工作面角度对采煤机装煤性能的影响研究

刘 敏

（左权永兴煤化有限责任公司，山西 晋中 032600）

引言

煤炭开采的主要方式包括炮采和机采两种，其中炮采安全性差且效率较低，而机采通过采煤机和刨煤机完成。目前，我国煤矿以机采为主，而且由于刨煤机对工作面的要求较高且能耗较大，我国机采以采煤机为主。从实际生产来看，机采的装煤效率仅为70%，剩余30%只能通过人工清理完成，不仅效率低而且劳动强度大。因此，对于不同综采工作面，不同煤层影响其装煤性能的参数包括有采煤机滚筒的结构参数、位置参数以及地质条件等[1]。本文将以地质条件为基础，研究工作面角度对采煤机装煤性能的影响。

1 采煤机装煤性能的理论研究

采煤机在实际生产中的主要任务为截煤和装煤。目前，针对采煤机截割能力的研究已经开展数年并取得一定成就；而对于采煤机装煤能力的研究相对滞后。总体来讲，采煤机的装煤性能较差，已经成为影响综采工作面生产能力的主要因素之一。对于滚筒采煤机而言，其装煤的理论基础为抛射装煤和推挤装煤。结合生产实践及理论基础，影响滚筒采煤机装煤性能的主要因素除了采煤机具体的形式外，还包括有采煤机滚筒的自身结构、煤炭的物理性质以及采煤机滚筒的工作参数。

1）影响采煤机装煤性能的因素除了煤炭自身的特征外，还与煤炭的湿度、粒度大小等相关。此外，间接影响采煤机装煤性能的因素包括有煤炭的松散程度和孔隙程度。其中，煤炭的粒度越大其对应的装煤性能越好；而煤炭本身的松散程度通过直接影响采煤机滚筒的填充系统对其装煤性能造成影响[2]。

2）影响采煤机装煤性能的因素包括有采煤机滚筒的直径、螺旋升角、截割深度以及叶片外边缘的直径等。其中，采煤机的滚筒直径越大，对应滚筒的截割深度越小，其对应的装煤性能越好；滚筒叶片螺旋升角越小其对应的装煤性能越好。

3）影响采煤机装煤性能的因素包括有采煤机滚筒的旋转反向、旋转速度以及牵引速度等。当采煤机滚筒结构确定后，采煤机的牵引速度和滚筒的旋转速度共同决定滚筒的充填系数进而影响其装煤性能。

在实际生产中，综采工作面与水平面之间必然存在一定的角度，从而影响滚筒采煤机的装煤性能。因此，本文将基于PFC3D软件研究工作面角度对滚筒采煤机装煤性能的影响，为后续采煤机滚筒的结构改进和提升滚筒采煤机的装煤性能奠定基础。

2 PFC3D仿真模型的搭建

根据煤层倾斜角度的大小可将其分为近水平煤层、缓倾斜煤层、中倾斜煤层以及急倾斜煤层。对于工作面角度而言，可将其分为走向倾角和工作倾角[3]。其中，走向倾角指的是采煤机滚筒的轴向方向与水平面之间的夹角；工作倾角指的是滚筒采煤机的行走方向与水平方向的夹角。工作倾角与水平倾角如图1所示。

如图1所示，α为工作倾角，β为走向倾角。结合某矿实际地质条件，走向倾角的取值范围为±10°，工作倾角的取值范围为±20°。本次仿真采煤机建模所依据的参数如下页表1所示。

表1 滚筒采煤机建模参数

图1 采煤机工作角度示意图

3 工作面角度对装煤性能的影响研究

3.1 走向倾角对滚筒采煤机装煤性能的影响

3.1.1 推挤装煤

走向倾角的取值范围为±10°。经仿真分析可知，走向倾角对煤炭在X方向和Z方向的速度影响几乎可以忽略不计，主要对煤炭颗粒Y方向的影响较为明显。在采煤机推挤装煤方式下不同走向倾角对煤炭颗粒Y方向的速度及煤炭颗粒装运率的影响如图2所示。

图2 推挤装煤下走向倾角对煤炭Y方向平均速度和装运率的影响

如图2所示，随着走向倾角的增加对应煤炭颗粒的平均速度呈线性增加趋势；对应的煤炭颗粒的装运率也随着走向倾角的增加而增加，且二者的变化趋势几乎一致。

3.1.2 抛射装煤

走向倾角的取值范围为±10°。经仿真分析可知，走向倾角对煤炭在X方向和Z方向的速度影响几乎可以忽略不计，主要对煤炭颗粒Y方向的影响较为明显[4]。不同走向倾角下对应采煤机抛射装煤方式下对煤炭颗粒Y方向的速度及煤炭颗粒装运率如图3所示。

如图3所示，随着走向倾角的增加对应煤炭颗粒的平均速度呈线性增加趋势；对应的煤炭颗粒的装运率也随着走向倾角的增加而增加，且二者的变化趋势几乎一致。

对比图2、图3可知，同一走向倾角下抛射装煤对应的装煤性能高于推挤装煤。

图3 抛射装煤下走向倾角对煤炭Y方向平均速度和装运率的影响

3.2 工作倾角对滚筒采煤机装煤性能的影响

3.2.1 推挤装煤

工作倾角的范围为±20°。经仿真分析可知，随着工作倾角的增加对应煤炭颗粒X方向的平均速度增大；对应煤炭颗粒Y方向的平均速度减小；对应煤炭颗粒X方向的平均速度处于无规则变化。为对比走向倾角与工作倾角对采煤机装煤性能的影响差距，列出工作倾角对煤炭Y方向平均速度和装运率的影响，如图4所示。

图4 推挤装煤下工作倾角对煤炭Y方向平均速度和装运率的影响

对比图2、图4可知，工作倾角与走向倾角对装煤性能的影响趋势相反，而且走向倾角对采煤机装煤性能的影响大于工作倾角对采煤机装煤性能的影响。

3.2.2 抛射装煤

工作倾角的范围为±20°。经仿真分析可知，随着工作倾角的增加对应煤炭颗粒X方向的平均速度增大；对应煤炭颗粒Y方向的平均速度减小；对应煤炭颗粒X方向的平均速度处于无规则变化。为对比走向倾角与工作倾角对采煤机装煤性能的影响差距，列出工作倾角对煤炭Y方向平均速度和装运率的影响，如下页图5所示。

对比上页图3、图5可知，工作倾角与走向倾角对装煤性能的影响趋势相反，而且走向倾角对采煤机装煤性能的影响大于工作倾角对采煤机装煤性能的影响[5]。

图5 抛射装煤下工作倾角对煤炭Y方向平均速度和装运率的影响

4 结论

1）同等条件下的走向倾角对采煤机装煤性能的影响因子大于工作倾角对采煤机装煤性能的影响因子；

2）同等条件下，基于抛射装煤理论的性能优于基于推挤装煤理论的性能；

3）随着工作面倾角的增大，对应装煤性能降低；随着走向倾角的增大，对应装煤性能增大。