楊 剛

（山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司， 山西 臨縣 033200）

引言

大傾角煤層常用騎輸送機采煤機進行開采。因煤層和機身高度的限制，采煤機的截割功率、采煤形式受到較大影響。為此，我們曾分析了螺旋滾筒參數(shù)，總結(jié)了螺旋角度與裝煤效果之間的關(guān)系[1]，對大傾角綜采面防倒、防滑的控制技術(shù)進行了研究，得出了一系列防滑措施[2-3]，并對大傾角煤層的工作面設(shè)備選擇進行了分析，指出了采煤機、運輸機、刮板機合理的搭配方式[4-5]。這些研究解決了大傾角煤層開采的重要問題，但沒有從滾筒結(jié)構(gòu)、滾筒裝煤性能影響因素入手分析，對裝煤效果的研究還存在欠缺。因此，本文重點分析滾筒的受力情況，對滾筒式采煤機的運動過程進行研究，探索滾筒裝煤性能與煤層傾角之間的關(guān)系，進而提出增強滾筒裝煤性能的改進方法。

1 滾筒式采煤機裝煤原理

滾筒式采煤機主要分為：中間箱、左右牽引部、左右搖臂、左右滾筒[6]，見圖1。牽引部提供動力，達到采煤機行走的目的；搖臂改變采高、速度；滾筒進行裝煤。在開采過程中，前邊滾筒截割頂煤，后邊滾筒截割底煤，通過螺旋葉片將截落顆粒送入輸送機。由此可知，滾筒裝煤性能將決定著開采效果。

無論傾角煤層的角度有多大，滾筒式采煤機的裝煤原理是基本相同的。只是裝煤效果會隨著滾筒直徑的減小而降低。一般而言，將裝煤方式分為拋射裝煤和推擠裝煤兩類。拋射裝煤時，滾筒截割方向與截落顆粒方向相反，截落顆粒在螺旋葉片和重力作用下，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動大部分截落顆粒堆積到底板，隨后被推入刮板輸送機，推擠裝煤時，滾筒截割方向與截落顆粒方向相同，截落顆粒全部下沉到滾筒底部。二者的區(qū)別在于，拋射裝煤的截落顆粒會在滾筒內(nèi)從上部運動到下部，形成堆積；推擠裝煤的截落顆粒則直接截落在滾筒下部，沒有從上部向下運動的過程。

圖1 滾筒式采煤機結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 滾筒式采煤機拋射裝煤原理

滾筒內(nèi)的螺旋結(jié)構(gòu)依靠旋轉(zhuǎn)葉片的拋物作用將截落顆粒裝入刮板運輸機。截落顆粒的運動受葉片作用向底板堆積。截落顆粒以煤顆粒為主，運動過程和受力情況符合散體力學(xué)和牛頓定理，可采用單體代替整體的方式進行分析。煤顆粒的受力分析，如圖2所示。

圖2 煤顆粒的受力情況

滾筒以n轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，截落顆粒隨著葉片進行運動，二者的速度差使得截落顆粒留在底板。隨著滾筒速度和螺旋角度的增加，截落顆粒在切方向、拋煤方向上的速度也會相應(yīng)增加，并且，在螺旋角度大于20°時，拋煤方向的速度趨于穩(wěn)定，切方向上表現(xiàn)出非線性增加趨勢。根據(jù)滾筒工作的需求，需要對螺旋角度進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，考慮切方向、拋煤方向速度的相對大小，以便設(shè)計好截落顆粒的運動軌跡，提高裝煤率，降低人工勞動強度。

1.2 滾筒式采煤機推擠裝煤原理

推擠裝煤利用了截落顆粒間的黏性，讓處于葉片下放的顆粒堆積體運動起來，當(dāng)截落顆粒形成一定堆積量時，其擠壓力逐漸增大，直至打破受力平衡，迫使葉片運動。按照庫倫摩爾理論，截落煤顆粒在切向力、軸向力和周邊顆粒作用力的共同作用移動并傳遞作用力，形成連續(xù)作用體。由于推擠裝煤過程中的受力過于復(fù)雜，難以形成直觀的受力分析模型。故分析其運動情況，判斷顆粒連續(xù)作用體的受力情況，其運動如圖3所示。

