shí)，則摩擦系數(shù)也降低，進(jìn)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(jī)牽引速度對(duì)截割阻力的影響

在同樣的試驗(yàn)條件下，設(shè)定采煤機(jī)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(duì)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(duì)多個(gè)截割周期的截割過程進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)采集到的載荷作用進(jìn)行提取，對(duì)不同牽引速度下的截割阻力的最大值及均值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以對(duì)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(shì)，截割厚度越大，則波動(dòng)越劇烈。這是因?yàn)樵跔恳俣仍黾訒r(shí)，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(jī)進(jìn)行含煤巖界面的煤層截割時(shí)，相對(duì)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(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)煤巖的截割阻力具有重要的影響，采用試驗(yàn)分析的方式對(duì)采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度對(duì)截割阻力的影響作用進(jìn)行分析研究，從而為實(shí)際中采煤機(jī)參數(shù)的選取提供參考，提高采煤機(jī)的截割效率。