基于節能理念的采煤機滾筒轉速分析

程振華

(霍州煤電集團 團柏礦，山西 霍州 031400)

當前煤礦已普遍使用雙滾筒采煤機對中厚及厚煤層進行開采[1]. 采煤機配合可彎曲刮板輸送機、轉載機及液壓支架形成開采機械化作業線，實現采、裝、運、支、處的連續作業，對提升工作面開采水平起到關鍵作用[2]. 其中，采煤機滾筒轉速對開采效率有著明顯的影響[3]. 現場表明，滾筒轉速的快慢決定了滾筒對煤體沖擊破壞的程度，如轉速小時，沖擊作用小，特別是對于有堅硬夾矸的煤層，可能導致破煤不利，形成大塊落煤，給裝運造成困難，或破煤低效，導致采煤機運行緩慢，影響開采進度[4-5]；而當轉速過大時，又會產生較大的沖擊作用，對于地應力大或瓦斯含量高的煤層，過大的割煤沖擊力會造成煤體被快速揭露剝離，引起高應力或高瓦斯的瞬間釋放，造成煤壁片幫、煤與瓦斯突出[6]；同時會產生明顯的回采擾動效應，導致回采巷道維護困難。而且，滾筒轉速大使得采煤機運行功率過大，造成能源浪費[7]. 另外，滾筒邊緣各處所需的破煤轉速是否相同也是個有待探索的問題，它影響著轉速的選擇。因此，合理確定滾筒轉速成為實現高效、安全、保質及節能開采的一項綠色生產需求[8]. 鑒于此，本文以團柏礦為工程背景，基于彈性力學和強度準則理論，建立采煤機滾筒與煤體相互作用的耦合物理模型，對滾筒轉速進行優化分析，得到表征煤體臨界破壞時滾筒轉速的表達式，并分析截割不同結構煤層時滾筒的轉速特征，為合理定量的確定采煤機滾筒轉速提供參考。

1 工程概況

團柏礦10-217工作面所在的10#煤層埋深400 m，平均厚度為 2.55 m，傾角 2°～14°，平均6°，密度1.4 g/m3，內聚力1.5 MPa，內摩擦角30°. 煤層局部結構簡單，大部分結構復雜，一般含1層夾矸，以泥巖、炭質泥巖及石灰巖為主。煤層直接頂平均厚度為2.48 m，巖石類別為泥巖，黑色，塊狀，層理不發育，質均，含黃鐵礦，其穩定性較差，為易冒落的松軟頂板；基本頂為K2灰巖，平均厚度為9.36 m，巖石類別為石灰巖，深灰色，塊狀，致密堅硬，裂隙中充填方解石，中下部有0.7 m泥巖，性脆，裂隙發育；直接底為粉砂巖、泥巖組成，中部呈條帶狀細粒砂巖。

工作面采用綜合機械化沿煤層頂底板一次采全高傾斜長壁采煤法，采用全部垮落法處理采空區。使用MGTY250/600-WD型交流電牽引采煤機割煤并裝煤，端頭斜切進刀，采高為1.84～2.70 m，截深0.6 m. 利用一部SGZ-764/800型中雙鏈可彎曲刮板輸送機運煤，順槽安設一部SZZ-764/132型轉載機、兩部DSJ-100/100/160×2型可伸縮膠帶輸送機，通過皮帶機頭溜煤斗卸至二采區400 m水平皮帶巷皮帶上。采用ZY4600-15/33型雙柱掩護式液壓支架進行支護，工作面切巷長225 m，共安設支架152架，順序移架及時支護。

2 滾筒節能轉速分析

通過力學理論對滾筒節能轉速進行分析。以采煤機滾筒為研究對象，進行平面分析，見圖1.

圖1 力學模型示意圖

滾筒運動時會對煤體產生作用力，根據力的反作用原理，滾筒同時受到與其給煤巖體大小相等的反作用力，令該反作用力在水平和垂直方向上的分力分別為Fx和Fy，則：

Fx=m(a0+aτsinθ-ancosθ)

Fy=-m(aτcosθ+ansinθ)

相應的水平及垂直應力分別為：

(1)

(2)

式中：

m—滾筒質量，kg，根據設計手冊按采煤機型號選取；

a0—滾筒水平運動加速度，m/s2；

aτ—滾筒轉動時的切向加速度，m/s2；

an—滾筒轉動時的徑向加速度，m/s2；

θ—滾筒邊緣任意一點的極角，(°)；

b—截齒直徑，mm；

所有可用的揮發性有機化合物的測量方法都是有選擇性的，可以測量和準確地量化。沒有人能夠測量共同存在的所有揮發性有機化合物。一些測量被稱為“TVOC濃度”——空氣中同時存在多個VOCs的總濃度。

d—截齒高度，mm.

如果煤體在σx和σy作用下發生臨界破壞，根據莫爾庫倫準則，應滿足的條件為：

(3)

式中：

C—煤巖體內聚力，MP；

φ—煤巖體內摩擦角，(°).

