張 卓

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司綜采一隊(duì)， 山西 大同 037000）

引言

滾筒采煤機(jī)作為煤礦開(kāi)采中最重要設(shè)備，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。目前，許多關(guān)于截齒載荷特性或切削性能都是針對(duì)均勻煤層的，但在現(xiàn)實(shí)條件下，煤層通常具有復(fù)雜的地層，由不同模式的煤巖界面的煤層組成[1]。相對(duì)而言，關(guān)于截齒截割復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層的載荷特性研究較少，可以考慮通過(guò)建立截齒截割復(fù)雜煤層的仿真模型，預(yù)測(cè)不同條件下不同類(lèi)型載荷對(duì)截齒應(yīng)力狀態(tài)的影響。本文制作了3 個(gè)人工煤層，分別含有不同耐壓強(qiáng)度的巖石，3 個(gè)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(jìn)行了一次切割試驗(yàn)，得到相應(yīng)的切割力數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，掌握切割負(fù)荷特性，為礦井采煤機(jī)的振動(dòng)研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了現(xiàn)實(shí)的參考資料。

1 煤巖切割試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

在設(shè)計(jì)出的煤巖切割試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，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(zhuǎn)速在0～120 r/min 范圍內(nèi)；沿滾筒軸向靠近滾筒的煤層速度在0～2 m/min 以?xún)?nèi)；沿垂直于滾筒軸線的方向移動(dòng)的接縫速度在0～1 m/min 范圍內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)的工況模擬設(shè)計(jì)，使得截齒上的一半截齒在截齒旋轉(zhuǎn)和深入煤層的過(guò)程中同時(shí)割煤，截齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 截齒參數(shù)

圖1 煤和巖石切割試驗(yàn)床

采煤機(jī)截齒截割含煤煤層和煤巖界面煤層的過(guò)程非常復(fù)雜，尤其是截齒遇到煤-小斷層界面時(shí)。這時(shí)，截齒將從只割煤的工況過(guò)渡到突然切割巖石的工況。由于煤巖的硬度、耐壓強(qiáng)度等物理性質(zhì)不同，這種情況下截齒會(huì)發(fā)生較大的載荷波動(dòng)，會(huì)影響采煤機(jī)的截割性能和可靠性[2]。因此，為了研究截齒截割復(fù)雜煤層的載荷特性，在試驗(yàn)中，制作了不同形式的煤層（見(jiàn)圖2）。圖2-1 顯示了一個(gè)煤層斷層，這意味著截齒將穿過(guò)煤層、煤層斷層界面，最后穿過(guò)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(shí)割煤和具有煤巖界面的煤層。均質(zhì)煤層和煤巖界面具有不同耐壓強(qiáng)度的煤層是根據(jù)工況標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)研究

2.1 不同煤巖的截割試驗(yàn)

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

五種不同條件下的切割力-時(shí)間關(guān)系示意圖如圖3 所示，圖3 中不同耐壓強(qiáng)度分別為煤層2.73 MPa、巖層 4.55 MPa、巖層 8.71 MPa?？梢钥闯?，所有曲線先在零點(diǎn)附近有波動(dòng)趨勢(shì)（階段1），然后呈上升趨勢(shì)（階段2），當(dāng)達(dá)到最大值范圍時(shí)，載荷呈現(xiàn)一定范圍的水平波動(dòng)（階段3），然后呈持續(xù)下降趨勢(shì)（階段4）。由于巖石的耐壓強(qiáng)度高于均勻煤層，力值在800 N 左右波動(dòng)，力增量與耐壓強(qiáng)度增量的關(guān)系如表2 所示。從實(shí)驗(yàn)值可以看出，隨著巖石與煤層耐壓強(qiáng)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(shí)間的關(guān)系曲線

2.2 煤巖界面煤層不同位置小斷層截割試驗(yàn)

圖4 顯示了包含不同耐壓強(qiáng)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(diǎn)波動(dòng)狀態(tài)（階段1）和峰值狀態(tài)（階段3）、下降狀態(tài)（階段4）的切割力近似遵循正態(tài)分布，上升狀態(tài)（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(dòng)范圍內(nèi)，這意味著選擇會(huì)面臨更嚴(yán)重的受力問(wèn)題。而圖中峰值狀態(tài)（階段3）的切削力峰值對(duì)應(yīng)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(guò)程中，切削載荷隨著時(shí)間逐漸增加，這一過(guò)程是相應(yīng)的截齒切入煤層，由于切削厚度隨著時(shí)間增加直到截齒在水平位置以旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)（最大切削厚度），所以截齒載荷在這一階段會(huì)緩慢增加，切削載荷的變化與均質(zhì)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(dāng)截齒切入煤層切巖時(shí)，載荷突然下降，產(chǎn)生減載過(guò)程，減載是由于截齒切入煤層巖石時(shí)，煤層的抗壓強(qiáng)度小于巖石，截齒對(duì)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(tài)過(guò)渡到煤巖，這個(gè)過(guò)程由于煤層的抗壓強(qiáng)度小于巖石，在巖石破碎的過(guò)程中，煤層已經(jīng)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(zhuǎn)方向與進(jìn)給方向?yàn)殁g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(shì)與切削力相似。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果列于表2。從平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，截齒在頂部切削小斷層的切削力及其波動(dòng)低于在底部切削小斷層的切削力及其波動(dòng)。由于牽引速度的存在，截齒旋轉(zhuǎn)時(shí)，截齒頂部的線速度大于底部的線速度，因此頂部的瞬時(shí)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(yè)表2 中還可以發(fā)現(xiàn)，同時(shí)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(yè)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?yàn)橹行木哂凶畲蠛穸鹊拿簬r界面。

表2 含煤巖界面煤層不同位置的切削載荷統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

在煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了不同形式的截齒截割煤層的試驗(yàn)。對(duì)不同煤巖類(lèi)型截齒截割巖石的截割力-時(shí)間信號(hào)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(lèi)型差異的增加而線性增加。對(duì)不同位置煤巖界面煤層截齒截割信號(hào)分析表明，截齒同時(shí)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(dāng)截齒只截割均勻煤層時(shí)，所有的力-時(shí)間曲線都呈現(xiàn)出圍繞較低水平波動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)截割具有煤巖界面的煤層時(shí)，力-時(shí)間曲線持續(xù)上升，當(dāng)截割具有煤巖界面的煤層時(shí)，力-時(shí)間曲線最終圍繞較高水平波動(dòng)。此研究對(duì)掌握采煤機(jī)在截割過(guò)程的載荷變化特性、實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)性能的升級(jí)優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。