掘进机截齿截割硬岩的试验与数值模拟研究

发布时间：2016-10-22 06:35

第一章   绪论 

煤炭是我国一次能源的结构主体，根据国家能源局预测，我国煤炭需求总量在 2020年将达到峰值 47.6 亿吨，之后煤炭消费量缓慢下降，年均降低 0.43%，到 2030 年降至45.6 亿吨，因此在未来 10～20 年中，我国煤炭消费仍占能源消费总量的 60%。而采掘比例失调一直是困扰煤炭安全、高效生产的一个主要因素，近年来，岩石巷道比例逐年增加，如原国有重点煤矿年掘进进尺约 10000 km，岩石巷道掘进超过 2000 km，以阳煤集团为例，目前岩石巷道比例已经占到 30%以上。煤炭相关企业及科研院所已经开展多项关于岩巷机械化掘进攻关项目，基本解决岩石抗压强度小于 80MPa 的岩巷综合机械化掘进技术难题，并开发了重型掘进机及相关成套设备。但是由于受地质条件、截齿强度等因素的限制，目前部分断面悬臂式掘进机可经济截割煤岩最大抗压强度为 120 MPa。随着截割岩石硬度的增大，截齿磨损和元部件失效等问题日益突出，因此，为提高掘进机复杂环境下的截割性能，有必要对锥形截齿破岩机理、截齿磨损规律以及掘进机性能预测等方面展开深入研究。 

1.1   截齿破岩理论 
对于机械破碎岩石，不同破岩刀具的破岩机理也不同，另外，岩石材料具有非均质性和各向异性，刀具破碎岩石后形成的岩屑大小具有随机性，因此，建立合理的破岩机理模型，充分认识刀具破岩机理、破碎过程的物理现象及其力学特征一直是很难解决的问题。为分析采掘设备的截割性能，许多国内外学者对岩石破坏机理及作用在截齿上的载荷计算模型进行了大量研究，其中一些方法在工程实例和模拟计算中得到广泛应用。早在 1961 年，Evan[1]首个提出了关于煤的截割力学性能理论模型，分为锥形截齿截割力计算模型(见式(1-1))和凿形截齿截割力计算模型(见式(1-2))，并定义峰值切向力与峰值法向力的关系式(见式(1-3))，其扩展理论广泛用于采煤机、掘进机等挖掘设备的设计。从理论上证明了采用锥形齿或凿形截齿截割岩石的过程中，岩石的抗拉强度与抗压强度对截齿受力的影响占主导地位。
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1.2   国内外岩石截割试验装置的发展与应用
对采掘设备的截割性能预测有多种方法，如理论法、经验法、单齿截割岩石试验、整机截割人造岩壁试验和井下现场试验等[16]。由于岩体结构复杂多变，理论法和经验法的预测结果不准确；大部分试验测试仪器受作业环境、煤矿防爆等条件的限制，无法在井下现场试验使用，数据采集很有局限性；采用整机对人工岩壁进行地面试验的成本很高，少数企业和科研机构才有经济能力进行试验。然而，实验室岩石截割试验装置具有试验结果可靠、成本低及易操作等优势，因此该方法在采矿工程中得到了广泛使用。由NATO-TU项目资助和科罗拉多州矿业大学岩土力学研究所的技术支持，伊斯坦布尔技术大学的N. Bilgin等人设计制造了一台线性截割试验装置（简称LCM）[4]，如图1-1所示。该试验装置安装的刀具固定在龙门横梁上，液压缸推动岩石样品做往复移动，实现岩石的截割过程，最大推进力可达50 t。可容纳最大尺寸为0.7×0.7×1 m的岩石样品。数据采集系统包含8个独立通道，采样频率可调整到50 k Hz，用于记录截割过程中作用于截齿上相互垂直的三个分力。 
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第二章   颗粒流离散元基本理论与细观参数标定 

