综采工作面运输机窜动的力学论述

罗保平

（山西焦煤官地矿综采三队，山西 太原 030022）

引言

中华人民共和国成立以来，煤炭在我国能源生产和消费结构中一直占2/3以上。相对于石油和天然气，煤炭在我国既具有储量优势，又具有成本优势，且分布也最广泛。随着科学技术的发展，采煤工艺有了日新月异的发展。从人工采煤到炮采、普采再到如今已经普及的综合机械化采煤。综合机械化使煤炭产量得到了极大增长，提高了采煤效率、经济效益及安全系数，降低了工人劳动强度和材料投入成本。但在生产过程中综采工作面运输机经常发生窜动，导致运输机接煤不畅、安全出口宽度不够、支架倒架、支护下降等危害。因此解决运输机窜动问题，可以提高综采工作面安全生产效率，降低生产及人工成本投入[1-2]。

1 运输机窜动原因

引发运输机窜动的原因有很多，主要原因有以下几点：

1）采煤工作面机头机尾的落差较大，因重力原因导致的窜动。

2）在推进过程中因头尾上下山引起工作面采长变化而导致的窜动。

3）因支架结构与外力原因发生和运输机推移角度变化导致的窜动。

根据力学原理，物体运动状态改变来源于外力影响，因此分析运输机窜动原因就应该对推移过程中的运输机进行受力分析。综采工作面由多个支架对整部运输机进行推移，整部运输机作为研究对象受多个支架的推力作用。使用归纳法研究个体对象，具体如下：

1）设工作面只有一部支架一截运输机，则该运输机受到支架推力N。

2）当工作面只有两部支架两截运输机，则该运输机受到支架推力N合（两个支架推力合力）。

归纳可得出整部运输机受到推力N合。运输机作为整体受力分析对象，在分析时无须考虑溜槽之间的相互作用力。而推移运输机过程中，运输机窜动属于垂直于运动方向的位移，因此在对运输机进行倾向受力分析时也无须考虑摩擦阻力的影响（垂直方向的两个合力大于其中任何一个分力）。将一般情况即单个支架与运输机进行受力分析，就可推理出整部运输机的受力情况，即窜动情况。

2 倾斜煤层运输机的受力分析

导致运输机发生窜动是因为运输机在倾向方向受力不均衡，所以对运输机在倾向方向受力进行分析。

2.1 重力对运输机的作用力

倾斜煤层运输机的受力图如图1所示。

图1 倾斜煤层运输机的受力图

图1中，倾角为θ，则运输机受机头方向斜向下分力如下：

2.2 支架推力对运输机的作用力

支架对运输机的推力角度受制于支架的真斜角（支架与走向的夹角），因此必须先对支架进行受力分析，确定出支架推移方向。由于支架与运输机连接方式，支架偏转受支架重力与运输机重力作用于支架的力矩作用，比较运输机作用于支架的偏转力矩及支架受自重所产生的阻力力矩，即可得出支架的偏转方向。力矩示意图如图2所示。

图2 力矩示意图

由图2可知，运输机作用于支架的力矩为向左的逆时针力矩，力臂长度为支架运输机连接点A到支架质心点B的垂直距离H，即该力矩大小如下：

支架由于摩擦力而产生的阻力扭矩为M阻。根据阻力臂公式算出：

式中：μ为金属与煤的静摩擦系数。

比较两者大小，令M运=M阻，由此得出支运力作用平衡方程：

若M运＞M阻，则运输机在倾向方向受到的合力向左，即运输机向低（机头）窜动。

若M运＜M阻，则运输机的作用力矩不能使支架发生偏转，而支架重心在移架过程中受到斜面水平向下重力分力的作用，力矩平衡破坏，支架将发生以连接点A为支点的顺时针偏转，真斜角α随着推移不断增大，支架推力F推出现向右（机尾）的分力。因F推极大，约188 kN（取推拉千斤缸径100 mm），所以真斜角α的临界值很小。当F推sinα＞G运sinθ时，则运输机在倾向方向受到的合力向右，即运输机向高（机尾）窜动。偏转推力窜动临界方程为：

从力作用平衡方程可以看出，运输机与支架的重力比越大，运输机越趋向于向低处窜动。倾角θ角度越大，正弦值增大，余弦值减小，运输机越趋向于向低处窜动。支架重心越靠后（l值越小）运输机越趋向于向低处窜动。上述情况反之亦然。实际生产中可以通过查阅设备资料和现场测量，得到该方程各项数值，将其代入后进行比较，以确定工作面运输机窜动的性状。

3 落差变化对运输机窜动的影响

1）若运输机支架力矩满足M运＞M阻，则判断较为简单，运输机向低处窜动，结合落差引起的采长变化即可得出运输机的窜动规律。

2）若运输机支架力矩M运＜M阻，分析图3情况：

图3 运输机从高处向水平位置下山

由图3表明，O点的支架在下山过程中受重力影响，重心趋向于垂直水平位置的A点。而运输机作为一个整体，其在下山过程中垂直斜面重心落于B点。由此可得出，运输机在下山过程中将作用于支架一个向右的偏转力矩。

综上得出结论：运输机窜动趋势向右，工作面右部采长变短，右部运输机延出。

落差变化时运输机的窜动，要根据运输机因横向位置发生位移而作用于支架的偏转力矩及重力在斜面的分力作用于支架的偏转力矩判断。若两种力矩转动方向相反，则支架偏转力矩抵消，运输机窜动趋向不明显；若两种力矩转动方向相同，则支架偏转力矩叠加，运输机出现窜动趋势。

4 运输机窜动的测量与判断

运输机本身除支架推力之外处于静止状态，因此支架推力与运输机重力合力是运输机发生窜动的根本原因。可使用隔爆型数显角度仪测量所有支架的真斜角求和取平均值，将数值带入窜动临界方程比较大小，就可准确判断出运输机的即时窜动趋向。

一般情况下，可通过支架两前柱与运输机挡板的距离差先测算出支架和运输机垂线的角度β，再根据工作面超前距离测算出伪斜角θ。二者相减就可得到真斜角α，即“去伪求真”。

下页图4中，支架两立柱距离d，两柱距离差ΔS。工作面总长度L，工作面超前距离S，测量架数n。则可得出：

图4 运输机窜动的测量

α=β-θ。若α=0，则运输机没有窜动趋势；若α为正值，说明支架合角偏向于超前方向；若α为负值，说明支架合角偏向于滞后方向。将α值带入窜动方程，即可计算出运输机的窜动趋势。

5 结语

工业的发展离不开自然哲学的理论基础。运输机窜动一直以来都是困扰采煤工作者的一道难题。对于窜动进行规律总结判断时，不应该盲目地根据事情外在的表象由表推里，由结果推定原因；而是应该从根本上利用最基础的经典物理学进行解析，这样才能找到事情的本质起因，进而找到切实有效的预防解决办法。这也是工程技术人员应该使用的科学手段。