薄煤層采煤機滾筒裝煤效率的研究

徐 嬋 ，王義亮 ，楊兆建

1 引言

我國薄煤層資源豐富且煤質(zhì)好，但受采高限制，滾筒直徑和筒轂直徑受限，且結(jié)構(gòu)參數(shù)、運動參數(shù)不匹配，使得薄煤層采煤機的裝煤效率差一直是一個突出問題，因此提高薄煤層采煤機滾筒裝煤效率具有十分重要的意義[1]。目前滾筒裝煤性能研究主要為試驗和理論推導(dǎo)[2-4]，試驗的方法周期長、投入大，理論推導(dǎo)的結(jié)果與實際情況相差較大，為此，提出一種離散元仿真方法，建立模擬煤壁模型，以薄煤層采煤機滾筒為例，重點研究了滾筒螺旋升角、轉(zhuǎn)速、牽引速度以及滾筒轉(zhuǎn)向?qū)ρb煤性能的影響。

2 滾筒模型的建立

模擬滾筒裝煤實驗的目的是為了改善采煤機螺旋滾筒的裝煤性能，因此，模型與原型之間必須滿足相似性要求，盡可能近似的模擬采煤工作面原型滾筒的運行情況。

以滾筒的葉片螺旋升角、滾筒轉(zhuǎn)速、牽引速度為研究對象。

（1）利用三維建模軟件UG，以某型號薄煤層采煤機滾筒為原型進行設(shè)計，建立三個螺旋升角分別為15°、18°、21°的三頭螺旋滾筒模型[5]。

（2）該型號采煤機運動參數(shù)：滾筒轉(zhuǎn)速n=44.36r/min，牽引速度v=（0～6）m/min。將滾筒轉(zhuǎn)速上下浮動20%，得滾筒轉(zhuǎn)速三個水平為 n=35.49、44.36、53.24r/min。

（3）目前，國內(nèi)采煤機的最大牽引速度為8m/min，且小直徑的牽引速度更低，為防止實驗過程中發(fā)生堵煤，且考慮到本實驗建立的煤壁較短，取牽引速度三個水平為v=2、2.5、3m/min。

取相似比1：3，滾筒尺寸、煤壁模型按比例縮小。根據(jù)相似理論，確定模型與原型有關(guān)參數(shù)的相似關(guān)系，參數(shù)換算，如表1所示。

表1 滾筒主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Drum

3 仿真模型的建立

煤壁的離散元模型是由互相粘結(jié)的顆粒組成，煤壁整體宏觀力學(xué)性質(zhì)由顆粒粘結(jié)的細觀參數(shù)決定，因此需要與真實煤巖力學(xué)參數(shù)進行匹配。通過大量的單軸抗壓試驗、抗拉試驗對煤樣的抗壓強度、抗拉強度等參數(shù)進行匹配，以上參數(shù)與真實煤巖參數(shù)相近時，就認為該細觀參數(shù)建立的煤巖模型有效[6]。

3.1 煤巖力學(xué)參數(shù)

參考相關(guān)書籍[7]和某配比人造煤壁，獲得相關(guān)力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical Parameters of Coal Rock

3.2 本構(gòu)模型的確定

PFC3D中的接觸本構(gòu)模型主要有接觸剛度模型、滑移模型和粘結(jié)模型，其中，滑移模型一般與線性接觸模型同時使用，構(gòu)成無粘性土結(jié)構(gòu)模型，由于這里的研究對象是煤，因此只采用接觸剛度模型和粘結(jié)模型。

（1）接觸剛度模型分為線性接觸模型和Hertz模型兩種，Hertz模型無法定義顆粒之間的拉力，不適用于粘結(jié)顆粒體模型。而需要建立的假煤壁模型需要顆粒之間相互粘結(jié)，所以采用線性接觸模型。

（2）PFC3D中自帶多種粘結(jié)模型，本次仿真選用Flat-Joint Contact Model模型建立煤壁，該模型相對Linear Contact Bond Model模型而言，考慮了顆粒之間的力與力矩，相對Linear Parallel Bond Model模型而言，限制了圓形顆粒的旋轉(zhuǎn)，提高了抗壓抗拉強度比，更符合實際煤巖的情況。該模型需要標定的參數(shù)有變形模量fj_emod、凝聚力 fj_coh、抗拉強度 fj_ten、摩擦角 fj_fa。

3.3 細觀參數(shù)的標定

用軟件自帶的Rock Testing程序?qū)γ簶舆M行單軸抗壓試驗、拉神試驗。顆粒半徑設(shè)為7mm，孔隙率設(shè)為0.2，試件形狀為圓柱體，試件直徑與粒徑比為10：1，按照細觀參數(shù)標定步驟對模型各參數(shù)進行調(diào)試，獲得與表1相吻合的宏觀性質(zhì)。

3.4 聯(lián)合仿真模型的建立

根據(jù)標定參數(shù)建立煤壁模型，預(yù)先在煤壁上開出半圓形豁口，保證顆粒全部是由葉片作用掉落。將煤壁上、下、左、后側(cè)固定，以防止煤壁在截割過程中坍塌。將上文建立的滾筒文件導(dǎo)入，形成滾筒和煤壁的組合仿真模型，如圖1所示。滾筒截割煤巖前，統(tǒng)計總共要截割的顆粒數(shù)N，滾筒截割煤巖后，統(tǒng)計落入采空區(qū)一側(cè)固定區(qū)域內(nèi)的顆粒數(shù)m，通過η=m/N計算裝煤效率。

