深部煤岩截割理论与实验研究

发布时间：2020-11-10 02:59

　　 滚筒是采煤机截割机构的主要部件,直接作用于煤岩体,其截割性能和载荷特性直接影响着采掘装备的截割效率。同时随着我国煤矿开采深度的不断增加,深部煤层高地应力环境带来的开采问题日益凸显。因此,为研究截齿截割机理、高效滚筒设计方法和深部高地应力对截割破碎过程的影响,本论文从“采煤机截割机构负载预测”和“深部高围压对截割过程的影响机理”两个方面,分析了当前采煤机截割机构破岩过程研究中存在的问题,开展了镐型截齿和滚筒截割负载特性的研究,主要研究工作和结论如下:(1)试制了模拟围压条件下的全尺寸单齿截割试验装置,可实现截割方向加载围压最大为32MPa,可模拟最大开采深度约为1280 m。(2)采用全尺寸截割试验机研究了围压、布置参数(截割间距、截齿冲击角)、进给参数(截割厚度、截割速度)等对截齿截割力的影响规律。试验结果发现截割力均值和比能耗均随围压增大而线性增大,碎屑粒度指数随围压增大而线性减小。最佳截割间距由截割厚度和截割崩落角决定,为S=2dtanψ,且截割间距和截割厚度的比值与截割力之间存在较好的线性关系,即y=0.067x+0.399,为多齿耦合截割过程载荷叠加提供了理论基础。随着冲击角增大,截割力均值和截割比能耗均增大,碎屑粒度指数随之减小。随着截割厚度的增大,截齿截割力呈非线性增大趋势,截割比能耗随之减小,碎屑粒度指数随之增大。另外,在相同截割厚度条件下,截割速度对单齿截割力、碎屑粒度和比能耗的影响均较小。(3)建立了基于岩石断裂力学的镐型截齿截割模型,建立了截齿在滚筒旋转过程中瞬时截割厚度的计算算法,据此形成了采煤机滚筒随机扭矩的计算方法,并通过全尺寸采煤机截割试验验证了该方法的有效性。(4)采用PFC2D离散元软件从细观角度分析了围压和岩石脆性对截割过程的影响机理。模拟结果发现随着围压增大,纵向裂纹的扩展被限制,岩石截割破碎模式由宏观拉伸破坏向剪切破坏转变,导致截割力和比能耗随围压增大而线性增大。对于不同脆性岩石,随截割厚度增大,岩石破碎模式均有由塑性破坏向脆性破坏转变的趋势,且岩石脆性指数越高,脆性破坏特征越显著;在相同压力比条件下,脆性指数较小(B10200)的岩石在压力比为0.6时出现了整体破坏而失稳的现象,而脆性指数B10200的岩石仍能够稳定截割,说明岩石抵抗围压和截割扰动的能力随脆性指数增大而增大。(5)依据滚筒扭矩计算方法,编制了采煤机滚筒扭矩计算软件,并以MG500/1130-WD型采煤机滚筒为例进行了结构优化,采用PFC3D软件模拟了优化前、后的滚筒截割过程。在减少滚筒截齿数量的条件下,仍能够达到相近的截割效果,截割扭矩均值、方差、波动系数及截割比能耗均有小幅降低,从而验证了滚筒优化设计方法的有效性。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD421.6
【部分图文】：

规律和影响机理，建立镐型截齿截割力计算模型，研究多齿耦合过程对力的影响规律，进而提出滚筒负载预测模型，为深部煤岩高效截割机具截割参数选择和采掘装备的选型提供理论依据。 采煤机及截齿类型概述（Summarization of Shearer andes）采煤机是综采工作面最关键的设备，是集机械、电气和液压为一体的复工作环境非常恶劣。采煤机分为单滚筒采煤机和双滚筒采煤机，其中双机在综采工作面中广泛使用。采煤机主要包括截割部、行走部、中间箱等三部分，如图 1-1 所示，其主要用于采煤机的截割牵引运动，包括牵引电机、齿轮减速机构等。中用于安装采煤机的测控系统。截割部主要用于落煤、装煤和调高，包括、齿轮减速机构、摇臂壳体和滚筒等，其中滚筒是直接与煤岩作用的构的优劣直接决定了采煤机的采煤效率。采煤机滚筒主要由端盘、螺旋、齿座和截齿组成，如图 1-2 所示。

包括截割部、行走部、中间箱等三部分，如图 1-1 所煤机的截割牵引运动，包括牵引电机、齿轮减速机构煤机的测控系统。截割部主要用于落煤、装煤和调高机构、摇臂壳体和滚筒等，其中滚筒是直接与煤岩作接决定了采煤机的采煤效率。采煤机滚筒主要由端盘齿组成，如图 1-2 所示。图 1-1 采煤机结构示意图Figure 1-1 The structure of shearer中间箱 行走部截割部滚筒截齿

1 绪论上直接用于破碎煤岩的刀具，其破碎煤岩的的生产效率。为此，截齿应满足以下要求合理，并能够适应不同煤质和截割工况；截齿类型包括刀型截齿和镐型截齿，如图 安装，强度和可靠性较高，适用于韧性、夹机械中应用最广泛的截齿类型，沿滚筒的切线自转。镐型截齿破煤主要靠锥形齿尖的尖以拉伸破坏为主，耗能较少，因此镐型截齿研究截齿为镐型截齿。
【参考文献】

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本文编号：2877368