工作面角度對采煤機裝煤性能的影響研究

劉 敏

（左權永興煤化有限責任公司，山西 晉中 032600）

引言

煤炭開采的主要方式包括炮采和機采兩種，其中炮采安全性差且效率較低，而機采通過采煤機和刨煤機完成。目前，我國煤礦以機采為主，而且由于刨煤機對工作面的要求較高且能耗較大，我國機采以采煤機為主。從實際生產來看，機采的裝煤效率僅為70%，剩余30%只能通過人工清理完成，不僅效率低而且勞動強度大。因此，對于不同綜采工作面，不同煤層影響其裝煤性能的參數包括有采煤機滾筒的結構參數、位置參數以及地質條件等[1]。本文將以地質條件為基礎，研究工作面角度對采煤機裝煤性能的影響。

1 采煤機裝煤性能的理論研究

采煤機在實際生產中的主要任務為截煤和裝煤。目前，針對采煤機截割能力的研究已經開展數年并取得一定成就；而對于采煤機裝煤能力的研究相對滯后。總體來講，采煤機的裝煤性能較差，已經成為影響綜采工作面生產能力的主要因素之一。對于滾筒采煤機而言，其裝煤的理論基礎為拋射裝煤和推擠裝煤。結合生產實踐及理論基礎，影響滾筒采煤機裝煤性能的主要因素除了采煤機具體的形式外，還包括有采煤機滾筒的自身結構、煤炭的物理性質以及采煤機滾筒的工作參數。

1）影響采煤機裝煤性能的因素除了煤炭自身的特征外，還與煤炭的濕度、粒度大小等相關。此外，間接影響采煤機裝煤性能的因素包括有煤炭的松散程度和孔隙程度。其中，煤炭的粒度越大其對應的裝煤性能越好；而煤炭本身的松散程度通過直接影響采煤機滾筒的填充系統對其裝煤性能造成影響[2]。

2）影響采煤機裝煤性能的因素包括有采煤機滾筒的直徑、螺旋升角、截割深度以及葉片外邊緣的直徑等。其中，采煤機的滾筒直徑越大，對應滾筒的截割深度越小，其對應的裝煤性能越好；滾筒葉片螺旋升角越小其對應的裝煤性能越好。

3）影響采煤機裝煤性能的因素包括有采煤機滾筒的旋轉反向、旋轉速度以及牽引速度等。當采煤機滾筒結構確定后，采煤機的牽引速度和滾筒的旋轉速度共同決定滾筒的充填系數進而影響其裝煤性能。

在實際生產中，綜采工作面與水平面之間必然存在一定的角度，從而影響滾筒采煤機的裝煤性能。因此，本文將基于PFC3D軟件研究工作面角度對滾筒采煤機裝煤性能的影響，為后續采煤機滾筒的結構改進和提升滾筒采煤機的裝煤性能奠定基礎。

2 PFC3D仿真模型的搭建

根據煤層傾斜角度的大小可將其分為近水平煤層、緩傾斜煤層、中傾斜煤層以及急傾斜煤層。對于工作面角度而言，可將其分為走向傾角和工作傾角[3]。其中，走向傾角指的是采煤機滾筒的軸向方向與水平面之間的夾角；工作傾角指的是滾筒采煤機的行走方向與水平方向的夾角。工作傾角與水平傾角如圖1所示。

如圖1所示，α為工作傾角，β為走向傾角。結合某礦實際地質條件，走向傾角的取值范圍為±10°，工作傾角的取值范圍為±20°。本次仿真采煤機建模所依據的參數如下頁表1所示。

表1 滾筒采煤機建模參數

圖1 采煤機工作角度示意圖

3 工作面角度對裝煤性能的影響研究

3.1 走向傾角對滾筒采煤機裝煤性能的影響

3.1.1 推擠裝煤

走向傾角的取值范圍為±10°。經仿真分析可知，走向傾角對煤炭在X方向和Z方向的速度影響幾乎可以忽略不計，主要對煤炭顆粒Y方向的影響較為明顯。在采煤機推擠裝煤方式下不同走向傾角對煤炭顆粒Y方向的速度及煤炭顆粒裝運率的影響如圖2所示。

圖2 推擠裝煤下走向傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

如圖2所示，隨著走向傾角的增加對應煤炭顆粒的平均速度呈線性增加趨勢；對應的煤炭顆粒的裝運率也隨著走向傾角的增加而增加，且二者的變化趨勢幾乎一致。

3.1.2 拋射裝煤

走向傾角的取值范圍為±10°。經仿真分析可知，走向傾角對煤炭在X方向和Z方向的速度影響幾乎可以忽略不計，主要對煤炭顆粒Y方向的影響較為明顯[4]。不同走向傾角下對應采煤機拋射裝煤方式下對煤炭顆粒Y方向的速度及煤炭顆粒裝運率如圖3所示。

如圖3所示，隨著走向傾角的增加對應煤炭顆粒的平均速度呈線性增加趨勢；對應的煤炭顆粒的裝運率也隨著走向傾角的增加而增加，且二者的變化趨勢幾乎一致。

對比圖2、圖3可知，同一走向傾角下拋射裝煤對應的裝煤性能高于推擠裝煤。

圖3 拋射裝煤下走向傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

3.2 工作傾角對滾筒采煤機裝煤性能的影響

3.2.1 推擠裝煤

工作傾角的范圍為±20°。經仿真分析可知，隨著工作傾角的增加對應煤炭顆粒X方向的平均速度增大；對應煤炭顆粒Y方向的平均速度減小；對應煤炭顆粒X方向的平均速度處于無規則變化。為對比走向傾角與工作傾角對采煤機裝煤性能的影響差距，列出工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響，如圖4所示。

圖4 推擠裝煤下工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

對比圖2、圖4可知，工作傾角與走向傾角對裝煤性能的影響趨勢相反，而且走向傾角對采煤機裝煤性能的影響大于工作傾角對采煤機裝煤性能的影響。

3.2.2 拋射裝煤

工作傾角的范圍為±20°。經仿真分析可知，隨著工作傾角的增加對應煤炭顆粒X方向的平均速度增大；對應煤炭顆粒Y方向的平均速度減小；對應煤炭顆粒X方向的平均速度處于無規則變化。為對比走向傾角與工作傾角對采煤機裝煤性能的影響差距，列出工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響，如下頁圖5所示。

對比上頁圖3、圖5可知，工作傾角與走向傾角對裝煤性能的影響趨勢相反，而且走向傾角對采煤機裝煤性能的影響大于工作傾角對采煤機裝煤性能的影響[5]。

圖5 拋射裝煤下工作傾角對煤炭Y方向平均速度和裝運率的影響

4 結論

1）同等條件下的走向傾角對采煤機裝煤性能的影響因子大于工作傾角對采煤機裝煤性能的影響因子；

2）同等條件下，基于拋射裝煤理論的性能優于基于推擠裝煤理論的性能；

3）隨著工作面傾角的增大，對應裝煤性能降低；隨著走向傾角的增大，對應裝煤性能增大。