采煤機作業運動參數對截割阻力的影響研究

孟建杰

（晉能控股煤業集團挖金灣虎龍溝煤業公司，山西 朔州 038300）

引言

我國主要采用滾筒采煤機進行煤炭的綜采作業，滾筒作為采煤機的重要部件，在開采過程中，滾筒受到的截割阻力的大小對于煤層的開采效率及穩定性、塊煤率等具有重要的影響[1]。由于煤巖的存在，不同的煤巖界面應采取不同的采煤機滾筒運動參數，從而減輕截割阻力的作用，提高開采效率及采煤機的可靠性。采用試驗分析的方式模擬滾筒運動參數變化時對截割阻力的影響作用，從而為含煤巖界面的煤層開采提供指導，提高采煤機的作業效率及穩定性[2]。

1 采煤機煤巖截割試驗系統的搭建

隨著煤炭開采形式的變化，采用采煤機對含有煤巖界面的復雜煤層進行開采，對于采煤機滾筒的作業提出了更高的要求。采用試驗分析的方式對截割阻力進行模擬，制取一定的煤巖樣品。在某開采中煤礦選擇一定的煤巖材料，在其工作面位置的煤層、夾矸層及斷層處各選取一定的試樣。采用鉆芯機獲得相應的試塊，保證試件的高徑比為2∶1，將試樣制成100 mm 的圓柱塊備用[3]。模擬煤層的配置，采用粉煤、水泥的不同比例進行截割材料的配置，并混合不同比例的沙及水泥模擬不同的砂巖。

采用煤巖截割試驗臺對采煤機滾筒的截割過程進行模擬，試驗臺主要包括截割臺系統和截割測試系統兩部分[4]。截割臺系統模擬滾筒的截割過程，采用變頻電機帶動滾筒進行轉速的調節，并通過液壓缸的作用帶動滾筒的牽引，采用變量泵的形式實現滾筒牽引速度的調節。截割測試系統采用三維力傳感器進行截齒載荷作用的實時測量，并將測得的數據進行存儲讀取，獲得單個截齒截割煤巖的截割阻力的大小。

對采煤機的運動參數進行分析，將滾筒的轉速及牽引速度進行單獨分析，設定采用齒尖尖角為75°、齒身錐角為20°的鎬形截齒進行截割試驗，滾筒的直徑為480 mm，采用變頻電機調整滾筒的轉速，液壓變量泵調節滾筒的牽引速度，分別選取滾筒的轉速為45 r/min、60 r/min、90 r/min、120 r/min，牽引速度為0.3 m/min、0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min，由此分別進行不同滾筒轉速及牽引速度下的截割阻力的試驗分析。

2 采煤機作業運動參數對截割阻力的影響分析

2.1 采煤機滾筒轉速對截割阻力的影響

在上述的試驗條件下，設定滾筒的牽引速度為0.6 m/min，在45 r/min、60 r/min、90 r/min、120 r/min四種不同的滾筒轉速下，通過試驗過程分別進行多個周期的截割，對采集到的載荷作用進行提取，得到不同轉速下的載荷作用變化。由于滾筒轉速的不同，單次截割一周所需的時間不同，同時截割阻力的波動變化呈現一定的差異性。在進行單次截割的后期，由于滾筒的轉速較快，較大的沖擊力會造成煤巖體的大塊脫落，從而使得載荷作用急劇下降。在滾筒的轉速較小時，在單次截割的前期，其截割阻力的大小會呈現上升的趨勢，這是由于轉速較小時，截割對煤巖以擠壓破壞為主，所需消耗的能量較大，產生較大的截割阻力[5]。對四種不同轉速下的截割阻力的最大值及均值分別進行統計，可以得到如下頁圖1 所示的截割阻力與轉速的變化關系。

從圖1 中可以看出，截割阻力的最大值及均值均順著滾筒轉速的增加而呈現減小的趨勢，且隨著轉速的提高，截割阻力下降的幅度逐漸降低。這是由于煤巖材料屬于離散體，隨著轉速的增加，受到的沖擊作用會加大，使得煤巖易破碎，從而降低了截割阻力的作用；且煤巖的截割阻力還受到摩擦作用的影響，轉速越高時，則摩擦系數也降低，進一步影響截割阻力的大小[6]。

圖1 截割阻力與滾筒轉速的變化關系曲線

2.2 采煤機牽引速度對截割阻力的影響

在同樣的試驗條件下，設定采煤機滾筒的轉速為60 r/min，設定滾筒的牽引速度為0.3 m/min、0.6 m/min、0.9 m/min、1.2 m/min，不同的牽引速度分別對應的截割厚度為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm。不同的牽引速度下對多個截割周期的截割過程進行試驗，對采集到的載荷作用進行提取，對不同牽引速度下的截割阻力的最大值及均值分別進行統計，以對應的截割厚度為橫軸可以得到如圖2 所示的截割阻力與截割厚度的變化關系。

從圖2 中可以看出，隨著截割厚度的增加，即牽引速度的增加，則截割阻力的最大值和均值均增加，且隨著截割厚度的增加，截割阻力的變化近似呈現指數變化的趨勢，截割厚度越大，則波動越劇烈。這是因為在牽引速度增加時，導致煤巖的截割厚度增加，從而造成截割載荷的明顯增加。

圖2 截割阻力與截割厚度的變化關系曲線

3 結語

采煤機進行含煤巖界面的煤層截割時，相對易采煤層受到的截割阻力更大，這給煤炭開采的效率及穩定性提出了較高的挑戰。采煤機的運動參數對煤巖的截割阻力具有重要的影響，采用試驗分析的方式對采煤機的滾筒轉速及牽引速度對截割阻力的影響作用進行分析研究，從而為實際中采煤機參數的選取提供參考，提高采煤機的截割效率。