块煤转载损失机理及止损应用研究

白文勇，徐青云，李通达

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

近几年，我国煤炭行业持续低迷，如何在不增加投资情况下增加煤炭附加效益成为每个煤炭企业十分关注的问题。同时，我国煤炭市场对煤炭产品种类需求更加细化，而产品种类不同价格相差甚远。提高块煤产品在原煤生产中的比重是煤炭企业应对低迷市场快速有效的手段。而提高块煤产出是一个综合系统的优化的过程，其中运输系统是煤炭企业块煤损失的一个主要环节。因此，块煤转载运输止损是提高块煤产出的最佳途径。

根据在破碎机理方面及机械上的理论研究[1]，煤矿企业在转载环节上已做出很多防破碎装置，但其大部分转载止损均针对于破碎机转载和煤仓转载[2]，这种止损方法存在缓冲装置占据空间较大，缓冲材料消耗大，并且很少涉及胶带运输搭接上的块煤止损等问题。

本文通过对块煤跌落碰撞破碎机理分析，结合矿井胶带转载运输实际情况，利用EDEM模型软件分析块煤转载能量损耗问题，优化矿井现有胶带转载缓冲装置。

1 块煤跌落碰撞破碎机理

在矿井运输系统中造成块煤破碎的因素有很多，但在运输途中的破碎原因相对简单，其实质是物体的反复碰撞、摩擦、挤压。当原煤经过上述过程后，原煤块度不断变小，而单位体积的表面积不断增大，根据邦德裂缝理论破碎的单元功与破碎形成的表面积和体积的几何平均值的增量成正比。为了对抗破碎所做的功，其中主要就是依靠原煤自身抗碎性[3]。

块煤在转载运输过程中的破碎，不仅与自身抗碎性有关，而且与运输设备所提供的动能等有很大的关系。块煤防破碎主要是针对原煤运输系统提出的，块煤破碎主要发生在设备转载点上，因该处是块煤的能量转化点。运输系统中原煤转载点煤流卸载方式是原煤以一定的初速度做平抛运动，其水平方向动能守恒、动量守恒，竖直方向动能增加，动量亦增加。

根据能量守恒、动量守恒，有

式中：v0为胶带运输速度，v1为煤块m1碰撞前的速度。

假设m1以v1的速度碰撞m2的物体或者煤块，碰撞后m1静止，可以得出m2所受到的最大撞击力F。

根据冲量定理,接触单元之间碰撞产生的平均接触力Fca可以表示为：

式中：m1和m2分别为两个碰撞物体的质量；（t1-t2）为物体碰撞接触的平均时间；e为物体碰撞弹性恢复系数。

煤块与煤块间及煤块与其他物体间的碰撞均视为弹塑性碰撞，则由式（3）可知，在防止块煤运输中破碎的问题应从以下三个方面入手：降低块煤运输中的运动速度；延长块煤之间以及块煤与其他物体的碰撞接触时间；减小碰撞物体之间的弹性恢复系数。

2 EDEM转载点仿真模拟分析

EDEM转载点仿真模拟是利用离散元模型模拟分析转载点三维多体接触，通过该方法可获知：煤块与胶带输送机机器表面相互作用的内部行为；煤块颗粒之间相互碰撞的级别、频率和分布；每个煤块的速度与位置；与其他煤块相互冲击、磨损、凝聚和分离相关的能量，有助于对煤矿运输转载点设备的优化。

2.1 模型建立

经过对某矿井下运输转载实际情况发现，建立直线型挡煤板结构模型和弧形挡煤板结构模型，同时建立对应的颗粒与颗粒、颗粒与结构的接触模型进行仿真[4-5]。

将井下胶带输送机的运动轨迹导入CATIA 三维建模软件中作为辅助，将原有转载点直线挡板结构导入模型中，弧形挡板结构模型根据转载点空间要求建立结构导入模型中[6]。模型结构，见图1。

图1 挡煤板结构模型

2.2 煤块颗粒转载运输能量分析

转载点煤块颗粒流动过程能量的监测，见图2。

图2 不同结构挡料板仿真效果及监测区布置

对直线型和弧形挡煤板结构中煤颗粒平均能量进行统计，可以得出不同落差范围内煤颗粒流的平均能量变化情况。统计结果，见表1。

表1 不同测点颗粒平均能量变化

从表中可以明显看出，在Q3～Q5三个位置煤块颗粒完成了从上一运输环节至下一运输环节的转载冲击过程，直线型挡煤板结构模型较弧型挡煤板结构模型能量下降速度快，总能耗较高，容易发生破碎，平均总的能耗比比值为1.33∶1。

2.3 煤块颗粒冲击磨损分析

煤块颗粒在与挡板发生冲击接触过程中，单位冲击长度能耗情况可以评价冲击严重程度。将EDEM中煤块颗粒对挡板结构冲击过程中挡板结构冲击磨损区导出[7]，见图3。

图3 不同挡料板冲击磨损情况

利用EDEM仿真模拟软件自带测量工具对冲击磨损区进行测量。测量结果，见表2。

表2 冲击距离及冲击能量统计

从表中可以看出，直线型的冲击接触长度最短，直线型和弧型单位冲击接触长度内能耗比为6.5∶1。因此，从单位接触长度的能耗比来看，弧型挡料板的能耗更低，能最大化减少碰撞破碎和挡料板冲击磨损。

2.4 煤块颗粒速度分析

两种模型结构煤块颗粒在冲击不同挡板结构时，速度变化曲线，见图4。

图4 煤流速度随时间变化曲线

根据速度变化曲线图可以知道，两种煤流颗粒在转载冲击前的速度相近，均在5 m/s左右；直线挡板结构在冲击后速度降低后又快速增加，而弧型挡板结构在冲击后速度是缓慢增加。冲击过程中颗粒速度变化情况，见表3。

表3 冲击过程中颗粒速度变化

由表3可知，弧型挡板结构速度变化较小，当弧型半径逐渐增大后，速度变化趋近于0；反观直线型结构挡板速度变化大，碰撞损失大。在工程应用中，为了减少碰撞损耗，在不考虑空间尺寸的情况下，可以尽可能的优化弧型半径尺寸，实现能量的最低损耗。

3 工程应用

某煤矿采用胶带运输机运输，转载环节较少，但转载点搭接高度较大（3～5 m），且以直角搭接为主，目前采用在卸料滚筒前方较短距离内布置了直线型结构挡煤板来改变煤流方向，且未使用任何防破碎设备[8-9]。据现场观测，抛卸的煤流几乎以直角方式冲击挡板，发生严重破碎情况，与此同时，产生大量煤尘，严重影响作业环境和威胁煤矿安全。针对以上现场实际情况提出转载改进措施，根据顺直搭接、垂直搭接两种转载形式设置如图5弧型结构挡煤板防破碎装置，使运动的煤流得到缓冲，减小块煤受到撞击破碎。

图5 挡煤板防破碎装置

经过对转载点增设柔性防护、设置缓冲区、增设自溜装置后，转载点处原煤块煤率有大幅度提高，胶带运输块煤提高幅度达20%以上（具体见表4），效果明显。

表4 大巷转载点块煤率

4 结论

根据碰撞机理及利用EDEM转载点仿真模拟分析，得出对转载点块煤率影响较大因素的有块煤颗粒能量损耗、冲击接触时间、速度变化率。

根据理论和模拟分析，结合现场实际情况，对转载点进行改造优化，现场应用后块煤率提高效果显著。