第一章煤巖截割理論

第一篇采掘機(jī)械

礦井基本開(kāi)采方式及主要機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)介西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第一章煤巖截割理論

采煤機(jī)械的工作對(duì)象是煤和巖石,破碎煤巖礦體是采煤機(jī)械最主要的功能.研究刀具和工作機(jī)械破碎煤巖的方法、機(jī)理、載荷、參數(shù)、動(dòng)力學(xué)等的基本規(guī)律，就是煤巖截割理論。

西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第一節(jié)煤巖的物理機(jī)械性質(zhì)采掘機(jī)械的工作對(duì)象是煤和巖石，為了合理地設(shè)計(jì)、制造和選用采掘機(jī)械，以及探求高效低能耗破碎煤巖，必須對(duì)煤和巖石的物理、機(jī)械性質(zhì)有所研究和了解。煤和巖石的物理性質(zhì)包括密度、孔隙度、含水量、松散性、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性、傳熱性等，機(jī)械性質(zhì)包括彈性、塑性、脆性、強(qiáng)度、硬度、堅(jiān)固性、截割阻抗、磨蝕性等。對(duì)采煤機(jī)械結(jié)構(gòu)影響最大的是煤巖的機(jī)械性質(zhì)。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院一、煤巖的物理性質(zhì)煤巖的物理性質(zhì)主要是指容重、濕度、松散性、孔隙性、導(dǎo)電性和熱脹性以及穩(wěn)定性等，其中與采掘密切相關(guān)的有以下幾種：

1．容重煤巖的容重是指單位體積煤巖在干燥狀態(tài)下的重量(質(zhì)量)。它在很大程度上反映了煤巖的機(jī)械強(qiáng)度。

2．濕度煤巖的濕度用其含水率表示。含水率是指在煤巖的縫隙中存留的水的重量與煤巖固體重量之比。含水率高的煤巖體，結(jié)構(gòu)被弱化，其強(qiáng)度明顯降低。采掘這樣的煤巖時(shí)，功率消耗會(huì)明顯降低，而且粉塵也將減少。但巷道的圍巖易產(chǎn)生變形，巷道維護(hù)的難度增加。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3．松散性松散性是指煤巖被破碎后，其容積增大的性能。破碎后與破碎前煤巖的容積之比稱為煤巖的松散比(或稱松散系數(shù))。4．穩(wěn)定性．煤巖的穩(wěn)定性是指煤巖暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。二、煤巖的機(jī)械性質(zhì)煤巖的機(jī)械性質(zhì)是指煤巖體受到機(jī)械施加的外力時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。在破碎煤巖時(shí)，可借助于煤巖的機(jī)械性質(zhì)選擇對(duì)煤巖體作用力的形式、破巖工具的種類和形狀等。因此，采用機(jī)械法破巖時(shí)，了解煤巖的機(jī)械性質(zhì)尤為重要。煤巖的機(jī)械性質(zhì)主要是指強(qiáng)度、硬度、接觸強(qiáng)度、彈塑性和脆性、堅(jiān)硬度、截割阻抗、摩擦與磨蝕性等。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1．強(qiáng)度煤巖體在一定條件下受外力作用開(kāi)始破壞時(shí)所具有的極限應(yīng)力值稱為煤巖的強(qiáng)度。由于煤巖為非均質(zhì)材料，各向異性，其抗壓、抗剪和抗拉強(qiáng)度(分別用、和表示)在數(shù)值上大約有如下關(guān)系：

層理和節(jié)理發(fā)育的煤巖體，其強(qiáng)度要低于層理和節(jié)理不發(fā)育的煤巖體；沿垂直層方向的強(qiáng)度要高于平行層理方向的強(qiáng)度。

2．硬度煤巖的硬度是指煤巖抵抗尖銳工具侵入的性能，它反映煤巖體在較小的局部面積上抵抗外力作用而不被破壞的能力。其大小取決于煤巖體的結(jié)構(gòu)、組成顆粒的硬度及形狀和排列方式等。硬度越大，截割、鉆鑿越困難。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3．接觸強(qiáng)度接觸強(qiáng)度可按n次下壓測(cè)壓頭上的載荷值(巖石材料脆性破壞的瞬間壓頭的載荷，單位為N)與壓頭下表面積S(單位)之比來(lái)確定

4．彈性、塑性與脆性煤巖體的彈性、塑性與脆性是反映煤巖受外力作用與其變形之間關(guān)系的性質(zhì).

