基于節(jié)能理念的采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速分析

程振華

(霍州煤電集團(tuán) 團(tuán)柏礦，山西 霍州 031400)

當(dāng)前煤礦已普遍使用雙滾筒采煤機(jī)對中厚及厚煤層進(jìn)行開采[1]. 采煤機(jī)配合可彎曲刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及液壓支架形成開采機(jī)械化作業(yè)線，實(shí)現(xiàn)采、裝、運(yùn)、支、處的連續(xù)作業(yè)，對提升工作面開采水平起到關(guān)鍵作用[2]. 其中，采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速對開采效率有著明顯的影響[3]. 現(xiàn)場表明，滾筒轉(zhuǎn)速的快慢決定了滾筒對煤體沖擊破壞的程度，如轉(zhuǎn)速小時(shí)，沖擊作用小，特別是對于有堅(jiān)硬夾矸的煤層，可能導(dǎo)致破煤不利，形成大塊落煤，給裝運(yùn)造成困難，或破煤低效，導(dǎo)致采煤機(jī)運(yùn)行緩慢，影響開采進(jìn)度[4-5]；而當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊作用，對于地應(yīng)力大或瓦斯含量高的煤層，過大的割煤沖擊力會(huì)造成煤體被快速揭露剝離，引起高應(yīng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的回采擾動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)致回采巷道維護(hù)困難。而且，滾筒轉(zhuǎn)速大使得采煤機(jī)運(yùn)行功率過大，造成能源浪費(fèi)[7]. 另外，滾筒邊緣各處所需的破煤轉(zhuǎn)速是否相同也是個(gè)有待探索的問題，它影響著轉(zhuǎn)速的選擇。因此，合理確定滾筒轉(zhuǎn)速成為實(shí)現(xiàn)高效、安全、保質(zhì)及節(jié)能開采的一項(xiàng)綠色生產(chǎn)需求[8]. 鑒于此，本文以團(tuán)柏礦為工程背景，基于彈性力學(xué)和強(qiáng)度準(zhǔn)則理論，建立采煤機(jī)滾筒與煤體相互作用的耦合物理模型，對滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化分析，得到表征煤體臨界破壞時(shí)滾筒轉(zhuǎn)速的表達(dá)式，并分析截割不同結(jié)構(gòu)煤層時(shí)滾筒的轉(zhuǎn)速特征，為合理定量的確定采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速提供參考。

1 工程概況

團(tuán)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(nèi)聚力1.5 MPa，內(nèi)摩擦角30°. 煤層局部結(jié)構(gòu)簡單，大部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含1層夾矸，以泥巖、炭質(zhì)泥巖及石灰?guī)r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(fā)育，質(zhì)均，含黃鐵礦，其穩(wěn)定性較差，為易冒落的松軟頂板；基本頂為K2灰?guī)r，平均厚度為9.36 m，巖石類別為石灰?guī)r，深灰色，塊狀，致密堅(jiān)硬，裂隙中充填方解石，中下部有0.7 m泥巖，性脆，裂隙發(fā)育；直接底為粉砂巖、泥巖組成，中部呈條帶狀細(xì)粒砂巖。

工作面采用綜合機(jī)械化沿煤層頂?shù)装逡淮尾扇邇A斜長壁采煤法，采用全部垮落法處理采空區(qū)。使用MGTY250/600-WD型交流電牽引采煤機(jī)割煤并裝煤，端頭斜切進(jìn)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(jī)運(yùn)煤，順槽安設(shè)一部SZZ-764/132型轉(zhuǎn)載機(jī)、兩部DSJ-100/100/160×2型可伸縮膠帶輸送機(jī)，通過皮帶機(jī)頭溜煤斗卸至二采區(qū)400 m水平皮帶巷皮帶上。采用ZY4600-15/33型雙柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行支護(hù)，工作面切巷長225 m，共安設(shè)支架152架，順序移架及時(shí)支護(hù)。

2 滾筒節(jié)能轉(zhuǎn)速分析

通過力學(xué)理論對滾筒節(jié)能轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。以采煤機(jī)滾筒為研究對象，進(jìn)行平面分析，見圖1.

圖1 力學(xué)模型示意圖

滾筒運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)對煤體產(chǎn)生作用力，根據(jù)力的反作用原理，滾筒同時(shí)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(yīng)的水平及垂直應(yīng)力分別為：

(1)

(2)

式中：

m—滾筒質(zhì)量，kg，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊按采煤機(jī)型號(hào)選??；

a0—滾筒水平運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2；

aτ—滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的切向加速度，m/s2；

an—滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的徑向加速度，m/s2；

θ—滾筒邊緣任意一點(diǎn)的極角，(°)；

b—截齒直徑，mm；

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

d—截齒高度，mm.