圖1 組合仿真模型Fig.1 Combined Simulation Model

4 滾筒裝煤仿真研究

4.1 轉(zhuǎn)向?qū)ρb煤性能的影響研究

采煤機滾筒有兩種裝煤形式，順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)。順轉(zhuǎn)是指滾筒截割方向與截落煤巖方向相同，而逆轉(zhuǎn)是指滾筒截割方向與截落煤巖方向相反?，F(xiàn)利用螺旋升角為21°的滾筒，通過改變滾筒位置、煤壁形狀，來研究滾筒轉(zhuǎn)向?qū)ρb煤效率的影響。共進行了6組實驗，第1、2、3組為逆轉(zhuǎn)實驗，第4、5、6組為順轉(zhuǎn)實驗，結(jié)果，如表3所示。

表3 滾筒轉(zhuǎn)向?qū)嶒灲Y(jié)果Tab.3 Results of Drum Steering Experiments

轉(zhuǎn)向?qū)嶒瀸Ρ冉Y(jié)果表明：相同的運動條件時，滾筒逆轉(zhuǎn)裝煤效率比順轉(zhuǎn)高9.3%左右。原因在于逆轉(zhuǎn)裝煤時，出煤口位置較高，顆粒軸向速度不受堆積煤的影響，能夠順利被拋送至輸送機處，而順轉(zhuǎn)裝煤時，顆粒從滾筒底部被帶到滾筒后部，由葉片推擠進行裝煤，出煤口位置較低，靠近煤壁側(cè)的堆積煤會對其造成阻礙，被推出的難度增加。但逆轉(zhuǎn)時顆粒被拋出的距離較遠，可能會被拋送至采空區(qū)。因此滾筒轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量取較小值，以防止過拋現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 葉片螺旋升角、轉(zhuǎn)速、牽引速度對滾筒裝煤性能的正交實驗研究

研究單因素對滾筒裝煤的影響，需要進行大量實驗，且無法反映各因素間的交互影響。而采用正交實驗的方法，能在將全部影響因素包含在內(nèi)的前提下降低試驗次數(shù)，又能得到各因素影響的顯著性特征。

表4 正交實驗結(jié)果Tab.4 Results of Orthogonal Experiments

因此，采用三因素三水平正交實驗的方法來研究葉片螺旋升角、滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度對裝煤效率的影響，滾筒轉(zhuǎn)向全部設(shè)為逆轉(zhuǎn)。采用不考慮交互作用的正交表，對三個因素的每一個水平進行搭配組合。每次仿真滾筒行走距離一定，每次截割的顆粒總數(shù)相同。最后計算出每個組合的裝煤效率，實驗結(jié)果，如表4所示。

根據(jù)實驗結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行極差分析、方差分析，根據(jù)極差分析均值繪制各因素對裝煤效率的影響趨勢圖，如圖2所示。

圖2 趨勢圖Fig.2 Trend Chart

（1）極差、方差分析。三因素中，轉(zhuǎn)速對裝煤效率的影響顯著，牽引速度、螺旋升角影響不顯著。三因素對裝煤效率的影響主次順序為轉(zhuǎn)速、牽引速度、螺旋升角。

轉(zhuǎn)速、牽引速度、螺旋升角三者匹配最優(yōu)組合為61.5r/min，1.44m/min，21°，對應(yīng)滾筒原型參數(shù)為 35.49r/min，2.5m/min，21°。

（2）趨勢圖分析：螺旋升角在（15～18）°時裝煤效率呈下降趨勢，在（18～21）°時顯著上升，在21°時裝煤效率最高。裝煤效率隨著轉(zhuǎn)速的增加，總體呈現(xiàn)下降趨勢，在（76.8～92.2）r/min時急劇下降，61.5r/min時裝煤效率最高。這是由于轉(zhuǎn)速越大，煤流軸向速度越大，拋送距離越遠，導(dǎo)致拋煤嚴重。但是轉(zhuǎn)速的選取與牽引速度有關(guān)，當牽引速度較小時，可適當再降低轉(zhuǎn)速，以減少過拋煤。裝煤效率隨著牽引速度的增大，先增大后減小，在1.44m/min時取得最大值，實際工況時，牽引速度設(shè)置在2.5m/min左右時效果最好。

本實驗結(jié)果，與文獻[8]中拋射裝煤時，葉片螺旋升角、牽引速度和轉(zhuǎn)速正交試驗的方差分析結(jié)果進行對比。三因素對裝煤效率的影響主次順序均為轉(zhuǎn)速、牽引速度、螺旋升角，且三因素對滾筒拋射裝煤影響的顯著性分析結(jié)果基本相同，微小差距與各因素水平取值有關(guān)。對比結(jié)果表明，利用離散元仿真方法進行滾筒裝煤過程的研究方法可行，且具有一定的準確性。

5 結(jié)束語

離散元仿真方法較搭建實驗臺研究而言，操作簡單、費用低、靈活性強，可對綜采工作面真實工況進行近似模擬，且可以進行大量仿真實驗，為薄煤層采煤機滾筒裝煤問題的研究提供了一種新的設(shè)計思路，但該方法在滾筒裝煤方面的研究還需進一步的完善：（1）可建立采煤機搖臂、刮板輸送機中部槽模型、擋煤板等模型對滾筒裝煤效率問題進行深入研究，以符合真實情況[9-10]。（2）煤壁模型的細觀參數(shù)需要進一步調(diào)整，使力學(xué)性質(zhì)與真實煤壁更加吻合，也可以進行滾筒截割受力方面的研究。（3）目前已有學(xué)者采用試驗與仿真對比，驗證了離散元方法在滾筒裝煤研究方面的準確性、可行性，可從力學(xué)的角度來進一步驗證離散元仿真方法的可行性。