彈性：即當(dāng)撤消所受外力后，煤巖恢復(fù)原來(lái)形狀和體積的性能。

塑性：即當(dāng)作用于煤巖體上的外力消失后，其形狀和體積不能得到恢復(fù)的性能。

脆性：即煤巖被破碎時(shí)不帶殘余變形的性能。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院5．堅(jiān)固性堅(jiān)固性是一種表示煤巖破碎難易程度的綜合指標(biāo)。普氏用堅(jiān)固性系數(shù)(又稱普氏系數(shù))來(lái)表示煤巖的堅(jiān)固性大小?？梢酝ㄟ^(guò)采樣、搗碎、篩分、量筒測(cè)高的方法來(lái)求得工作面煤巖的堅(jiān)固性系數(shù)，也可以根據(jù)煤巖的極限抗壓強(qiáng)度的大小近似地確定。一般f<4為煤，f=4-8為中等堅(jiān)固巖石。煤分為三級(jí)，f<1.5為軟煤，f=1.5-3為中硬煤，f>3為硬煤。對(duì)于具有不同堅(jiān)固性系數(shù)的巖石，應(yīng)選用與之相適應(yīng)的破碎方法和采掘機(jī)械。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院6．截割阻抗利用專用設(shè)備，采用標(biāo)準(zhǔn)刀具（截割刃寬度為20㎜，截角為40度，后角10度）對(duì)煤巖進(jìn)行截割測(cè)試，求得單位截割深度作用于刀具上的截割阻力值即為截割阻抗（又叫抗截強(qiáng)度或截割阻力系數(shù)）。

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從有效使用采煤機(jī)械的角度，可將煤層按截割阻抗分為三類：A≤180KN/m的煤稱為軟煤，適合用各種刨煤機(jī)，特別是脆性煤層適合于刨煤機(jī)；A=180~240KN/m的煤稱為中硬煤，其中韌性煤適合用采煤機(jī)，脆性煤適合于滑行刨煤機(jī)；A≥240~360KN/m的煤稱為硬煤，韌性煤需用大功率采煤機(jī)，脆性煤可用滑行刨煤機(jī)。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院7.摩擦與磨蝕性煤巖磨損鋼鐵和硬質(zhì)合金的烈度稱為磨蝕性，它是煤巖對(duì)金屬、硬質(zhì)合金和其他固體磨蝕能力的度量。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究結(jié)果表明：對(duì)于磨礪性一定的煤巖，切割刀具在破碎煤巖時(shí)的磨損量與試探路徑成正比，與刀具對(duì)煤巖的表面正壓力成正比，與刀具和煤巖之間的相對(duì)速度成正比。這一結(jié)果對(duì)采煤機(jī)械的設(shè)計(jì)和使用是很重要的，應(yīng)該使采煤機(jī)械具有適當(dāng)?shù)墓r參數(shù)以減少刀具在工作過(guò)程中的磨損量。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院8.蠕變與松弛煤巖體在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不變化的載荷作用下，其變形增加的過(guò)程稱為煤巖體的蠕變。煤巖體在一定的載荷作用下保持其變形量為常數(shù)而應(yīng)力下降的現(xiàn)象，稱為煤巖體的松弛。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院9.破碎特性指數(shù)

所截獲的煤巖塊度，不僅與采掘機(jī)械的結(jié)構(gòu)和截割參數(shù)有關(guān)，也取決于煤巖被截割時(shí)不同的破碎特性。研究表明：在碎煤總量中塊度分布服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，即：

破碎特性指數(shù)是確定脆性程度指數(shù)的基礎(chǔ)，也可以用于煤塵生成能力的分級(jí)。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

10.截割可碎性指標(biāo)截割可碎性是評(píng)價(jià)截割時(shí)煤層的可破碎性，可定義為：該指標(biāo)與截割的工況和參數(shù)無(wú)關(guān)，僅取決于煤層的截割阻抗和脆性，它綜合反映煤層在穩(wěn)定的工況參數(shù)與破碎的可能性。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第二節(jié)煤巖截割理論