圖3 截落顆粒的運動情況

在不斷截割的過程中，截割顆粒不斷增加，對葉片形成了側(cè)向壓力和底板壓力。當(dāng)堆積量過大時，便會發(fā)生滑移現(xiàn)象；當(dāng)側(cè)向壓力過大則會剪切滑移。因此，在進行大傾角煤層開采過程中，需要對截落顆粒的體積進行設(shè)計，避免出現(xiàn)壓力失衡，而出現(xiàn)煤顆粒的滑落。

2 大傾角煤層下影響滾筒裝煤性能的因素

2.1 滾筒直徑和螺旋角度

進入大傾角煤層開采后，截深便會確定，而滾筒直徑和螺旋角度是可以人工調(diào)節(jié)的。滾筒直徑越大，螺旋葉片的最外端便可以深入到煤壁中，減小葉片和煤壁的間隙，截落顆粒便無法滑出。在實際生產(chǎn)中，為了保護滾筒，會在葉片外端附加一層耐磨板[7]。這層耐磨板將進一步增大滾筒直徑，不僅有利于提高滾筒截割性能，還能增加裝煤率。耐磨板與滾筒簡轂相配合，使得落入滾筒內(nèi)的截落顆粒得到充分破碎，產(chǎn)出高質(zhì)量煤顆粒。

螺旋角度是指將螺旋葉片沿軸線切開，葉片與水平面之間的夾角，右螺旋與展開圖如圖4所示?？梢钥闯?，螺旋角度指的是圖中葉片形成的角度，也是三個角度中最小、最靠外的外緣角度。在市面設(shè)備中，螺旋角度在8°～30°之間。由于大傾角煤層的截深較小，需要螺旋角度稍微小些，延長葉片對煤顆粒的作用時間，故適用于大傾角煤層的滾筒采煤機螺旋角度在15°～25°。

圖4 右螺旋及展開圖

2.2 滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度

目前，滾筒式采煤機都采用雙滾筒方式，前后滾筒的旋轉(zhuǎn)方向相反。換言之，拋射裝煤和推擠裝煤方式都會被用到[8]。由于大傾角煤層煤顆粒的重力偏離垂直向下方向，故常常采用正向?qū)D(zhuǎn)方式，即前滾筒逆轉(zhuǎn)、后滾筒順轉(zhuǎn)，這樣能夠?qū)⑵扑槊喝繏伷?。但關(guān)于滾筒的轉(zhuǎn)速和牽引速度還沒有形成統(tǒng)一的認識。

為了充分將煤顆粒堆積體及時送入刮板運輸機上，需要將滾筒的轉(zhuǎn)速保持在較低水平。一方面給滾筒足夠的截割力，加快采煤速度；另一方面避免滾筒裝煤空間負荷運行，出現(xiàn)漏煤現(xiàn)象。在大傾角煤層開采中，采用雙電機供能，以便滿足滾筒的轉(zhuǎn)速要求。在確定好滾筒轉(zhuǎn)速后，通過調(diào)節(jié)牽引速度的變化，讓滾筒的落煤量持續(xù)小于自身容積。牽引速度與滾筒轉(zhuǎn)速相配合，確保截落到滾筒內(nèi)部的顆粒不會出現(xiàn)漏出、堵塞等情況。

2.3 采煤機機型

與傳統(tǒng)的爬底板式采煤機相比，騎輸送機采煤機前滾輪割頂，后滾筒割底。這種采煤方式為輸出煤顆粒提供了好路線。在采煤機上設(shè)置擋煤板，讓煤體未到達末端便被排出，繞過鏟煤板，直接送達輸送機。雖然擋煤板會出現(xiàn)循環(huán)煤情況，占用滾筒空間，但只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)擋煤板位置，便可以滿足裝煤空間的需求，進而不會影響輸送效率。

