大傾角煤層開采條件下的采煤機滾筒裝煤性能研究

楊 剛

（山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司， 山西 臨縣 033200）

引言

大傾角煤層常用騎輸送機采煤機進行開采。因煤層和機身高度的限制，采煤機的截割功率、采煤形式受到較大影響。為此，我們曾分析了螺旋滾筒參數，總結了螺旋角度與裝煤效果之間的關系[1]，對大傾角綜采面防倒、防滑的控制技術進行了研究，得出了一系列防滑措施[2-3]，并對大傾角煤層的工作面設備選擇進行了分析，指出了采煤機、運輸機、刮板機合理的搭配方式[4-5]。這些研究解決了大傾角煤層開采的重要問題，但沒有從滾筒結構、滾筒裝煤性能影響因素入手分析，對裝煤效果的研究還存在欠缺。因此，本文重點分析滾筒的受力情況，對滾筒式采煤機的運動過程進行研究，探索滾筒裝煤性能與煤層傾角之間的關系，進而提出增強滾筒裝煤性能的改進方法。

1 滾筒式采煤機裝煤原理

滾筒式采煤機主要分為：中間箱、左右牽引部、左右搖臂、左右滾筒[6]，見圖1。牽引部提供動力，達到采煤機行走的目的；搖臂改變采高、速度；滾筒進行裝煤。在開采過程中，前邊滾筒截割頂煤，后邊滾筒截割底煤，通過螺旋葉片將截落顆粒送入輸送機。由此可知，滾筒裝煤性能將決定著開采效果。

無論傾角煤層的角度有多大，滾筒式采煤機的裝煤原理是基本相同的。只是裝煤效果會隨著滾筒直徑的減小而降低。一般而言，將裝煤方式分為拋射裝煤和推擠裝煤兩類。拋射裝煤時，滾筒截割方向與截落顆粒方向相反，截落顆粒在螺旋葉片和重力作用下，隨著滾筒的轉動大部分截落顆粒堆積到底板，隨后被推入刮板輸送機，推擠裝煤時，滾筒截割方向與截落顆粒方向相同，截落顆粒全部下沉到滾筒底部。二者的區別在于，拋射裝煤的截落顆粒會在滾筒內從上部運動到下部，形成堆積；推擠裝煤的截落顆粒則直接截落在滾筒下部，沒有從上部向下運動的過程。

圖1 滾筒式采煤機結構示意圖

1.1 滾筒式采煤機拋射裝煤原理

滾筒內的螺旋結構依靠旋轉葉片的拋物作用將截落顆粒裝入刮板運輸機。截落顆粒的運動受葉片作用向底板堆積。截落顆粒以煤顆粒為主，運動過程和受力情況符合散體力學和牛頓定理，可采用單體代替整體的方式進行分析。煤顆粒的受力分析，如圖2所示。

圖2 煤顆粒的受力情況

滾筒以n轉速進行旋轉，截落顆粒隨著葉片進行運動，二者的速度差使得截落顆粒留在底板。隨著滾筒速度和螺旋角度的增加，截落顆粒在切方向、拋煤方向上的速度也會相應增加，并且，在螺旋角度大于20°時，拋煤方向的速度趨于穩定，切方向上表現出非線性增加趨勢。根據滾筒工作的需求，需要對螺旋角度進行適當調節，考慮切方向、拋煤方向速度的相對大小，以便設計好截落顆粒的運動軌跡，提高裝煤率，降低人工勞動強度。

1.2 滾筒式采煤機推擠裝煤原理

推擠裝煤利用了截落顆粒間的黏性，讓處于葉片下放的顆粒堆積體運動起來，當截落顆粒形成一定堆積量時，其擠壓力逐漸增大，直至打破受力平衡，迫使葉片運動。按照庫倫摩爾理論，截落煤顆粒在切向力、軸向力和周邊顆粒作用力的共同作用移動并傳遞作用力，形成連續作用體。由于推擠裝煤過程中的受力過于復雜，難以形成直觀的受力分析模型。故分析其運動情況，判斷顆粒連續作用體的受力情況，其運動如圖3所示。

圖3 截落顆粒的運動情況

在不斷截割的過程中，截割顆粒不斷增加，對葉片形成了側向壓力和底板壓力。當堆積量過大時，便會發生滑移現象；當側向壓力過大則會剪切滑移。因此，在進行大傾角煤層開采過程中，需要對截落顆粒的體積進行設計，避免出現壓力失衡，而出現煤顆粒的滑落。

2 大傾角煤層下影響滾筒裝煤性能的因素

2.1 滾筒直徑和螺旋角度

進入大傾角煤層開采后，截深便會確定，而滾筒直徑和螺旋角度是可以人工調節的。滾筒直徑越大，螺旋葉片的最外端便可以深入到煤壁中，減小葉片和煤壁的間隙，截落顆粒便無法滑出。在實際生產中，為了保護滾筒，會在葉片外端附加一層耐磨板[7]。這層耐磨板將進一步增大滾筒直徑，不僅有利于提高滾筒截割性能，還能增加裝煤率。耐磨板與滾筒簡轂相配合，使得落入滾筒內的截落顆粒得到充分破碎，產出高質量煤顆粒。

螺旋角度是指將螺旋葉片沿軸線切開，葉片與水平面之間的夾角，右螺旋與展開圖如圖4所示。可以看出，螺旋角度指的是圖中葉片形成的角度，也是三個角度中最小、最靠外的外緣角度。在市面設備中，螺旋角度在8°～30°之間。由于大傾角煤層的截深較小，需要螺旋角度稍微小些，延長葉片對煤顆粒的作用時間，故適用于大傾角煤層的滾筒采煤機螺旋角度在15°～25°。

