采煤作業中不同工作面傾角對裝煤量的影響分析

王志強

（晉能控股煤業集團大同地煤公司青磁窯煤礦， 山西 大同 037000）

煤炭在我國的能源消費中占比較大，隨著對煤炭資源的不斷開采使用，近年來優質煤炭資源越來越少，人們對薄煤層的開采越來越重視。由于薄煤層開采過程中的空間受限較多，對設備的要求高，且勞動強度大，使得薄煤層的開采長期處于次要地位[1]，開采水平較低。隨著采煤機設備的逐漸發展，滾筒式采煤機以其良好的適用性被應用于薄煤層的開采，提高了薄煤層開采的效率，但薄煤層采煤機的裝煤效果較差[2]，成為影響薄煤層開采效率的主要因素。在薄煤層的開采中，工作面傾角的不同對采煤機的裝煤量具有重要的影響。為提高薄煤層采煤機的裝煤效果，增加煤礦的開采效率[3]，針對不同的工作面傾角對裝煤量的影響作用進行仿真分析，從而優化開采過程中工作面傾角的設計及選擇，為薄煤層的高效開采提供指導。

1 不同工作面傾角采煤模型的建立

薄煤層采煤機在進行采煤裝煤的過程中，依據裝煤形式的不同，可以分為拋射裝煤及推擠裝煤[4]。拋射裝煤指采煤機滾筒的截割方向與煤巖的截落方向相反，在逆轉的過程中形成裝煤。拋射裝煤過程中，落煤在螺旋滾筒的作用下在中部區域形成的煤量最多，在滾筒葉片的作用下完成裝煤。推擠裝煤指采煤機滾筒的截割方向與煤巖的截落方向一致，在滾筒順轉的過程中形成裝煤[5]。推擠裝煤過程中，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域不同，形成的裝煤量不同，現對兩種裝煤方式分別進行模擬分析。

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

采用PFC 離散元仿真軟件，對薄煤層的開采進行建模，利用球形顆粒作為模擬煤層的離散單元，通過接觸模型來確定顆粒間的相互運動，實現對煤層變化的模擬[8]。設定滾筒直徑為600 mm，截深530 mm，葉片的直徑為500 mm，設定6 種不同顏色的顆粒對不同截深的煤巖進行模擬，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，設定顆粒間的摩擦系數為0.8，墻體的摩擦系數為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，在滾筒的末端設置臺階、安裝接料板，輸出的煤落入到接料板中，避免煤炭的堆積對裝煤量造成影響。采煤機滾筒的牽引方向為沿著X 軸方向，滾筒軸心與Y 軸平行，通過設定重力的坐標來改變工作面傾角的方向，設定滾筒的牽引速度為3.6 m/min，滾筒轉速為90 r/min。選擇工作面傾角分別為-20°、-10°、0°、10°、20°[9]，對裝煤過程進行模擬，統計有效輸出顆粒的累積質量。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 工作面傾角對裝煤量的影響作用分析

2.1 推擠裝煤工作面傾角結果分析

對推擠裝煤過程進行模擬，如下頁圖2 所示為在工作面傾角為-20°時不同截深的顆粒分布模型。改變工作面傾角時，顆粒的分布隨之變化。對不同工作面傾角下滾筒進行推擠裝煤形成的顆粒累積質量進行統計，得到如下頁圖3 所示的不同時間時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，隨著裝煤時間的增長，顆粒累積的質量逐漸增加，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，顆粒累積質量呈逐漸減小的趨勢。在不同的工作面傾角下，滾筒后半側進行截割后的顆粒在滾筒的作用下具有不同的速度。當工作面傾角較大時，滾筒的后半側的煤巖顆粒在葉片作用下具有較大的初始速度，飛向滾筒后側較遠的位置，僅有少部分的顆粒落在滾筒的前側，形成循環煤。當工作面傾角為-20°時，滾筒包裹的顆粒大多被帶到滾筒的前側，形成循環煤，在不斷進行裝煤過程中，形成的顆粒累積質量較大，即裝煤量較大[11]。對比工作面傾角-20°時的裝煤量與工作面傾角20°時的裝煤量，后者與前者相差1.74 倍。

2.2 拋射裝煤工作面傾角結果分析

改變采煤機作業的牽引方向，對拋射裝煤過程進行模擬，對不同工作面傾角下滾筒進行拋射裝煤形成的顆粒累積質量進行統計，得到如圖4 所示的不同時間時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，隨著裝煤時間的增長，顆粒累積的質量逐漸增加，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量相差不大，傾角為-20°時的顆粒累積質量最大，傾角為-10°時的顆粒累積質量次之，其余傾角下的顆粒累積質量基本接近。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隨著煤巖傾角的減小逐漸由分散拋出的狀態變為團簇狀拋出，從而提高了顆粒累積質量。當工作面傾角較小時，因重力的作用指向滾筒的前側，使得落煤顆粒沿著葉片的邊緣運動，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簇狀而拋出完成裝煤，形成的裝煤量較大。

3 結論

1）滾筒式采煤機在進行薄煤層的開采過程中，由于客觀條件的限制，使得采煤機的裝煤性能成為制約開采效率的主要問題。

2）針對工作面傾角對采煤作業裝煤量的影響進行分析，在兩種不同的裝煤方式中，工作面傾角的不同對推擠裝煤量的影響顯著，對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，工作面傾角為-20°時的裝煤量是20°時的1.74 倍；而在拋射裝煤中，裝煤量的整體差值不大，僅在-20°傾角時的裝煤量較大。

4）在進行薄煤層的開采過程中，可據此進行工作面傾角的設計選擇，從而提高采煤機的裝煤量，提高薄煤層的開采效率。