破碎煤巖的方法很多。鉆孔爆破是歷史最悠久的方法?，F(xiàn)代化的煤炭生產(chǎn)技術(shù)中，機(jī)械破碎是主要的方法。采掘機(jī)械如滾筒采煤機(jī)、刨煤機(jī)、部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)等都是利用刀具截割破碎煤巖的。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院一、切削破巖機(jī)理關(guān)于切削破落煤巖的過(guò)程，流行的機(jī)理學(xué)說(shuō)主要有楔裂說(shuō)、剪裂說(shuō)、密實(shí)核說(shuō)、斷裂力學(xué)說(shuō)和剪切變形說(shuō)等。密實(shí)核說(shuō)是拉伸和剪切聯(lián)合作用的切削破煤（巖）機(jī)理學(xué)說(shuō)。機(jī)理如下圖：力學(xué)特性：以壓應(yīng)力對(duì)壓實(shí)核起壓碎作用，以剪應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，以拉應(yīng)力擴(kuò)大裂縫，具有脆性破碎的特性。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院切削破碎煤巖的過(guò)程中，由于密實(shí)核的發(fā)育變化，切削阻力發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)隨機(jī)截割過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)概率約80%的符合三角形載荷譜，該阻力是變載荷，屬動(dòng)載荷中的隨機(jī)載荷。若使壓實(shí)核的體積最小，可視破煤過(guò)程是最優(yōu)的。壓實(shí)核形成的原因是截齒排屑時(shí)，前刃面上的摩擦力大于排屑力，阻礙排屑而形成壓實(shí)核。壓實(shí)核的體積與同時(shí)被破碎的體積之比達(dá)到最小，破碎過(guò)程也是最優(yōu)的。采用低速?gòu)?qiáng)力截割，采下足夠大的塊煤，就是符合這一要求的合理的破碎過(guò)程。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二、沖擊破巖機(jī)理沖擊破巖有砸碎、鑿巖、劈裂等多種方式，鑿巖是沖擊破巖最重要的應(yīng)用。鑿巖機(jī)的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生沖擊力，使釬頭侵入巖體，形成破碎坑，又出于釬頭酌轉(zhuǎn)動(dòng)，使破碎坑擴(kuò)展成孔眼，并逐漸形成一定深度的鉆孔。實(shí)驗(yàn)觀察釬頭鑿入巖體的過(guò)程，巖體腕性破砷形成破碎坑要經(jīng)歷幾個(gè)步驟：：①壓碎釬頭前巖石上的小突起，形成壓痕；②巖體產(chǎn)生彈性變形并產(chǎn)生徑向主裂紋；③釬頭前的巖石被壓碎，形成粉碎體；④粉碎體擠壓周圍巖體，使裂紋沿著剪團(tuán)應(yīng)力或拉伸應(yīng)力的連續(xù)延伸擴(kuò)展到巖體自由面，崩落大的碎片；⑤重復(fù)循環(huán)上述過(guò)程，最終形成破碎坑。西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院三、截齒的截割阻力和比能耗采煤機(jī)械廣泛應(yīng)用的截割刀具是截齒。截齒由齒體和合金頭兩部分組成。按截齒齒頭的幾何形狀可分為扁形截齒和錐形截齒，按安裝方式可分為徑向截齒和切向截齒。扁形截齒主要利用切削刃來(lái)截煤,由于具有楔形面,所以也有尖劈作用.鎬開(kāi)截齒刀頭是圓錐帶尖的,沒(méi)有切削刃,利用點(diǎn)擊和尖劈作用來(lái)破煤.兩者安裝方式,破碎方式不同,但破碎機(jī)理一樣,都具有壓實(shí)核-煤屑的脆性破碎特性.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院不論扁形截齒或錐形截齒,所受的截割阻力都有著相似的變化規(guī)律或變化趨勢(shì).根據(jù)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算.其破碎過(guò)程受力如圖(1-5)圖中:截割阻力平均值:推進(jìn)阻力平均值:kN式中:A-截割阻抗,kN/mh-截割深度,mkN式中:a-極脆煤0.5,脆性煤0.6,韌性煤0.7比能耗:HwKwh/m3式中:L-截割長(zhǎng)度,m;G-剝落煤量,kg;ρ-煤巖的實(shí)體密度,t/m3

西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院比能耗Hw與截割深度A的關(guān)系近似雙曲線。當(dāng)A增大時(shí)，被截割的體積增大，這足夠大的體積包容丁大量的裂縫，截割時(shí)易從應(yīng)力弱的裂縫處破碎，于是比能耗明顯減小，截割下來(lái)的體積過(guò)小，截割次數(shù)必然增多，同時(shí)含裂縫的機(jī)率減少．消耗的能量相應(yīng)增加。試驗(yàn)可知h＞5—10cm時(shí)，Hw趨于穩(wěn)定，并具有最小值K間，如圖中影線區(qū)所示。