采煤作业中不同工作面倾角对装煤量的影响分析

王志强

（晋能控股煤业集团大同地煤公司青磁窑煤矿， 山西 大同 037000）

煤炭在我国的能源消费中占比较大，随着对煤炭资源的不断开采使用，近年来优质煤炭资源越来越少，人们对薄煤层的开采越来越重视。由于薄煤层开采过程中的空间受限较多，对设备的要求高，且劳动强度大，使得薄煤层的开采长期处于次要地位[1]，开采水平较低。随着采煤机设备的逐渐发展，滚筒式采煤机以其良好的适用性被应用于薄煤层的开采，提高了薄煤层开采的效率，但薄煤层采煤机的装煤效果较差[2]，成为影响薄煤层开采效率的主要因素。在薄煤层的开采中，工作面倾角的不同对采煤机的装煤量具有重要的影响。为提高薄煤层采煤机的装煤效果，增加煤矿的开采效率[3]，针对不同的工作面倾角对装煤量的影响作用进行仿真分析，从而优化开采过程中工作面倾角的设计及选择，为薄煤层的高效开采提供指导。

1 不同工作面倾角采煤模型的建立

薄煤层采煤机在进行采煤装煤的过程中，依据装煤形式的不同，可以分为抛射装煤及推挤装煤[4]。抛射装煤指采煤机滚筒的截割方向与煤岩的截落方向相反，在逆转的过程中形成装煤。抛射装煤过程中，落煤在螺旋滚筒的作用下在中部区域形成的煤量最多，在滚筒叶片的作用下完成装煤。推挤装煤指采煤机滚筒的截割方向与煤岩的截落方向一致，在滚筒顺转的过程中形成装煤[5]。推挤装煤过程中，落煤在自重及滚筒叶片及截齿的作用下，落煤大多堆积在底部，完成装煤。抛射装煤及推挤装煤的作用区域不同，形成的装煤量不同，现对两种装煤方式分别进行模拟分析。

煤矿开采过程中，由于煤层的赋存条件及地质因素的影响作用，实际的工作面常与水平面有一定的角度，使得煤岩在开采过程中受到的重力作用而不一定垂直于采煤机的牵引方向[6]，从而造成采煤机装煤量的不同。采煤机的行进方向与水平面之间的夹角称为工作面倾角。薄煤层开采中工作面倾角的适用范围一般为-20°～20°，在该范围内，建立工作面倾角的仿真模型，对装煤量进行统计分析[7]。

采用PFC 离散元仿真软件，对薄煤层的开采进行建模，利用球形颗粒作为模拟煤层的离散单元，通过接触模型来确定颗粒间的相互运动，实现对煤层变化的模拟[8]。设定滚筒直径为600 mm，截深530 mm，叶片的直径为500 mm，设定6 种不同颜色的颗粒对不同截深的煤岩进行模拟，其中橘黄色颗粒厚度为30 mm，其余均为100 mm，采用颗粒直径为30 mm 的球形颗粒，设定颗粒间的摩擦系数为0.8，墙体的摩擦系数为0.6，建立工作面推挤装煤的模型如图1 所示。

图1 滚筒推挤装煤模型

在图1 中，在滚筒的末端设置台阶、安装接料板，输出的煤落入到接料板中，避免煤炭的堆积对装煤量造成影响。采煤机滚筒的牵引方向为沿着X 轴方向，滚筒轴心与Y 轴平行，通过设定重力的坐标来改变工作面倾角的方向，设定滚筒的牵引速度为3.6 m/min，滚筒转速为90 r/min。选择工作面倾角分别为-20°、-10°、0°、10°、20°[9]，对装煤过程进行模拟，统计有效输出颗粒的累积质量。抛射装煤的模型与推挤装煤相似，仅改变滚筒的牵引方向[10]。

2 工作面倾角对装煤量的影响作用分析

2.1 推挤装煤工作面倾角结果分析

对推挤装煤过程进行模拟，如下页图2 所示为在工作面倾角为-20°时不同截深的颗粒分布模型。改变工作面倾角时，颗粒的分布随之变化。对不同工作面倾角下滚筒进行推挤装煤形成的颗粒累积质量进行统计，得到如下页图3 所示的不同时间时装煤量在不同工作面倾角下的变化曲线。

图2 -20°工作面倾角下的煤岩颗粒的分布

图3 装煤量在不同工作面倾角下的变化曲线（推挤装煤）

从图3 中可以看出，随着装煤时间的增长，颗粒累积的质量逐渐增加，即装煤量增加，在不同的工作面倾角下，随着工作面倾角的增大，颗粒累积质量呈逐渐减小的趋势。在不同的工作面倾角下，滚筒后半侧进行截割后的颗粒在滚筒的作用下具有不同的速度。当工作面倾角较大时，滚筒的后半侧的煤岩颗粒在叶片作用下具有较大的初始速度，飞向滚筒后侧较远的位置，仅有少部分的颗粒落在滚筒的前侧，形成循环煤。当工作面倾角为-20°时，滚筒包裹的颗粒大多被带到滚筒的前侧，形成循环煤，在不断进行装煤过程中，形成的颗粒累积质量较大，即装煤量较大[11]。对比工作面倾角-20°时的装煤量与工作面倾角20°时的装煤量，后者与前者相差1.74 倍。

2.2 抛射装煤工作面倾角结果分析

改变采煤机作业的牵引方向，对抛射装煤过程进行模拟，对不同工作面倾角下滚筒进行抛射装煤形成的颗粒累积质量进行统计，得到如图4 所示的不同时间时装煤量在不同工作面倾角下的变化曲线。

图4 装煤量在不同工作面倾角下的变化曲线（抛射装煤）

从图4 中可以看出，随着装煤时间的增长，颗粒累积的质量逐渐增加，即装煤量增加，在不同的工作面倾角下，随着工作面倾角的变化，抛射装煤颗粒累积质量相差不大，倾角为-20°时的颗粒累积质量最大，倾角为-10°时的颗粒累积质量次之，其余倾角下的颗粒累积质量基本接近。在不同的工作面倾角下，煤岩颗粒在滚筒作用下抛射的速度具有较大的区别，随着工作面倾角的减小，被抛射的煤岩颗粒逐渐减小，但煤岩颗粒的抛出状态随着煤岩倾角的减小逐渐由分散抛出的状态变为团簇状抛出，从而提高了颗粒累积质量。当工作面倾角较小时，因重力的作用指向滚筒的前侧，使得落煤颗粒沿着叶片的边缘运动，在离心力的作用下，造成煤岩颗粒向着叶片的边缘逐渐集中[12]，使得煤岩颗粒逐渐形成团簇状而抛出完成装煤，形成的装煤量较大。

3 结论

1）滚筒式采煤机在进行薄煤层的开采过程中，由于客观条件的限制，使得采煤机的装煤性能成为制约开采效率的主要问题。

2）针对工作面倾角对采煤作业装煤量的影响进行分析，在两种不同的装煤方式中，工作面倾角的不同对推挤装煤量的影响显著，对抛射装煤量的影响较小。

3）在推挤装煤中，随着工作面倾角的增加，装煤量呈逐渐减小的趋势，工作面倾角为-20°时的装煤量是20°时的1.74 倍；而在抛射装煤中，装煤量的整体差值不大，仅在-20°倾角时的装煤量较大。

4）在进行薄煤层的开采过程中，可据此进行工作面倾角的设计选择，从而提高采煤机的装煤量，提高薄煤层的开采效率。