矿井采煤机作业过程中的载荷特性分析

张 卓

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司综采一队， 山西 大同 037000）

引言

滚筒采煤机作为煤矿开采中最重要设备，受到了国内外研究者的广泛关注。目前，许多关于截齿载荷特性或切削性能都是针对均匀煤层的，但在现实条件下，煤层通常具有复杂的地层，由不同模式的煤岩界面的煤层组成[1]。相对而言，关于截齿截割复杂结构煤层的载荷特性研究较少，可以考虑通过建立截齿截割复杂煤层的仿真模型，预测不同条件下不同类型载荷对截齿应力状态的影响。本文制作了3 个人工煤层，分别含有不同耐压强度的岩石，3 个人工煤层分别含有一层或两层不同位置有煤岩界面的煤层，并进行了一次切割试验，得到相应的切割力数据，并进行分析，掌握切割负荷特性，为矿井采煤机的振动研究和结构设计提供了现实的参考资料。

1 煤岩切割试验系统介绍

在设计出的煤岩切割试验台上进行了试验，如图1 所示，图1 中的1 和2 分别表示煤层和螺旋叶片。截齿的转速在0～120 r/min 范围内；沿滚筒轴向靠近滚筒的煤层速度在0～2 m/min 以内；沿垂直于滚筒轴线的方向移动的接缝速度在0～1 m/min 范围内。通过试验台的工况模拟设计，使得截齿上的一半截齿在截齿旋转和深入煤层的过程中同时割煤，截齿的结构参数见表1。

表1 截齿参数

图1 煤和岩石切割试验床

采煤机截齿截割含煤煤层和煤岩界面煤层的过程非常复杂，尤其是截齿遇到煤-小断层界面时。这时，截齿将从只割煤的工况过渡到突然切割岩石的工况。由于煤岩的硬度、耐压强度等物理性质不同，这种情况下截齿会发生较大的载荷波动，会影响采煤机的截割性能和可靠性[2]。因此，为了研究截齿截割复杂煤层的载荷特性，在试验中，制作了不同形式的煤层（见图2）。图2-1 显示了一个煤层断层，这意味着截齿将穿过煤层、煤层断层界面，最后穿过小断层；图2-2 分别显示了由顶部和底部具有煤岩界面的煤层组成的煤层。在这种情况下，截齿将同时割煤和具有煤岩界面的煤层。均质煤层和煤岩界面具有不同耐压强度的煤层是根据工况标准中制造人造岩层的方法，用不同的煤和水泥比例制成的[3]。

图2 含煤岩界面的不同煤层组成的煤层

2 截齿截割断层煤层的试验研究

2.1 不同煤岩的截割试验

为研究均匀煤层和岩层时的切割力特性，设置耐压强度为 0.69 MPa、1.58 MPa、2.73 MPa 和 4.55 MPa和8.71 MPa。五次试验中选取的转速均匀设置为60 r/min，煤层的初始速度均设置为0.6 m/min。

五种不同条件下的切割力-时间关系示意图如图3 所示，图3 中不同耐压强度分别为煤层2.73 MPa、岩层 4.55 MPa、岩层 8.71 MPa。可以看出，所有曲线先在零点附近有波动趋势（阶段1），然后呈上升趋势（阶段2），当达到最大值范围时，载荷呈现一定范围的水平波动（阶段3），然后呈持续下降趋势（阶段4）。由于岩石的耐压强度高于均匀煤层，力值在800 N 左右波动，力增量与耐压强度增量的关系如表2 所示。从实验值可以看出，随着岩石与煤层耐压强度差的增大，力增量呈线性增大。

图3 截齿切削煤或岩层的切削力与时间的关系曲线

2.2 煤岩界面煤层不同位置小断层截割试验

图4 显示了包含不同耐压强度的岩石的截齿切割煤层的切割力，图中分别为顶部、中心、底部。显然，零点波动状态（阶段1）和峰值状态（阶段3）、下降状态（阶段4）的切割力近似遵循正态分布，上升状态（阶段2）的概率密度分布是分散的，即阶段2 的力值在较大的波动范围内，这意味着选择会面临更严重的受力问题。而图中峰值状态（阶段3）的切削力峰值对应的力值最大。

如图4 所示的载荷在有煤岩界面切削载荷的煤和煤层的切削过程中，切削载荷随着时间逐渐增加，这一过程是相应的截齿切入煤层，由于切削厚度随着时间增加直到截齿在水平位置以旋转中心旋转（最大切削厚度），所以截齿载荷在这一阶段会缓慢增加，切削载荷的变化与均质煤层中的切削载荷变化一致。

图4 不同位置含煤岩界面的煤层的切割力

当截齿切入煤层切岩时，载荷突然下降，产生减载过程，减载是由于截齿切入煤层岩石时，煤层的抗压强度小于岩石，截齿对破碎煤的载荷较小，但岩层不受截齿切入煤层的影响。由于截齿截割从相态过渡到煤岩，这个过程由于煤层的抗压强度小于岩石，在岩石破碎的过程中，煤层已经被破坏，所以载荷比以前更低。随着截齿切削再次回到割煤阶段，但由于这一阶段截齿的旋转方向与进给方向为钝角，切削厚度减小，因此载荷均匀减小。轴向和径向力的变化趋势与切削力相似。

对数据进行统计分析，结果列于表2。从平均值和标准差可以看出，截齿在顶部切削小断层的切削力及其波动低于在底部切削小断层的切削力及其波动。由于牵引速度的存在，截齿旋转时，截齿顶部的线速度大于底部的线速度，因此顶部的瞬时切削厚度较小。因此，截齿在其顶部切割小断层的切削力较小。从上页表2 中还可以发现，同时以煤岩界面为中心的截齿切削煤层的切削力最大，但这种情况下的力增量大于另外两种情况下的力增量之和。从上页表2 中还可以看出，切削力随着煤层与煤岩界面位置的不同而变化，并且中心位置的切削载荷比其他位置大，因为中心具有最大厚度的煤岩界面。

表2 含煤岩界面煤层不同位置的切削载荷统计

3 结语

在煤岩截割试验台上进行了不同形式的截齿截割煤层的试验。对不同煤岩类型截齿截割岩石的截割力-时间信号的分析表明，截齿截割岩石与均匀煤之间的力增量随着煤岩界面间煤岩类型差异的增加而线性增加。对不同位置煤岩界面煤层截齿截割信号分析表明，截齿同时截割煤层顶部和底部煤岩界面煤层的力增量大于顶部和底部，但小于两者之和。当截齿只截割均匀煤层时，所有的力-时间曲线都呈现出围绕较低水平波动的趋势，当截割具有煤岩界面的煤层时，力-时间曲线持续上升，当截割具有煤岩界面的煤层时，力-时间曲线最终围绕较高水平波动。此研究对掌握采煤机在截割过程的载荷变化特性、实现对采煤机结构性能的升级优化具有重要指导意义。