羅保平

（山西焦煤官地礦綜采三隊，山西 太原 030022）

引言

中華人民共和國成立以來，煤炭在我國能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中一直占2/3以上。相對于石油和天然氣，煤炭在我國既具有儲量優(yōu)勢，又具有成本優(yōu)勢，且分布也最廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采煤工藝有了日新月異的發(fā)展。從人工采煤到炮采、普采再到如今已經(jīng)普及的綜合機械化采煤。綜合機械化使煤炭產(chǎn)量得到了極大增長，提高了采煤效率、經(jīng)濟效益及安全系數(shù)，降低了工人勞動強度和材料投入成本。但在生產(chǎn)過程中綜采工作面運輸機經(jīng)常發(fā)生竄動，導(dǎo)致運輸機接煤不暢、安全出口寬度不夠、支架倒架、支護下降等危害。因此解決運輸機竄動問題，可以提高綜采工作面安全生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)及人工成本投入[1-2]。

1 運輸機竄動原因

引發(fā)運輸機竄動的原因有很多，主要原因有以下幾點：

1）采煤工作面機頭機尾的落差較大，因重力原因?qū)е碌母Z動。

2）在推進過程中因頭尾上下山引起工作面采長變化而導(dǎo)致的竄動。

3）因支架結(jié)構(gòu)與外力原因發(fā)生和運輸機推移角度變化導(dǎo)致的竄動。

根據(jù)力學(xué)原理，物體運動狀態(tài)改變來源于外力影響，因此分析運輸機竄動原因就應(yīng)該對推移過程中的運輸機進行受力分析。綜采工作面由多個支架對整部運輸機進行推移，整部運輸機作為研究對象受多個支架的推力作用。使用歸納法研究個體對象，具體如下：

1）設(shè)工作面只有一部支架一截運輸機，則該運輸機受到支架推力N。

2）當工作面只有兩部支架兩截運輸機，則該運輸機受到支架推力N合（兩個支架推力合力）。

歸納可得出整部運輸機受到推力N合。運輸機作為整體受力分析對象，在分析時無須考慮溜槽之間的相互作用力。而推移運輸機過程中，運輸機竄動屬于垂直于運動方向的位移，因此在對運輸機進行傾向受力分析時也無須考慮摩擦阻力的影響（垂直方向的兩個合力大于其中任何一個分力）。將一般情況即單個支架與運輸機進行受力分析，就可推理出整部運輸機的受力情況，即竄動情況。

2 傾斜煤層運輸機的受力分析

導(dǎo)致運輸機發(fā)生竄動是因為運輸機在傾向方向受力不均衡，所以對運輸機在傾向方向受力進行分析。

2.1 重力對運輸機的作用力

傾斜煤層運輸機的受力圖如圖1所示。

圖1 傾斜煤層運輸機的受力圖

圖1中，傾角為θ，則運輸機受機頭方向斜向下分力如下：

2.2 支架推力對運輸機的作用力

支架對運輸機的推力角度受制于支架的真斜角（支架與走向的夾角），因此必須先對支架進行受力分析，確定出支架推移方向。由于支架與運輸機連接方式，支架偏轉(zhuǎn)受支架重力與運輸機重力作用于支架的力矩作用，比較運輸機作用于支架的偏轉(zhuǎn)力矩及支架受自重所產(chǎn)生的阻力力矩，即可得出支架的偏轉(zhuǎn)方向。力矩示意圖如圖2所示。

圖2 力矩示意圖

由圖2可知，運輸機作用于支架的力矩為向左的逆時針力矩，力臂長度為支架運輸機連接點A到支架質(zhì)心點B的垂直距離H，即該力矩大小如下：

支架由于摩擦力而產(chǎn)生的阻力扭矩為M阻。根據(jù)阻力臂公式算出：

式中：μ為金屬與煤的靜摩擦系數(shù)。

比較兩者大小，令M運=M阻，由此得出支運力作用平衡方程：

若M運＞M阻，則運輸機在傾向方向受到的合力向左，即運輸機向低（機頭）竄動。

若M運＜M阻，則運輸機的作用力矩不能使支架發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而支架重心在移架過程中受到斜面水平向下重力分力的作用，力矩平衡破壞，支架將發(fā)生以連接點A為支點的順時針偏轉(zhuǎn)，真斜角α隨著推移不斷增大，支架推力F推出現(xiàn)向右（機尾）的分力。因F推極大，約188 kN（取推拉千斤缸徑100 mm），所以真斜角α的臨界值很小。當F推sinα＞G運sinθ時，則運輸機在傾向方向受到的合力向右，即運輸機向高（機尾）竄動。偏轉(zhuǎn)推力竄動臨界方程為：