3 大傾角煤層下滾筒裝煤性能的仿真分析

大傾角煤層是指受地殼運動影響形成了傾角在35°～55°之間的煤層[9]。面對大傾角煤層，開采工作面會與水平面形成一定的夾角，導(dǎo)致滾筒裝煤的煤顆粒堆積體重力與牽引方向不垂直，從而表現(xiàn)出與水平面不同的運動特性?；跐L筒裝煤原理、影響裝煤性能因素研究，對大傾角煤層開采條件下的滾筒性能進行仿真分析。

3.1 裝煤性能仿真實驗

在仿真試驗中，采用雙滾筒騎輸送機采煤機，雙電機動力系統(tǒng)，將滾筒的截深設(shè)定為600mm，對滾筒直徑、滾筒轉(zhuǎn)速、螺旋角度等性能進行仿真實驗。仿真過程為：通過控制變量法，在滾筒末端設(shè)置臺階，讓模擬煤顆粒落在臺階收容器內(nèi)，比較收容器內(nèi)在所有煤顆粒中所占比例，進而得出滾筒性能在大傾角煤層下存在的規(guī)律。

3.2 仿真實驗結(jié)果及分析

先對滾筒直徑因素進行了仿真實驗。將滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)定為90 r/min，螺旋角度設(shè)定為18°。按照500 mm、550mm、600mm、650mm的方式對顆粒累計質(zhì)量、裝煤率進行了比較，得到了表1數(shù)據(jù)。

表1 不同滾筒直徑條件下的裝煤率

從滾筒直徑因素看，滾筒直徑的增加會增加裝煤的總量，但當(dāng)直徑提高到650mm時，其裝煤率并沒有繼續(xù)上升。這是因為滾筒裝煤空間限制了滾筒的工作效率，出現(xiàn)了煤顆粒的堆積。

而后，對滾筒轉(zhuǎn)速因素進行仿真實驗。將滾筒直徑設(shè)定為600mm，螺旋角度設(shè)定為18°。按照90 r/min、120 r/min、160 r/min 的轉(zhuǎn)速進行對比分析，得到了表2數(shù)據(jù)。

表2 不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下的裝煤率

滾筒轉(zhuǎn)速保持較低狀態(tài)能夠提升裝煤率是已經(jīng)得到公認的[10]。因此，在進行滾筒轉(zhuǎn)速因素實驗時，綜合考慮牽引速度，研究其對裝煤率的影響?？梢钥闯觯诙咄瑫r增大的情況下，在轉(zhuǎn)速120 r/min，牽引速度4.8m/min條件下達到較好水平?？梢钥闯?，這是牽引力過大，導(dǎo)致煤顆粒溢出較多，裝煤率效果不佳。

最后，對螺旋角度因素進行仿真實驗。將滾筒直徑設(shè)定為600mm，滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)定為90 r/min。按照15°、18°、24°的順序進行觀察，得到了表3數(shù)據(jù)。

表3 不同螺旋角度條件下的裝煤率

從表格數(shù)據(jù)可知，在18°及其附近，裝煤率達到了較好狀態(tài)；超過18°以后，裝煤率顯示出下降趨勢。這是因為過大的螺旋角度沒有將全部的煤塊切割成顆粒狀，使得較大的煤顆粒拋離了預(yù)設(shè)位置。

4 結(jié)論

在大傾角煤層開采條件下，煤顆粒的重力偏離了采煤機運動的垂直方向，使得滾筒受力變化更加復(fù)雜。本文在分析了拋射裝煤、推擠裝煤機理后，列舉出重要的性能影響因素，并在仿真實驗下得到了一系列結(jié)論。

1）“前滾筒拋射，后滾筒推擠”的雙滾筒模式是大傾角煤層開采采煤率較高的方式，值得在采煤機中推廣。

2）受滾筒裝煤空間的限制，滾筒直徑在550～600 mm之間、螺旋角度在18°附近是較為理想的滾筒結(jié)構(gòu)。

3）低轉(zhuǎn)速、高牽引力對提升滾筒裝煤性能作用明顯。滾筒轉(zhuǎn)速120 r/min、牽引力6m/min是比較高效的。