針對采煤機螺旋滾筒裝煤性能提升措施

石 佳，孫玉路，解國亮，侯生輝

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

隨著我國煤炭開采技術的提高和經濟水平的不斷提高，導致煤炭需求以及原煤產量不斷增加，煤炭資源作為我國主體能源的戰略地位在未來很長一段時間依然不會動搖。必須秉持煤炭資源綠色開采、煤炭工業可持續發展理念，科學、安全、高效地進行煤炭資源的開發和利用。采煤機作為綜采成套裝備的主要設備之一，其高產量、高效率、低能耗對煤炭工業的可持續發展具有十分重要的意義。螺旋滾筒是采煤機破煤和裝煤的直接機構，其裝煤性能對采煤機工作效率有直接影響。如果螺旋滾筒破煤之后不能實現有效裝煤，殘留的浮煤落在采空區需人工清理，影響綜采工作面生產效率，且受工作面氣流影響，易形成浮煤飛揚，危害工作面人員身體健康，對工作面安全生產帶來隱患。提高采煤機螺旋滾筒的裝煤性能，最大程度地消除工作面安全隱患，是螺旋滾筒優化設計領域的重點研究課題。

1 優化采煤機螺旋滾筒裝煤性能研究背景意義

煤炭在我國一次性能源消耗中占比維持在70%左右，在我國煤炭資源開采過程中，地下開采時煤層厚度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煤炭資源中占據著十分重要的位置，儲存量和生產量占我國煤炭資源總儲存量以及生產量的45%左右，所以中厚煤層是實現安全高效開采的主力煤層，具有極大的研究價值。

近年來對滾筒采煤機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采地質環境的復雜、滾筒采煤機結構參數以及運動參數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形成浮煤，需要人工處理，人工處理時需要工作人員進入機道工作，不僅增加了工人的勞動強度，對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往復采煤法，落煤量大，使裝煤性能差導致的資源浪費問題、人力資源浪費問題更加嚴重，嚴重影響了我國煤炭事業的發展[1]。因此，提高采煤機滾筒裝煤效率問題對煤炭工業的可持續、高效化、現代化發展具有十分重大的戰略意義，是企業獲得經濟效益的必然之舉。

2 采煤機滾筒裝煤機制研究

2.1 滾筒裝煤機制

采煤機滾筒是由端盤、葉片、簡轂、截齒組合形成一種螺旋結構。由采煤機滾筒截割落下來的煤都是形狀大小不一的煤顆粒混合物，這些煤顆粒單個受外力作用是可以保持特定形狀的固體，這些煤顆粒混合形成的煤流受外力作用體現的力學性質介于固體與液體之間，具有流動性，也容易堆積。螺旋葉片的主要作用是裝煤，由于煤流的這些獨特的力學性質，葉片間的煤顆粒受到螺旋葉片的軸向力會向刮板輸送機的中部槽的位置移動[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方向相同形成推擠裝煤現象，煤顆粒下落方向與螺旋葉片旋轉方向相反形成拋射裝煤現象。

2.2 推擠裝煤機制

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，采煤機滾筒順轉，使螺旋葉片對堆積的煤顆粒產生左下方的力，煤顆粒受到擠壓，隨著滾筒的順時針轉動，煤顆粒與煤顆粒之間的相互作用，進而向左下方運動，直至運輸到滾筒外。

2.3 拋射裝煤機制

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，采煤機滾筒逆轉，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中部槽，一部分沒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 采煤機螺旋滾筒裝煤效率影響因素

3.1 滾筒結構參數對裝煤效率的影響

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

（2）葉片頭數：葉片頭數增加，會增加滾筒的截煤性能，但是葉片頭數越多，會減少采煤機滾筒的容煤空間，影響滾筒的裝煤性能。葉片頭數一般為2～4，具體需要結合滾筒的直徑確定。

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

（4）滾筒直徑：截深一定時，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）簡轂直徑：簡轂直徑越大，葉片的深度越小，滾筒的容煤空間越小，破碎煤在滾筒內循環、重復破碎的可能性增大。

（7）截深：截深增大，會增加容煤空間，提高采煤機生產能力，減少回采循環系數，提高單刀產量，但是截深過大會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，大功率采煤機可取0.8m 左右[4]。

3.2 滾筒運動參數對裝煤效率的影響

（1）滾筒轉向：外部工況環境相同時，根據滾筒裝煤機制，滾筒拋射裝煤比推擠裝煤裝效率高。

雙滾筒往復雙向采煤法即前后兩滾筒轉向相反，有反向對轉和正向對轉兩種運動方式。圖1 為采煤機自右向左割煤，左滾筒為前滾筒，右滾筒為后滾筒，正向對轉前滾筒順轉、后滾筒逆轉，反向對轉前滾筒逆轉、后滾筒順轉。

