不同约束板状岩体截割破碎特性研究

发布时间：2020-08-08 03:51

【摘要】：煤炭是我国主要的一次性消费能源,以地下开采为主,巷道是保证煤炭连续生产的主要运输通道。岩巷掘进中,主要采用增大截割功率的方法来提高掘进机的硬岩破碎能力,造成掘进机体积和重量的增加,并且由于截割刀具的制造工艺和强度没有改变,导致截割刀具磨损加剧,掘进成本提高,影响巷道掘进效率。研究新的巷道硬岩破碎方法,提高硬岩截割能力和效率,降低掘进机功率和重量,对巷道掘进中生产成本的降低具有重要意义。本文提出一种金刚石锯片-截齿联合破岩方案,利用金刚石锯片对岩石切缝形成板状岩体,在此基础上利用截齿对板状岩体进行截割破碎,以增强截割头截割能力,提高截割效率,从而全面提高巷道掘进速度。本文以截齿破碎板状岩体为研究对象,利用理论和数值模拟方法分析截齿破岩过程,搭建岩板截割试验台,研究板状岩体断裂结果和峰值截割力的影响因素,为金刚石锯片-截齿联合破岩方法在巷道掘进中的应用提供理论和试验依据。在研究岩石结构特点、物理性质和力学性质的基础上,分析了截齿破岩过程及截割力的影响因素。基于弹性薄板理论,建立了岩板在截齿作用下的力学模型,给出了边和角点在不同约束条件下的边界求解条件。基于金刚石锯片-截齿联合破岩方法,分析了巷道掘进中容易出现的板状岩体约束形式,通过不同边界条件对不同约束的板状岩体进行了弯曲求解,得出了最大挠度位置和最大弯矩位置,对板状岩体的断裂位置进行了预测。利用有限元软件建立了截齿破碎岩石的数值模拟模型,采用损伤本构模型和侵彻失效相结合的方法,实现了截齿作用下对岩石裂纹扩展和岩块分离过程的模拟。对测试点失效机理的研究表明,岩石破碎的主要原因是拉伸失效,这与理论分析相同。通过数值模拟方法分析了截齿截割速度、切削深度和岩石弹性模量对岩石破碎块度的影响,研究了岩石抗压强度和截割深度对截割力及截割比能耗的影响。搭建了岩板截割试验台,主要包括岩板截割组件、测试信号采集系统和液压动力系统。制定了截齿破碎岩板性能的单因素影响试验方案,主要研究岩石性质、岩板厚度、截齿截深、岩板宽度和高度等因素对岩板破碎结果和峰值截割力的影响。岩石性质由单轴抗压强度试验和巴西劈裂法测得。板状岩体破碎试验表明,对于三边约束岩板,峰值截割力随岩石抗压强度、岩板厚度和截齿截深的增大而呈指数增大,随岩板宽度和高度的增大呈指数降低;对于两邻边约束岩板,峰值截割力随岩石抗压强度的增大呈线性增大,随岩板厚度的增大和截深的增大呈指数增大,随岩板宽度和厚度的增大呈指数降低;对于一边约束岩板,峰值截割力随岩石抗压强度和截深的增大呈线性增大,随岩石厚度和岩板宽度的增加呈指数增加,随岩板高度的增加呈线性降低。建立了单截齿破碎岩板的数值模型,对截齿破碎岩板的过程进行了模拟,结果表明在岩板主裂纹产生时截割力达到最大值,通过单元失效模型得出,岩板断裂的原因同样是由于拉伸失效。数值模拟中对稳定峰值截割力进行了研究,岩石抗压强度越大,稳定峰值截割力越大,稳定峰值截割力对应岩板最小宽度和高度也越大。数值模拟同样对截割位置、截割角度和围压等对峰值截割力的影响进行了研究,结果表明,峰值截割力随截割角度和围压的增大先增大后减小,截齿截割位置越靠近固定边,截割力越大。对三种约束条件下的岩板破碎峰值截割力进行了对比,结果表明,固定边数量越多,同截割参数下的峰值截割力越大。本文通过搭建岩板截割试验台进行的岩板破碎试验,获得了截齿破碎板状岩体的截割力和岩体破碎结果,为金刚石锯片-截齿联合方法在巷道掘进中的应用提供了试验依据。通过试验与数值模拟结果的对比验证了数值模拟结果的正确性,为截齿破碎板状岩体的微观研究供了新的思路和方法。板状岩体破碎截割力与传统破岩截割力的对比表明,金刚石锯片-截齿联合破岩方法可以有效降低截齿截割力,提高巷道的掘进速度。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD263
【图文】：

截割功率的方法，但加大功率势必增大采掘装备的体积，并且采掘装备的截割逡逑刀具没有改变，其强度没有提升，单单增大功率使得工作面粉尘量增大、截割逡逑机构的磨损加剧，甚至使合金头整体脱落，如图２－１所示。这种方法虽然对提高逡逑截割效率有一定提升，能够实现硬质岩石破碎，但是增加了巷道掘进成本。逡逑，■NB？、逦■■■ｊｉｍｉｉｋ．＇＇－－－逡逑＿逦＿逡逑ｍ逦？逡逑（ａ）截齿边缘磨逦（ｂ）合金头脱落逡逑图２－１截齿磨损逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｃｏｎｉｃａｌ邋ｐｉｃｋ邋ｗｅａｒ逡逑为减小采掘装备的体积和重量，使采掘装备能够更好地适用于坚硬煤岩，逡逑且具有较高的截割能力和效率，迫切需要研宄一种新的破岩方法，进而开发出逡逑先进的岩巷掘进装备，加快岩巷掘进施工速度，确保采掘正常接续，对我国煤逡逑炭的安全高效开采和可持续发展具有极其重要的意义。逡逑本课题依据工程实际，以减小刀具受力和磨损、提高采掘装备破碎坚硬煤逡逑岩能力和提高采掘效率为目标，在掌握工作机构破岩系统动力学性能和运动规逡逑律的基础上

文中对截割比能耗进行了深入的研宄，指出截割比能耗与单轴抗压强度逡逑和单轴抗拉强度成线性关系，截割比能耗随单轴抗拉强度和单轴抗压强度的增逡逑大而越大，截割比能耗随弹性模量的增加呈现指数增加，截割试验台如图２－２所逡逑７Ｆ邋0逡逑５逡逑

中国矿业大学的高魁东基于滚筒装煤机理，展开了对采煤机装煤性能的试验逡逑研宄和仿真方法研宄，并讨论了工作面角度和滚筒位置参数对装煤性能的影响，逡逑煤岩截割试验台如图２－４所示。逡逑１１逡逑

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本文编号：2785004