礦井采煤機作業過程中的載荷特性分析

張 卓

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司綜采一隊， 山西 大同 037000）

引言

滾筒采煤機作為煤礦開采中最重要設備，受到了國內外研究者的廣泛關注。目前，許多關于截齒載荷特性或切削性能都是針對均勻煤層的，但在現實條件下，煤層通常具有復雜的地層，由不同模式的煤巖界面的煤層組成[1]。相對而言，關于截齒截割復雜結構煤層的載荷特性研究較少，可以考慮通過建立截齒截割復雜煤層的仿真模型，預測不同條件下不同類型載荷對截齒應力狀態的影響。本文制作了3 個人工煤層，分別含有不同耐壓強度的巖石，3 個人工煤層分別含有一層或兩層不同位置有煤巖界面的煤層，并進行了一次切割試驗，得到相應的切割力數據，并進行分析，掌握切割負荷特性，為礦井采煤機的振動研究和結構設計提供了現實的參考資料。

1 煤巖切割試驗系統介紹

在設計出的煤巖切割試驗臺上進行了試驗，如圖1 所示，圖1 中的1 和2 分別表示煤層和螺旋葉片。截齒的轉速在0～120 r/min 范圍內；沿滾筒軸向靠近滾筒的煤層速度在0～2 m/min 以內；沿垂直于滾筒軸線的方向移動的接縫速度在0～1 m/min 范圍內。通過試驗臺的工況模擬設計，使得截齒上的一半截齒在截齒旋轉和深入煤層的過程中同時割煤，截齒的結構參數見表1。

表1 截齒參數

圖1 煤和巖石切割試驗床

采煤機截齒截割含煤煤層和煤巖界面煤層的過程非常復雜，尤其是截齒遇到煤-小斷層界面時。這時，截齒將從只割煤的工況過渡到突然切割巖石的工況。由于煤巖的硬度、耐壓強度等物理性質不同，這種情況下截齒會發生較大的載荷波動，會影響采煤機的截割性能和可靠性[2]。因此，為了研究截齒截割復雜煤層的載荷特性，在試驗中，制作了不同形式的煤層（見圖2）。圖2-1 顯示了一個煤層斷層，這意味著截齒將穿過煤層、煤層斷層界面，最后穿過小斷層；圖2-2 分別顯示了由頂部和底部具有煤巖界面的煤層組成的煤層。在這種情況下，截齒將同時割煤和具有煤巖界面的煤層。均質煤層和煤巖界面具有不同耐壓強度的煤層是根據工況標準中制造人造巖層的方法，用不同的煤和水泥比例制成的[3]。

圖2 含煤巖界面的不同煤層組成的煤層

2 截齒截割斷層煤層的試驗研究

2.1 不同煤巖的截割試驗

為研究均勻煤層和巖層時的切割力特性，設置耐壓強度為 0.69 MPa、1.58 MPa、2.73 MPa 和 4.55 MPa和8.71 MPa。五次試驗中選取的轉速均勻設置為60 r/min，煤層的初始速度均設置為0.6 m/min。

五種不同條件下的切割力-時間關系示意圖如圖3 所示，圖3 中不同耐壓強度分別為煤層2.73 MPa、巖層 4.55 MPa、巖層 8.71 MPa。可以看出，所有曲線先在零點附近有波動趨勢（階段1），然后呈上升趨勢（階段2），當達到最大值范圍時，載荷呈現一定范圍的水平波動（階段3），然后呈持續下降趨勢（階段4）。由于巖石的耐壓強度高于均勻煤層，力值在800 N 左右波動，力增量與耐壓強度增量的關系如表2 所示。從實驗值可以看出，隨著巖石與煤層耐壓強度差的增大，力增量呈線性增大。

圖3 截齒切削煤或巖層的切削力與時間的關系曲線

2.2 煤巖界面煤層不同位置小斷層截割試驗

圖4 顯示了包含不同耐壓強度的巖石的截齒切割煤層的切割力，圖中分別為頂部、中心、底部。顯然，零點波動狀態（階段1）和峰值狀態（階段3）、下降狀態（階段4）的切割力近似遵循正態分布，上升狀態（階段2）的概率密度分布是分散的，即階段2 的力值在較大的波動范圍內，這意味著選擇會面臨更嚴重的受力問題。而圖中峰值狀態（階段3）的切削力峰值對應的力值最大。

如圖4 所示的載荷在有煤巖界面切削載荷的煤和煤層的切削過程中，切削載荷隨著時間逐漸增加，這一過程是相應的截齒切入煤層，由于切削厚度隨著時間增加直到截齒在水平位置以旋轉中心旋轉（最大切削厚度），所以截齒載荷在這一階段會緩慢增加，切削載荷的變化與均質煤層中的切削載荷變化一致。

圖4 不同位置含煤巖界面的煤層的切割力

當截齒切入煤層切巖時，載荷突然下降，產生減載過程，減載是由于截齒切入煤層巖石時，煤層的抗壓強度小于巖石，截齒對破碎煤的載荷較小，但巖層不受截齒切入煤層的影響。由于截齒截割從相態過渡到煤巖，這個過程由于煤層的抗壓強度小于巖石，在巖石破碎的過程中，煤層已經被破壞，所以載荷比以前更低。隨著截齒切削再次回到割煤階段，但由于這一階段截齒的旋轉方向與進給方向為鈍角，切削厚度減小，因此載荷均勻減小。軸向和徑向力的變化趨勢與切削力相似。

對數據進行統計分析，結果列于表2。從平均值和標準差可以看出，截齒在頂部切削小斷層的切削力及其波動低于在底部切削小斷層的切削力及其波動。由于牽引速度的存在，截齒旋轉時，截齒頂部的線速度大于底部的線速度，因此頂部的瞬時切削厚度較小。因此，截齒在其頂部切割小斷層的切削力較小。從上頁表2 中還可以發現，同時以煤巖界面為中心的截齒切削煤層的切削力最大，但這種情況下的力增量大于另外兩種情況下的力增量之和。從上頁表2 中還可以看出，切削力隨著煤層與煤巖界面位置的不同而變化，并且中心位置的切削載荷比其他位置大，因為中心具有最大厚度的煤巖界面。

表2 含煤巖界面煤層不同位置的切削載荷統計

3 結語

在煤巖截割試驗臺上進行了不同形式的截齒截割煤層的試驗。對不同煤巖類型截齒截割巖石的截割力-時間信號的分析表明，截齒截割巖石與均勻煤之間的力增量隨著煤巖界面間煤巖類型差異的增加而線性增加。對不同位置煤巖界面煤層截齒截割信號分析表明，截齒同時截割煤層頂部和底部煤巖界面煤層的力增量大于頂部和底部，但小于兩者之和。當截齒只截割均勻煤層時，所有的力-時間曲線都呈現出圍繞較低水平波動的趨勢，當截割具有煤巖界面的煤層時，力-時間曲線持續上升，當截割具有煤巖界面的煤層時，力-時間曲線最終圍繞較高水平波動。此研究對掌握采煤機在截割過程的載荷變化特性、實現對采煤機結構性能的升級優化具有重要指導意義。