如果煤體在σx和σy作用下發(fā)生臨界破壞，根據(jù)莫爾庫倫準(zhǔn)則，應(yīng)滿足的條件為：

(3)

式中：

C—煤巖體內(nèi)聚力，MP；

φ—煤巖體內(nèi)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(lián)立，得：

(5)

(6)

最終，求解式(6)，得：

(7)

式(7)表示滾筒恰好使煤體發(fā)生破碎時(shí)的臨界旋轉(zhuǎn)角速度，即最節(jié)能的截割轉(zhuǎn)速?？梢姡?jié)能轉(zhuǎn)速受到滾筒與煤體沖擊作用時(shí)間及位置、滾筒質(zhì)量和半徑、截齒直徑與高度、煤體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等因素的共同約束及影響。

依據(jù)礦井實(shí)際情況，結(jié)合煤層無夾矸、弱夾矸、硬夾矸3種情形，將團(tuán)柏礦10#煤層力學(xué)參數(shù)及工作面MGTY250/600-WD型采煤機(jī)滾筒參數(shù)代入式(7)，得到滾筒邊緣不同位置在滿足破巖要求時(shí)的節(jié)能轉(zhuǎn)速隨沖擊作用時(shí)間的變化曲線，見圖2，3，4.

圖2 無夾矸煤層中滾筒轉(zhuǎn)速與沖擊時(shí)間的關(guān)系圖

圖3 弱夾矸煤層中滾筒轉(zhuǎn)速與沖擊時(shí)間的關(guān)系圖

圖4 硬夾矸煤層中滾筒轉(zhuǎn)速與沖擊時(shí)間的關(guān)系圖

圖2，3，4中橫坐標(biāo)表示采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)與煤壁發(fā)生沖擊性碰撞的持續(xù)時(shí)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(shí)間越短，產(chǎn)生的沖擊荷載就越大，煤壁被破碎剝離的程度就越高。根據(jù)有關(guān)研究，沖擊作用時(shí)間取0～0.1 s. 此外，圖中0°～315°表示滾筒邊緣相應(yīng)位置點(diǎn)的極角θ，角度從x正半軸(即采煤機(jī)前進(jìn)的方向)起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)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(shí)所需的節(jié)能轉(zhuǎn)速各不相同。以采煤機(jī)右行為例，隨沖擊作用時(shí)間的延長，滾筒最右部(θ=0°)和右下部(θ=315°)轉(zhuǎn)速均呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，當(dāng)煤層結(jié)構(gòu)分別為無夾矸、弱夾矸、硬夾矸時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對應(yīng)的沖擊時(shí)間分別為0.018 s、0.015 s和0.012 s，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速會(huì)很快地達(dá)到其穩(wěn)定值，以滿足滾筒強(qiáng)久的破煤能力；滾筒右上部(θ=45°)和最下部(θ=270°)轉(zhuǎn)速亦為先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，在無夾矸、弱夾矸和硬夾矸煤層中，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對應(yīng)的沖擊時(shí)間分別為0.080 s、0.078 s和0.055 s，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速呈非均勻周期性突增，顯示在沖擊作用時(shí)間約0.011 s、0.037 s、0.070 s、0.085 s時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)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(xiàn)最大轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的沖擊時(shí)間會(huì)變長；滾筒其余部位(θ=90°、θ=135°及θ=225°)的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律類似于最左部，說明背向采煤機(jī)前行方向的滾筒部位轉(zhuǎn)速具有不平穩(wěn)特性，提示宜依據(jù)式(7)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以減小轉(zhuǎn)速突變幅值，降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)性，增加轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性?？傮w看，滾筒右半部轉(zhuǎn)速占有主導(dǎo)地位。此外，因夾矸層的存在，煤壁的抗剪強(qiáng)度會(huì)增大，截割破煤所需的能量亦需增加，例如，當(dāng)破碎位于滾筒右上部和右下部處的煤體時(shí)，所需的滾筒節(jié)能轉(zhuǎn)速將分別提高42.5%和46.7%.

現(xiàn)實(shí)中滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)只可能呈現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)速，這個(gè)轉(zhuǎn)速應(yīng)是滾筒各部位節(jié)能轉(zhuǎn)速中的某個(gè)最大值。以圖2為例，當(dāng)沖擊作用時(shí)間為0～0.022 s時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速取右下部的節(jié)能轉(zhuǎn)速，即ω=5～30 r/min；當(dāng)沖擊作用時(shí)間為0.022～0.010 s時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速取右上部的節(jié)能轉(zhuǎn)速，即ω=30～47 r/min. 另外，宜控制好沖擊作用時(shí)間避免滾筒轉(zhuǎn)速出現(xiàn)突增。如圖4所示，應(yīng)避開沖擊時(shí)間為0.035 s的時(shí)刻，以免滾筒轉(zhuǎn)速從64 r/min突變至95 r/min.

3 結(jié) 論

基于綠色開采的節(jié)能思想，對采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行理論分析，得到如下結(jié)論：

1) 建立滾筒運(yùn)行的力學(xué)模型，并結(jié)合莫爾-庫倫準(zhǔn)則，推導(dǎo)出臨界破煤狀態(tài)下采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速解析式，定量地揭示了滾筒節(jié)能轉(zhuǎn)速與截割沖擊時(shí)間、沖擊位置、滾筒及截齒幾何參數(shù)、煤體抗剪強(qiáng)度等諸多因素的關(guān)系。

2) 分析滾筒不同截割部位所需節(jié)能轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨沖擊作用時(shí)間的延長，滾筒在采煤機(jī)前行方向側(cè)的轉(zhuǎn)速呈先增大后趨穩(wěn)；滾筒其余部位轉(zhuǎn)速呈非均勻周期性突增。指出滾筒轉(zhuǎn)速按其各部位節(jié)能轉(zhuǎn)速中的最大值選取，為滾筒轉(zhuǎn)速的確定提供新的方法。