從力作用平衡方程可以看出，運輸機與支架的重力比越大，運輸機越趨向于向低處竄動。傾角θ角度越大，正弦值增大，余弦值減小，運輸機越趨向于向低處竄動。支架重心越靠后（l值越?。┻\輸機越趨向于向低處竄動。上述情況反之亦然。實際生產(chǎn)中可以通過查閱設(shè)備資料和現(xiàn)場測量，得到該方程各項數(shù)值，將其代入后進行比較，以確定工作面運輸機竄動的性狀。

3 落差變化對運輸機竄動的影響

1）若運輸機支架力矩滿足M運＞M阻，則判斷較為簡單，運輸機向低處竄動，結(jié)合落差引起的采長變化即可得出運輸機的竄動規(guī)律。

2）若運輸機支架力矩M運＜M阻，分析圖3情況：

圖3 運輸機從高處向水平位置下山

由圖3表明，O點的支架在下山過程中受重力影響，重心趨向于垂直水平位置的A點。而運輸機作為一個整體，其在下山過程中垂直斜面重心落于B點。由此可得出，運輸機在下山過程中將作用于支架一個向右的偏轉(zhuǎn)力矩。

綜上得出結(jié)論：運輸機竄動趨勢向右，工作面右部采長變短，右部運輸機延出。

落差變化時運輸機的竄動，要根據(jù)運輸機因橫向位置發(fā)生位移而作用于支架的偏轉(zhuǎn)力矩及重力在斜面的分力作用于支架的偏轉(zhuǎn)力矩判斷。若兩種力矩轉(zhuǎn)動方向相反，則支架偏轉(zhuǎn)力矩抵消，運輸機竄動趨向不明顯；若兩種力矩轉(zhuǎn)動方向相同，則支架偏轉(zhuǎn)力矩疊加，運輸機出現(xiàn)竄動趨勢。

4 運輸機竄動的測量與判斷

運輸機本身除支架推力之外處于靜止狀態(tài)，因此支架推力與運輸機重力合力是運輸機發(fā)生竄動的根本原因?？墒褂酶舯蛿?shù)顯角度儀測量所有支架的真斜角求和取平均值，將數(shù)值帶入竄動臨界方程比較大小，就可準確判斷出運輸機的即時竄動趨向。

一般情況下，可通過支架兩前柱與運輸機擋板的距離差先測算出支架和運輸機垂線的角度β，再根據(jù)工作面超前距離測算出偽斜角θ。二者相減就可得到真斜角α，即“去偽求真”。

下頁圖4中，支架兩立柱距離d，兩柱距離差ΔS。工作面總長度L，工作面超前距離S，測量架數(shù)n。則可得出：

圖4 運輸機竄動的測量

α=β-θ。若α=0，則運輸機沒有竄動趨勢；若α為正值，說明支架合角偏向于超前方向；若α為負值，說明支架合角偏向于滯后方向。將α值帶入竄動方程，即可計算出運輸機的竄動趨勢。

5 結(jié)語

工業(yè)的發(fā)展離不開自然哲學(xué)的理論基礎(chǔ)。運輸機竄動一直以來都是困擾采煤工作者的一道難題。對于竄動進行規(guī)律總結(jié)判斷時，不應(yīng)該盲目地根據(jù)事情外在的表象由表推里，由結(jié)果推定原因；而是應(yīng)該從根本上利用最基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)進行解析，這樣才能找到事情的本質(zhì)起因，進而找到切實有效的預(yù)防解決辦法。這也是工程技術(shù)人員應(yīng)該使用的科學(xué)手段。