2.1   概述 
颗粒流离散元方法基于分子动力学思想提出，它的基本构成单元为圆盘和圆球颗粒，利用墙单元作为边界约束。该方法从细观结构角度研究散体、粘结介质的力学特性，可用于解决颗粒间相互作用、大变形、断裂以及岩石工程中裂纹的产生与扩展等问题。与其它常用数值方法相比，Cundall[74]认为颗粒流离散元方法在描述岩石介质特性方面占有很大优势，主要表现为：它可以描述循环加载条件下的滞后效应及中间应力增大时介质特性的脆塑性转化；对介质基本特性随应力场的变化进行模拟；可描述介质的连续非线性应力-应变关系、屈服强度及应变软化或硬化过程；对介质材料的微裂缝形成过程及破裂时声能的扩散过程进行描述；可以反映出应力-应变路径引起的刚度和强度的各向异性问题，并描述强度包络线的非线性特性。 岩石颗粒体模型的宏观力学性质不能根据岩石样品的试验测试结果直接赋值，必须通过定义颗粒半径、接触特性等参数反复尝试，直到岩石颗粒体模型的宏观性质与试验测量的宏观性质相匹配。本章简要介绍颗粒流离散元方法的基本原理及其数学模型，通过大量的单轴抗压强度模拟试验和巴西劈裂模拟试验，对岩石颗粒体模型的宏观性质进行标定，并总结出宏观性质随细观参数的变化规律。 
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2.2   PFC3D 基本理论
在颗粒体模型求解过程中，以力-位移定律和牛顿第二定律为基本理论，根据力-位移定律，使颗粒与颗粒之间、颗粒与墙体之间的接触力随时间步更新；根据牛顿第二定律，使颗粒与墙体的位置随时间步更新，并重新调整颗粒之间的接触关系，见图 2-1。两者循环进行，按时间步迭代并遍历整个颗粒体模型，直至模型内部应力达到平衡状态或发生断裂破坏无法保持稳定状态。颗粒与颗粒之间靠粘结键连结，可分为接触粘结和平行粘结两种类型。当施加于颗粒体上的作用力超过其粘结强度，则粘结发生断裂，视为材料失效。在程序运行过程中，颗粒具有移动和旋转两种运动形式，可自动分离并识别新的接触。PFC3D 的计算周期采用时间步算法，循环过程中，所有颗粒遵循运动定律，每个接触遵循力-位移定律，并不断更新墙体的位置。
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第三章  单齿旋转截割岩石的试验研究 ..... 33 
3.1  概述 ...... 33 
3.2  单齿旋转截割岩石试验装置 ........ 33 
3.3  变切削深度与截齿间距下的岩石截割试验研究 ......... 38
3.4  截齿破岩机理分析 ....... 46
3.5  截齿磨损的试验研究 ........... 51
3.6  小结 ...... 61 
第四章  单齿截割岩石的离散元模拟 ......... 65 
4.1  概述 ...... 65 
4.2  截齿齿尖形状对破岩效果的影响 ........ 65 
4.3  截割模式对截齿载荷特性的影响 ........ 74
4.4  截齿间距对破岩效果的影响 ........ 80 
4.5  截齿磨损的数值模拟研究 .... 85
4.6  小结 ...... 89 
第五章  纵轴式掘进机截割性能评估 ......... 91 
5.1  概述 ...... 91 
5.2  螺旋线数对纵轴式截割头截割性能的影响 ......... 91
5.3 EBZ260W 掘进机人工岩壁截割试验 ........... 98
5.4 EBZ260W 掘进机现场试验 ........ 105 
5.5  掘进机性能预测方法 ......... 107 
5.6  瞬时截割率预测模型的建立 .......110 

第五章   纵轴式掘进机截割性能评估 

5.1   概述

掘进机广泛应用于巷道掘进工程中，其性能预测方法一直备受设计者、工程师及科研人员的关注。掘进机的性能预测一般包括设备选型、生产率预测及截齿消耗量评估三个方面。其中，瞬时截割率是单位时间内截割的煤岩量，它主要受以下几个因素的影响[107]：(a)  岩石性质，如岩石压缩强度、拉伸强度等；(b)  地质条件，，如节理、层理、地下水等；(c)  掘进设备规格，包括截割头功率，机器重量，截割头类型，截齿类型，截齿排布及数量等；(d)  操作参数，如巷道形状及尺寸、斜坡及操作人员经验水平等。上述因素的综合作用决定了掘进设备在一定地质条件下的生产率。 许多学者通过预测瞬时截割率对掘进机性能进行评估，并进行了大量研究。由于井下环境恶劣，很难对截割头的截割功率进行测量，采用计算机程序进行截割模拟是一个稳定、易操作的方法，且通过模拟截割头的实时截割功率计算比能耗进而预测生产率的研究尚未出现。因此，本章提出一种新的生产率预测方法，即利用掘进机截割功率的模拟数据预测瞬时截割率。基于 N.Bilign 建立的单齿截割力数学模型，推导出在任意时刻作用在截割头的截割载荷。然后，由截割扭矩和截割功率之间的关系，建立瞬时截割率预测模型。结合 EBZ260W 纵轴式掘进机截割头的结构设计参数，采用 VB 语言编制模拟程序，可以模拟计算截割头不同工况下的截割功率数据，模拟结果的可靠性通过EBZ260W 纵轴式掘进机的实验室人工岩壁截割试验和现场试验进行验证。 

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总结 

系统分析了截齿破碎煤岩理论、用于岩石截割的数值模拟方法及国内外岩石截割试验装置的发展与应用，其中，对刀具破碎煤岩理论的适用范围、存在的不足之处进行详细论述；讨论不同数值模拟方法应用于岩石截割方面的研究现状，其中颗粒流离散元方法具有非常突出的优势；针对目前现有煤岩截割试验装置的结构特点、刀具运动形式、截割能力及相关研究成果等进行综述，对比发现，旋转截割试验装置更加逼近真实工况。采用理论分析、试验测定和数值模拟相结合的可行性研究方案，对破岩机理、截齿磨损特性、岩石颗粒体-刀具模型的模拟截割试验及掘进机性能预测等方面展开深入探讨。 对颗粒流离散元方法的基本理论、宏观力学特性与颗粒细观参数之间的关系及细观参数标定的一般步骤进行阐述。根据实验室测定的岩石物理力学性质参数，对颗粒体样品进行单轴抗压强度和巴西劈裂强度模拟试验，经过不断尝试，最终得到的颗粒体宏观力学特性与试验测定结果相吻合，且颗粒体样品失效后的裂纹分布与实验室试件失效形成的裂纹一致。另外，总结宏观性质随 kn/ks 的变化规律，为快速获得与实际测量值相匹配的结果提供必要的参考。 合理设计试验方案，利用单齿旋转截割试验平台开展大量试验研究。首先，在不同截齿间距和切削深度条件下进行截割试验，分析截齿间距和切削深度之比(s/d)对比能耗、截割载荷及粗糙度指数的影响，确定该类型砂岩的最佳 s/d 为 3～4。试验结果表明，当切削深度一定时，随截齿间距增大，截割载荷先增大后趋于平稳，一个从过切、裂纹连通到裂纹不连通转变的过程可利用其载荷特征进行描述；统计每组岩屑的质量和尺寸分布数据，计算粗糙度指数，分析结果显示比能耗与粗糙度指数之间呈反比例指数关系，且具有很好的相关性.
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参考文献(略)

本文编号：148749