滚筒输煤过程的多尺度分析及力链演化控制方法

The drum’s poor loading performance of shearer has become the bottleneck for safe, efficient and unmanned mining technology in thin coal seam. In this project, in order to improve the drum’s loading performance of thin coal seam shearer and supplement its loading theory and design method, a combination of theoretical analysis, numerical simulation and experiment is utilized to carry out research of multi-scale analysis and force chain evolution control method in coal loading process of drum. By the comparison between numerical simulation and experiment, the relationship of coals’ parameters and discrete element particles’ parameters is to be determined. And the construction of coal wall’s discrete element numerical model and simulation of drum’s loading process are to be realized, which can fulfill the requirements of coals’ cutting characteristics. With help of multi-scale analysis method, the micro-subtle-macro influences and impacts of coal parameters and drum parameters on cutting rocks’ crack expansion, velocity field and its distribution are to be researched. The inner mechanism of drum loading’s low efficiency is to reveal, in order to determine the significance between coal parameters and drum’s loading efficiency, to give a matching scheme of drum and coal parameters based on statistics. On the basis of the abovementioned study, we intend to perform a structural coupling effect decomposition and force train track. According to the research on drum’s shaped structural design, the coal’s force train evolution control method is to realize, which can improve the drum’s design process, realize the targeted design and improve a shearer drum’s coal loading performance in thin coal seam.

采煤机滚筒装煤性能差已成为薄煤层安全、高效、无人化开采技术发展的瓶颈，本项目以提高薄煤层采煤机滚筒输煤性能，完善滚筒输煤理论和设计方法为目标，采用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法开展滚筒输煤过程的多尺度分析及力链演化控制方法研究。通过数值模拟与试验对比确定煤岩参数与离散元颗粒性参数间的关系，实现能够满足截落煤岩特征需求的煤壁离散元数值模型构建和滚筒截煤输煤过程模拟，借助多尺度分析法研究煤岩参数、滚筒参数对截落煤岩裂隙扩展、速度场及分布等微观-细观-宏观现象的影响规律和影响机理，揭示薄煤层采煤机滚筒输煤率低的内在机制，确定煤岩参数对滚筒输煤率影响的显著性，给出基于数据统计的滚筒参数与煤岩参数匹配方案；在此基础上，通过结构耦合作用分解和力链追踪，研究通过滚筒异型结构设计实现煤岩力链演化控制的方法，改善滚筒设计过程，实现薄煤层采煤机滚筒的针对性设计和输煤性能提升。

为解决薄煤层采煤机滚筒装煤性能差这一影响薄煤层安全、高效、无人化开采技术发展的瓶颈问题，项目采用理论分析、数值模拟和试验相结合的方法开展了滚筒输煤过程的多尺度分析及力链演化控制方法研究。通过数值模拟与试验对比确定了煤岩参数与离散元颗粒性参数间的关系，实现了能够满足截落煤岩特征需求的煤壁离散元数值模型构建；通过滚筒截煤输煤模拟及试验对比，优化和完善了滚筒截煤输煤过程的模拟方法；借助多尺度分析法研究了煤岩参数、滚筒参数对滚筒作用下截落煤岩运动轨迹、速度场及分布等微观-细观-宏观现象的影响规律和影响机理，揭示了采煤机滚筒在输煤过程中对煤岩运动的作用机制，确定滚筒筒毂形式、叶片形式、截深、滚筒转速、端盘形式、牵引速度等对滚筒输煤率影响及影响的显著性，给出了滚筒输煤率提升的优化方案；在此基础上，通过结构耦合作用分解和力链追踪，设计了多种异型结构滚筒和截割部，通过煤流空间分布控制、轴向速度与切向速度复合控制实现了煤岩力链演化过程的有效控制。本项目的实施和完成，不仅完善了滚筒设计方法和设计理论、提升了滚筒输煤性能，还为离散元仿真方法在机械工程、矿业工程中的应用做出了重要贡献。研究成果发表SCI论文9篇（其中第一作者论文6篇），申请或授权发明专利12项（其中国外发明专利3项），获中国煤炭科学技术一等奖1项。除此之外，该项目研究过程和采煤机应用现场调研发现，煤质和煤岩含水率对煤岩颗粒的粘附力、摩擦力有显著影响，从而对滚筒输煤过程中的煤岩颗粒运动以及滚筒负载产生重要影响，下一步，课题组将从含水率控制、粘附力和摩擦力控制方面开展滚筒输煤性能提升方法的研究。

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