圖1 采煤機雙滾筒運行狀態

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）滾筒轉速：根據滾筒裝煤顆粒運動速度公式，轉速增加，會相應地增加煤流的軸向速度，進而影響滾筒的裝煤效率，煤流軸向速度增加，會使煤流更容易拋出，但是滾筒轉速增加到一定程度，會發生過拋現象，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，它是隨采煤機運行時滾筒獲得的一種牽連運動，但其大小與煤的推出力有關，影響滾筒單位時間內的落煤量，進而影響滾筒內煤顆粒的充滿系數，當葉片間的煤流大于滾筒的理論容量，會發生擁堵，影響滾筒裝煤效率[5]。

3.3 顆粒屬性對裝煤效率的影響

（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：煤的濕度相當于煤的含水率，煤的含水率不同會影響煤顆粒與煤顆粒之間、煤顆粒與葉片之間的摩擦力，進而影響裝煤效果。

（4）煤顆粒松散系數：松散系數又稱碎脹系數，是指截割后呈松散狀態煤的體積與截割前煤的自然狀態下原有體積之比。煤的松散度越高，采煤機截落下的單位體積煤層的煤量就越多，對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，即孔隙率來表示。孔隙率越高，煤的松散度也就越高，采煤機截落的單位重量煤的體積就越大，對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

采煤機滾筒主要作用是截煤和割煤，隨著科學技術的不斷發展，采煤機功率的不斷增加，滾筒截齒截煤的能力明顯提高，但是因為工況環境的惡劣，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道，采煤機滾筒結構參數以及滾筒運動參數的不匹配，使裝煤效率問題突出。

目前，螺旋滾筒的優化設計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，具有很大的經濟適用性。

離散元方法（簡稱DEM）是一種專門用來解決不連續問題的數值模擬方法，是由美國學者在1971 年最早提出，最早用來模擬巖石的構造。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，從而確定顆粒后續的行為軌跡，一經提出就得到了大量學者的關注。最常見的離散元軟件由EDEM、PFC，在巖土工程以及機械工程領域得到了廣泛的應用。

現有研究大多基于單一或部分因素對螺旋滾筒進行優化，未綜合考慮螺旋滾筒設計變量對裝煤性能的影響。而螺旋滾筒設計變量多，難以同時得到滾筒幾何參數及運動學參數的最優解。針對該問題，本文基于煤的物理力學特性測試結果，建立了螺旋滾筒截割煤壁耦合模型；對采用不同設計變量時的螺旋滾筒模型進行裝煤性能仿真，得到滾筒設計變量對裝煤性能的影響規律；基于正交試驗法設計螺旋滾筒的三因素三水平正交試驗，得到螺旋滾筒最優幾何參數和截割策略。

4.1 煤物理力學特性測試

選取切割機將煤樣切割成標準試樣，采用搗碎法、比重瓶和烘干法測試煤樣的物理特性。測得煤樣密度為1325.5kg/m3，天然含水率為8.63%，孔隙率為9.53%，堅固性系數為2.0，彈性模量為4388MPa，泊松比為0.23。

選取電阻應變片和微機控制電子式萬能試驗機測試煤樣的力學特性測得煤樣抗拉強度為1.08MPa，抗壓強度為17.71MPa。

4.2 滾筒截割煤壁耦合模型建立

基于煤樣物理力學特性測試數據，采用離散元分析軟件EDEM 建立煤壁。以MG400/950 型采煤機為研究對象，為使滾筒裝煤性能最優且不堵塞葉片，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

設置EDEM 仿真步長為0.1s，仿真時間為10s；采煤機牽引速度為4m/min，滾筒轉速為58r/min。仿真得到的采煤機螺旋滾筒裝煤效果如圖2 所示。

對采煤機螺旋滾筒裝煤效果進行統計分析。將煤顆粒落在刮板輸送機上的有效裝煤區域定義為區域Ⅰ，落在刮板輸送機以外的其他區域定義為區域Ⅱ，如圖3 所示。

圖3 螺旋滾筒裝煤效果統計

采煤機裝煤率為落在區域Ⅰ的煤質量與截落的所有煤質量之比。利用EDEM 后處理模塊統計采煤機裝煤率，可知該工況下裝煤顆粒數為8028，未成功裝煤顆粒數為5225，裝煤率為60.57%。

5 結語

綜上所述，基于煤的物理力學特性參數測試結果，采用離散元分析軟件EDEM 構建了采煤機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的裝煤性能數據。利用顆粒離散元方法，對采煤機滾筒裝煤過程進行研究，詳細分析各影響因素的影響機制以及影響規律，提高采煤機裝煤性能。