圖4 右螺旋及展開圖

2.2 滾筒轉速和牽引速度

目前，滾筒式采煤機都采用雙滾筒方式，前后滾筒的旋轉方向相反。換言之，拋射裝煤和推擠裝煤方式都會被用到[8]。由于大傾角煤層煤顆粒的重力偏離垂直向下方向，故常常采用正向對轉方式，即前滾筒逆轉、后滾筒順轉，這樣能夠將破碎煤全部拋起。但關于滾筒的轉速和牽引速度還沒有形成統一的認識。

為了充分將煤顆粒堆積體及時送入刮板運輸機上，需要將滾筒的轉速保持在較低水平。一方面給滾筒足夠的截割力，加快采煤速度；另一方面避免滾筒裝煤空間負荷運行，出現漏煤現象。在大傾角煤層開采中，采用雙電機供能，以便滿足滾筒的轉速要求。在確定好滾筒轉速后，通過調節牽引速度的變化，讓滾筒的落煤量持續小于自身容積。牽引速度與滾筒轉速相配合，確保截落到滾筒內部的顆粒不會出現漏出、堵塞等情況。

2.3 采煤機機型

與傳統的爬底板式采煤機相比，騎輸送機采煤機前滾輪割頂，后滾筒割底。這種采煤方式為輸出煤顆粒提供了好路線。在采煤機上設置擋煤板，讓煤體未到達末端便被排出，繞過鏟煤板，直接送達輸送機。雖然擋煤板會出現循環煤情況，占用滾筒空間，但只要適當地調節擋煤板位置，便可以滿足裝煤空間的需求，進而不會影響輸送效率。

3 大傾角煤層下滾筒裝煤性能的仿真分析

大傾角煤層是指受地殼運動影響形成了傾角在35°～55°之間的煤層[9]。面對大傾角煤層，開采工作面會與水平面形成一定的夾角，導致滾筒裝煤的煤顆粒堆積體重力與牽引方向不垂直，從而表現出與水平面不同的運動特性。基于滾筒裝煤原理、影響裝煤性能因素研究，對大傾角煤層開采條件下的滾筒性能進行仿真分析。

3.1 裝煤性能仿真實驗

在仿真試驗中，采用雙滾筒騎輸送機采煤機，雙電機動力系統，將滾筒的截深設定為600mm，對滾筒直徑、滾筒轉速、螺旋角度等性能進行仿真實驗。仿真過程為：通過控制變量法，在滾筒末端設置臺階，讓模擬煤顆粒落在臺階收容器內，比較收容器內在所有煤顆粒中所占比例，進而得出滾筒性能在大傾角煤層下存在的規律。

3.2 仿真實驗結果及分析

先對滾筒直徑因素進行了仿真實驗。將滾筒轉速設定為90 r/min，螺旋角度設定為18°。按照500 mm、550mm、600mm、650mm的方式對顆粒累計質量、裝煤率進行了比較，得到了表1數據。

表1 不同滾筒直徑條件下的裝煤率

從滾筒直徑因素看，滾筒直徑的增加會增加裝煤的總量，但當直徑提高到650mm時，其裝煤率并沒有繼續上升。這是因為滾筒裝煤空間限制了滾筒的工作效率，出現了煤顆粒的堆積。

而后，對滾筒轉速因素進行仿真實驗。將滾筒直徑設定為600mm，螺旋角度設定為18°。按照90 r/min、120 r/min、160 r/min 的轉速進行對比分析，得到了表2數據。

表2 不同滾筒轉速條件下的裝煤率

滾筒轉速保持較低狀態能夠提升裝煤率是已經得到公認的[10]。因此，在進行滾筒轉速因素實驗時，綜合考慮牽引速度，研究其對裝煤率的影響。可以看出，在二者同時增大的情況下，在轉速120 r/min，牽引速度4.8m/min條件下達到較好水平。可以看出，這是牽引力過大，導致煤顆粒溢出較多，裝煤率效果不佳。

最后，對螺旋角度因素進行仿真實驗。將滾筒直徑設定為600mm，滾筒轉速設定為90 r/min。按照15°、18°、24°的順序進行觀察，得到了表3數據。

表3 不同螺旋角度條件下的裝煤率

從表格數據可知，在18°及其附近，裝煤率達到了較好狀態；超過18°以后，裝煤率顯示出下降趨勢。這是因為過大的螺旋角度沒有將全部的煤塊切割成顆粒狀，使得較大的煤顆粒拋離了預設位置。

4 結論

在大傾角煤層開采條件下，煤顆粒的重力偏離了采煤機運動的垂直方向，使得滾筒受力變化更加復雜。本文在分析了拋射裝煤、推擠裝煤機理后，列舉出重要的性能影響因素，并在仿真實驗下得到了一系列結論。

1）“前滾筒拋射，后滾筒推擠”的雙滾筒模式是大傾角煤層開采采煤率較高的方式，值得在采煤機中推廣。

2）受滾筒裝煤空間的限制，滾筒直徑在550～600 mm之間、螺旋角度在18°附近是較為理想的滾筒結構。

3）低轉速、高牽引力對提升滾筒裝煤性能作用明顯。滾筒轉速120 r/min、牽引力6m/min是比較高效的。