徐 嬋 ，王義亮 ，楊兆建

1 引言

我國(guó)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(yùn)動(dòng)參數(shù)不匹配，使得薄煤層采煤機(jī)的裝煤效率差一直是一個(gè)突出問(wèn)題，因此提高薄煤層采煤機(jī)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(yàn)和理論推導(dǎo)[2-4]，試驗(yàn)的方法周期長(zhǎng)、投入大，理論推導(dǎo)的結(jié)果與實(shí)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(jī)滾筒為例，重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的目的是為了改善采煤機(jī)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(yùn)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(duì)象。

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

（2）該型號(hào)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)20%，得滾筒轉(zhuǎn)速三個(gè)水平為 n=35.49、44.36、53.24r/min。

（3）目前，國(guó)內(nèi)采煤機(jī)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生堵煤，且考慮到本實(shí)驗(yàn)建立的煤壁較短，取牽引速度三個(gè)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(xì)觀參數(shù)決定，因此需要與真實(shí)煤巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行匹配。通過(guò)大量的單軸抗壓試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)對(duì)煤樣的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行匹配，以上參數(shù)與真實(shí)煤巖參數(shù)相近時(shí)，就認(rèn)為該細(xì)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(shū)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(shí)使用，構(gòu)成無(wú)粘性土結(jié)構(gòu)模型，由于這里的研究對(duì)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(wú)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(duì)Linear Contact Bond Model模型而言，考慮了顆粒之間的力與力矩，相對(duì)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(qiáng)度比，更符合實(shí)際煤巖的情況。該模型需要標(biāo)定的參數(shù)有變形模量fj_emod、凝聚力 fj_coh、抗拉強(qiáng)度 fj_ten、摩擦角 fj_fa。

3.3 細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定

用軟件自帶的Rock Testing程序?qū)γ簶舆M(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)、拉神試驗(yàn)。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(xì)觀參數(shù)標(biāo)定步驟對(duì)模型各參數(shù)進(jìn)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(biāo)定參數(shù)建立煤壁模型，預(yù)先在煤壁上開(kāi)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(guò)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(jì)總共要截割的顆粒數(shù)N，滾筒截割煤巖后，統(tǒng)計(jì)落入采空區(qū)一側(cè)固定區(qū)域內(nèi)的顆粒數(shù)m，通過(guò)η=m/N計(jì)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(jī)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。現(xiàn)利用螺旋升角為21°的滾筒，通過(guò)改變滾筒位置、煤壁形狀，來(lái)研究滾筒轉(zhuǎn)向?qū)ρb煤效率的影響。共進(jìn)行了6組實(shí)驗(yàn)，第1、2、3組為逆轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，第4、5、6組為順轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果，如表3所示。

表3 滾筒轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)結(jié)果Tab.3 Results of Drum Steering Experiments

轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)對(duì)比結(jié)果表明：相同的運(yùn)動(dòng)條件時(shí)，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(shí)，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(jī)處，而順轉(zhuǎn)裝煤時(shí)，顆粒從滾筒底部被帶到滾筒后部，由葉片推擠進(jìn)行裝煤，出煤口位置較低，靠近煤壁側(cè)的堆積煤會(huì)對(duì)其造成阻礙，被推出的難度增加。但逆轉(zhuǎn)時(shí)顆粒被拋出的距離較遠(yuǎn)，可能會(huì)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(guò)拋現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 葉片螺旋升角、轉(zhuǎn)速、牽引速度對(duì)滾筒裝煤性能的正交實(shí)驗(yàn)研究

研究單因素對(duì)滾筒裝煤的影響，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，且無(wú)法反映各因素間的交互影響。而采用正交實(shí)驗(yàn)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(yàn)次數(shù)，又能得到各因素影響的顯著性特征。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of Orthogonal Experiments

因此，采用三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究葉片螺旋升角、滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度對(duì)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(duì)三個(gè)因素的每一個(gè)水平進(jìn)行搭配組合。每次仿真滾筒行走距離一定，每次截割的顆?？倲?shù)相同。最后計(jì)算出每個(gè)組合的裝煤效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析、方差分析，根據(jù)極差分析均值繪制各因素對(duì)裝煤效率的影響趨勢(shì)圖，如圖2所示。

圖2 趨勢(shì)圖Fig.2 Trend Chart

（1）極差、方差分析。三因素中，轉(zhuǎn)速對(duì)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(duì)裝煤效率的影響主次順序?yàn)檗D(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(duì)應(yīng)滾筒原型參數(shù)為 35.49r/min，2.5m/min，21°。

（2）趨勢(shì)圖分析：螺旋升角在（15～18）°時(shí)裝煤效率呈下降趨勢(shì)，在（18～21）°時(shí)顯著上升，在21°時(shí)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(shì)，在（76.8～92.2）r/min時(shí)急劇下降，61.5r/min時(shí)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(yuǎn)，導(dǎo)致拋煤嚴(yán)重。但是轉(zhuǎn)速的選取與牽引速度有關(guān)，當(dāng)牽引速度較小時(shí)，可適當(dāng)再降低轉(zhuǎn)速，以減少過(guò)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(shí)取得最大值，實(shí)際工況時(shí)，牽引速度設(shè)置在2.5m/min左右時(shí)效果最好。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與文獻(xiàn)[8]中拋射裝煤時(shí)，葉片螺旋升角、牽引速度和轉(zhuǎn)速正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。三因素對(duì)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(duì)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(duì)比結(jié)果表明，利用離散元仿真方法進(jìn)行滾筒裝煤過(guò)程的研究方法可行，且具有一定的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

離散元仿真方法較搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究而言，操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、靈活性強(qiáng)，可對(duì)綜采工作面真實(shí)工況進(jìn)行近似模擬，且可以進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn)，為薄煤層采煤機(jī)滾筒裝煤?jiǎn)栴}的研究提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，但該方法在滾筒裝煤方面的研究還需進(jìn)一步的完善：（1）可建立采煤機(jī)搖臂、刮板輸送機(jī)中部槽模型、擋煤板等模型對(duì)滾筒裝煤效率問(wèn)題進(jìn)行深入研究，以符合真實(shí)情況[9-10]。（2）煤壁模型的細(xì)觀參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，使力學(xué)性質(zhì)與真實(shí)煤壁更加吻合，也可以進(jìn)行滾筒截割受力方面的研究。（3）目前已有學(xué)者采用試驗(yàn)與仿真對(duì)比，驗(yàn)證了離散元方法在滾筒裝煤研究方面的準(zhǔn)確性、可行性，可從力學(xué)的角度來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證離散元仿真方法的可行性。