由式(1)和式(2)可知：

(4)

其中，k1=dsinθ+bcosθ，k2=bsinθ-dcosθ

由式(3)和式(4)聯立，得：

(5)

(6)

最終，求解式(6)，得：

(7)

式(7)表示滾筒恰好使煤體發生破碎時的臨界旋轉角速度，即最節能的截割轉速。可見，節能轉速受到滾筒與煤體沖擊作用時間及位置、滾筒質量和半徑、截齒直徑與高度、煤體內聚力和內摩擦角等因素的共同約束及影響。

依據礦井實際情況，結合煤層無夾矸、弱夾矸、硬夾矸3種情形，將團柏礦10#煤層力學參數及工作面MGTY250/600-WD型采煤機滾筒參數代入式(7)，得到滾筒邊緣不同位置在滿足破巖要求時的節能轉速隨沖擊作用時間的變化曲線，見圖2，3，4.

圖2 無夾矸煤層中滾筒轉速與沖擊時間的關系圖

圖3 弱夾矸煤層中滾筒轉速與沖擊時間的關系圖

圖4 硬夾矸煤層中滾筒轉速與沖擊時間的關系圖

圖2，3，4中橫坐標表示采煤機滾筒旋轉時與煤壁發生沖擊性碰撞的持續時間，在忽略能量散失的情形下，碰撞體系的沖量是守恒的，所以滾筒與煤壁相互作用的時間越短，產生的沖擊荷載就越大，煤壁被破碎剝離的程度就越高。根據有關研究，沖擊作用時間取0～0.1 s. 此外，圖中0°～315°表示滾筒邊緣相應位置點的極角θ，角度從x正半軸(即采煤機前進的方向)起逆時針旋轉，分別對應于滾筒的最右部、右上部、最上部、左上部、最左部、左下部、最下部及右下部。

從圖2，3，4可知，滾筒上不同位置破煤時所需的節能轉速各不相同。以采煤機右行為例，隨沖擊作用時間的延長，滾筒最右部(θ=0°)和右下部(θ=315°)轉速均呈先增大后趨于穩定的變化規律，當煤層結構分別為無夾矸、弱夾矸、硬夾矸時，轉速達到穩定時對應的沖擊時間分別為0.018 s、0.015 s和0.012 s，穩定后的轉速分別為30 r/min、38 r/min和44 r/min，表明滾筒此部位的截割轉速會很快地達到其穩定值，以滿足滾筒強久的破煤能力；滾筒右上部(θ=45°)和最下部(θ=270°)轉速亦為先增大后趨于穩定的變化規律，在無夾矸、弱夾矸和硬夾矸煤層中，轉速達到穩定時對應的沖擊時間分別為0.080 s、0.078 s和0.055 s，穩定后的轉速分別為47 r/min、58 r/min和67 r/min，曲線代表的含義同上；滾筒最左部(θ=180°)轉速呈非均勻周期性突增，顯示在沖擊作用時間約0.011 s、0.037 s、0.070 s、0.085 s時，轉速出現驟增，但增量不盡相同，一般為隨著煤層夾矸的增多、增硬，出現最大轉速所對應的沖擊時間會變長；滾筒其余部位(θ=90°、θ=135°及θ=225°)的轉速變化規律類似于最左部，說明背向采煤機前行方向的滾筒部位轉速具有不平穩特性，提示宜依據式(7)調整相關參數，以減小轉速突變幅值，降低轉速波動性，增加轉速平穩性。總體看，滾筒右半部轉速占有主導地位。此外，因夾矸層的存在，煤壁的抗剪強度會增大，截割破煤所需的能量亦需增加，例如，當破碎位于滾筒右上部和右下部處的煤體時，所需的滾筒節能轉速將分別提高42.5%和46.7%.

現實中滾筒旋轉時只可能呈現一個轉速，這個轉速應是滾筒各部位節能轉速中的某個最大值。以圖2為例，當沖擊作用時間為0～0.022 s時，滾筒轉速取右下部的節能轉速，即ω=5～30 r/min；當沖擊作用時間為0.022～0.010 s時，滾筒轉速取右上部的節能轉速，即ω=30～47 r/min. 另外，宜控制好沖擊作用時間避免滾筒轉速出現突增。如圖4所示，應避開沖擊時間為0.035 s的時刻，以免滾筒轉速從64 r/min突變至95 r/min.

3 結 論

基于綠色開采的節能思想，對采煤機滾筒轉速進行理論分析，得到如下結論：

1) 建立滾筒運行的力學模型，并結合莫爾-庫倫準則，推導出臨界破煤狀態下采煤機滾筒轉速解析式，定量地揭示了滾筒節能轉速與截割沖擊時間、沖擊位置、滾筒及截齒幾何參數、煤體抗剪強度等諸多因素的關系。

2) 分析滾筒不同截割部位所需節能轉速的變化規律，發現隨沖擊作用時間的延長，滾筒在采煤機前行方向側的轉速呈先增大后趨穩；滾筒其余部位轉速呈非均勻周期性突增。指出滾筒轉速按其各部位節能轉速中的最大值選取，為滾筒轉速的確定提供新的方法。