復雜煤層條件下滾筒截割性能影響分析

劉 偉

（山西煤炭運銷集團蒲縣昊興塬煤業有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

采煤機中滾筒是最主要的組成部分，滾筒的截割性能在一定程度上對采煤機的開采效率有很大的影響。滾筒的截割性能與采煤的穩定性和裝煤的效率有非常大的關系，由于綜采在礦井開采中逐漸普遍，因此滾筒的作用以及其結構被不斷改進，達到提高生產力的目的，增加采煤機滾筒的截割能力。

1 切削厚度對滾筒截割性能的影響

在滾筒的牽引速度保持一定的條件下，若滾筒轉速不同，與之對應的切削厚度也不一樣，假定設置滾筒的轉速為65 r/min、75 r/min、85 r/min、95 r/min，則需要把切削厚度h 設置為5.40 mm、4.75 mm、4.20 mm、3.80 mm，然后用設置好的滾筒進行對煤巖的切割，來進行實驗，最終獲得隨著時間的變化滾筒的截割扭矩變化的曲線，如圖1 所示。通過對截割扭矩值進行匯總，并將數據進行統計、整理、處理，得到隨著切割厚度的變化截割扭矩的變化情況，如圖2 所示。從圖中可以觀察到，當切削厚度在逐漸增大時，截割扭矩也在增大，增加的速率還很快，由此可以得到一個結論：當滾筒的轉速發生變化時，滾筒的截割扭矩跟切削厚度是呈一定的指數變化。在滾筒截割過程中，引進截割比能耗的概念，即煤層截割所消耗的能量與煤層體積的比值，當截割比能耗越小時，截割效率就會越高，對滾筒造成的能量損失就會越小，從而對截割就越有利。截割過程的能量消耗很大程度是作用于破壞煤巖中，在滾筒不變的前提下，通過觀察切削厚度不同導致截割扭矩發生的變化和煤巖的質量的不同，得出了一個觀點：在滾筒參數不變的前提下，切削厚度變大，截割比能耗就會變小，并且變化情況是呈指數型增長，當滾筒的切削厚度變小，截割比耗能就會變大。綜上所述，滾筒的切削厚度對截割性能有著很大的影響，所以在開采煤礦之前，應當通過分析煤巖的性質，來確定滾筒的參數，根據截割扭矩和截割比耗能，增加采煤機的效率，更加高效的對煤礦進行開采[1]。

圖1 不同的切削厚度下截割扭矩隨時間推移的變化情況

圖2 截割扭矩隨切削厚度的變化情況

2 煤層傾角對滾筒截割性能的影響

在煤礦開采過程當中，采煤機煤層傾角往往不可忽略，它是由于地殼運動，導致工作面與水平面有了一個角度，這個就是采煤機煤層傾角，它包括了走向傾角和工作傾角，采煤機的滾筒軸向方向與水平面的夾角為走向傾角；采煤機的來回移動的方向與水平面夾角叫做工作傾角。通過對采煤機截割煤巖過程的觀察，來研究工作傾角和走向傾角對采煤機的裝煤率和截割比能耗的影響。當走向傾角越來越大，滾筒的裝煤率是在逐漸增大，走向傾角的變化導致了采煤機的傾斜方向的不同。走向傾角是負數時，截割下來的煤塊是朝著煤壁方向運動，由于內側的煤塊很難沿著滾筒的螺旋片落下，這就導致了許多煤塊或者煤塊顆粒跟隨滾筒到達了采空區，使得滾筒的裝煤率大幅度的降低，并且會增大滾筒的截割阻力，截割比能耗也會增加；走向傾角是正數時，截割下來的煤塊會沿著工作面落到刮板輸送機上，會使得刮板輸送機的負荷增大，角度過大時，滾筒會把截割下來的顆粒拋到刮板輸送機這邊，嚴重時造成人員的傷亡。當工作傾角越來越大時，滾筒的裝煤率逐漸減小，因為當工作傾角是正數時，其重力在某一個方向上是負值，并且是朝向滾筒后側，所以在滾筒和螺旋葉片的作用下，很多顆粒落不到刮板輸送機上，導致形成了堆積，大大降低了滾筒的裝煤率；當工作傾角是負數時，其重力在某一個方向上是正值，并且是朝向滾筒前側，大多數被截割下來的顆粒由于滾筒和螺旋葉片的作用會落到刮板輸送機上，大大提高了滾筒的裝煤率。可以得出結論：煤層傾角，無論是工作傾角還是走向傾角，其絕對值越大，截割比能耗就會越大，滾筒阻力也會增大；走向傾角越大，滾筒裝煤率就越大，工作傾角越小，滾筒裝煤率越大。通過研究發現，當滾筒走向傾角在5°左右、工作傾角在-10°左右的時候，其對滾筒的截割性能影響是最小的，滾筒的裝煤率也是比較高[2]。

3 轉速、截齒安裝角與齒尖尖角對滾筒截割性能的影響

轉速過高，使得滾筒的側向阻力變大；轉速過低，使得滾筒的截割阻力大幅度上升，所以應當采用50 r/min 左右的轉速來研究對滾筒的影響。截齒安裝角過高，使得滾筒的截割功率上升；而截齒安裝角過低，會導致滾筒的生產率降低，所以應當采用50°左右的截齒安裝角來研究截齒安裝角對滾筒的影響。截齒齒尖尖角過高，會使得滾筒的牽引阻力變大，截齒齒尖尖角過低，會使得截齒齒身被外力折斷，所以采用80°左右的截齒齒尖尖角來研究截齒齒尖尖角對滾筒的影響。經過一系列的研究發現，當轉速在逐漸增大時，截割阻力逐漸降低，截割力矩逐漸增大；當截齒安裝角逐漸變大時，截割阻力是先變小后變大，但是截割力矩是在逐漸變大的；當截齒齒尖尖角逐漸變大時，截割阻力是先變大再變小，但是截割力矩是先變大后變小。也可以得到轉速、截齒安裝角與截齒齒尖尖角對截割力矩和截割阻力的影響程度，截齒安裝角對截割力矩的影響是最大的，其次是截齒齒尖尖角，影響最小的是轉速，反之，對截割阻力影響最大的是轉速，其次是截齒齒尖尖角，影響最小的是截齒安裝角。轉速在逐漸變大時，滾筒的截割比能耗變大，生產率是先變大再變小，截割功率變大；當截齒安裝角變大時，滾筒的截割比能耗在變大，生產率在變大，但截割功率是先減小再變大；當截齒齒尖尖角變大時，滾筒的截割比能耗是先變小再變大，生產率逐漸增大，截割功率是先變小再變大。轉速、截齒安裝角與截齒齒尖尖角對截割比能耗和截割功率的影響程度，轉速對其的影響程度最大，其次是截齒安裝角，截齒齒尖尖角對其影響最低；轉速、截齒安裝角與截齒齒尖尖角對生產率的影響程度，轉速對其的影響程度是最大，其次是截齒齒尖尖角，截齒安裝角對其影響最低。

4 結語

滾筒式采煤機在煤礦開采中有著重大的作用，而且滾筒的參數對截割煤巖有著直接的影響，從切削厚度、煤層傾角、轉速、截齒安裝角、截齒齒尖尖角來分析對滾筒截割性能的影響，得到了它們與滾筒的截割力矩、截割比能耗和生產率的關系。所以在進行煤礦開采時，要根據煤巖的性質，合理的選取滾筒的參數，然后根據它們與截割比能耗、截割力矩與生產率的關系來確定最合適的參數，確保采煤機有著穩定的性能和高效率的運轉，提高煤礦的生產率。