采掘機械第篇章

第二章煤巖破碎理論1、煤和巖石都是非均質的物質，內部還含有多種雜質；2、被層理和裂縫（節(jié)理）等分割，具有明顯的脆性；3、上述原因表現為煤、巖的各項異性。煤巖的破碎過程具有隨機性和較大的動載；至今還沒有一種理論可以用來研究和計算采掘機械的載荷；4、只能主要是實驗和數理統(tǒng)計的方法研究煤、巖的破碎問題；從四個方面扼要介紹煤巖破碎方面的一些情況1、了解煤、巖力學特性；2、煤、巖破碎理論和截割過程；3、截割刀具與截割阻力；4、截槽形狀與截割參數。第二章煤巖破碎理論

采掘機械的工作對象是煤和巖石，工作機構破碎煤巖礦體是采掘機械最主要的功能。

煤巖破碎理論是研究機械破落煤巖過程中，刀具與煤、巖體相互作用的有關能量轉換、破碎機理和受力分析等問題的一門學科。研究煤巖破碎理論，對設計、制造和使用采掘機械起著理論指導作用。第一節(jié)煤巖的物理機械性質

煤巖是非均質、非連續(xù)和各向異性的脆性物質，賦存地下的煤巖體內部還受地應力的作用。

一、煤巖的物理性質密度、孔隙度、含水量、松散性、穩(wěn)定性、導電性、傳熱性等，與采掘機械的工作密切相關的性質有：第一節(jié)煤巖的物理機械性質

1．密度單位體積煤巖在干燥狀態(tài)下的質量。在1.3～1.45t/m3變化，計算時取1.35t/m3。

2．濕度煤巖的濕度用其含水率表示。含水率指在煤巖的縫隙中存留的水的質量與煤巖固體質量之比。含水率高的煤巖體，結構被弱化，強度明顯降低。開采時功率消耗會明顯降低，粉塵也將減少。但巷道圍巖易產生變形，巷道維護的難度增加。第一節(jié)煤巖的物理機械性質

3．松散性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——松散比(或松散系數)。4．穩(wěn)定性煤巖暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。

二、煤巖的機械性質煤巖體受到機械施加的外力時所表現的性質。在破碎煤巖時，借助于煤巖的機械性質選擇對煤巖體作用力的形式、破巖工具的種類和形狀。煤巖的機械性質主要包括彈性、塑性、脆性、強度、硬度、堅固性、截割阻抗、磨礪性等。第一節(jié)煤巖的物理機械性質1.強度煤巖體在一定條件下受外力作用開始破壞時所具有的極限應力值。

y：

j

：

l=1：(0.1～0.4)：(0.03～0.1)

在設計采煤機械時，應盡量利用拉伸或剪切破壞，以減少刀具受力和能耗。層理和節(jié)理發(fā)育的煤巖體，其強度要低于層理和節(jié)理不發(fā)育的煤巖體；沿垂直層理方向的強度要高于平行層理方向的強度。煤巖為非均質材料，各向異性，抗壓、抗剪和抗拉強度關系：第一節(jié)煤巖的物理機械性質2.硬度煤巖抵抗尖銳工具侵入的性能。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，大小取決于煤巖體的結構、組成顆粒的硬度、形狀和排列方式等。硬度越大，截割、鉆鑿越困難。3．接觸強度按實驗測壓頭上的載荷值與壓頭下表面積之比計算

pk巖石接觸強度，MPa；Pi巖石材料脆性破壞瞬間的壓頭載荷，N；n壓頭下壓次數；S壓頭下表面積，mm2。第一節(jié)煤巖的物理機械性質

接觸強度在掘進機設計與使用中經常遇到。前蘇聯根據接觸強度值的大小，巖石分六類：松軟，次中等堅固，中等堅固，堅固，很堅固和極堅固。4．彈性、塑性與脆性彈性、塑性與脆性反映煤巖受外力作用與其變形之間關系的性質。

彈性：所受外力撤消后煤巖恢復原來形狀的性能。破碎彈性較高的煤巖，消耗的能量較多，且由于彈性變形，破碎也比較困難。

塑性：所受外力消失后煤巖不能恢復原來形狀的性能。破碎塑性高的煤巖，消耗的能量較多。

脆性：煤巖破碎時不帶殘余變形的性能。脆性高的煤巖，容易破碎，消耗的能量也較小。第一節(jié)煤巖的物理機械性質5．堅固性表示煤巖破碎難易程度的綜合指標，是煤巖體抵抗拉壓、剪切、彎曲和熱力等作用的綜合表現。堅固性系數(普氏系數)表示煤巖的堅固性大小。①搗碎法測量堅固性系數②根據煤巖的極限抗壓強度(MPa)近似確定

f<4為煤，f=4～8為中等堅固巖石，f≥8為堅固巖石。煤分三級，軟煤f<1.5，中硬煤f=1.5～3，硬煤f>3。第一節(jié)煤巖的物理機械性質6．截割阻抗

截割阻抗比普氏系數更能確切地反映煤的可截割性能，作為采掘機械設計和選型的主要技術參數。

截割阻抗：單位截割深度作用于刀具上的截割阻力，A(kN/m)表示。1，9-立柱；2-刀桿；3-卡緊器；4-刀具；5-測力傳感器；6-記錄儀；7-電動機；8-絞車?-刀具截割阻力平均值，kNh-截割深度，m第一節(jié)煤巖的物理機械性質

為得到工作面的A值，在工作面接近頂板、底板、截高中間處，以及沿煤層傾斜方向不同部位進行多次測量，取其平均值作為該工作面的A值。

煤層按截割阻抗分：

A≤180kN/m的煤為軟煤，適合用各種刨煤機特別是脆性煤層適于刨煤機；

A=180～240kN/m的煤為中硬煤，其中韌性煤適合用采煤機，脆性煤適于滑行刨煤機；

A=240～360kN/m的煤為硬煤，韌性煤須用大功率采煤機，脆性煤可用滑行刨煤機。截割阻抗與堅固性系數關系：A=150f

統(tǒng)計資料，也存在A=100f第一節(jié)煤巖的物理機械性質7．磨礪性刀具在截割過程中接觸煤巖而被磨損，引起截割阻力和生產費用增加，使采掘機械工作性能和開機率降低。煤巖對金屬、硬質合金或其他固體磨蝕的能力——磨礪性(研磨性)。煤巖的磨勵性與其石英含量、石英核直徑和抗拉強度有關。表征煤巖磨礪性參數：①磨蝕系數ω

②磨礪性指標α

第一節(jié)煤巖的物理機械性質8．破碎特性指數在碎煤總量中塊度分布服從統(tǒng)計分布規(guī)律W——直徑不超過d(mm)的碎煤占試樣總量的百分比；λ——由截割方法和參數決定的破碎程度參數；m——破碎特性指數，對于具體煤層為常數，一般為0.4～1.3，與截割工況無關。

破碎特性指數是確定脆性程度指數的基礎，也用于煤層煤塵生成能力的分級。第一節(jié)煤巖的物理機械性質10．截割可碎性指標用于評價截割時煤層的可破碎性。

kW·h·cm/m3

指標與截割的工況和參數無關，僅取決于煤層的截割阻抗和脆性，綜合反映煤層在穩(wěn)定的工況參數下破碎的可能性。按照截割可碎性指標，原蘇聯將煤層分七類，極軟0～4，軟4.1～9，中硬9.1～16，超中硬16.1～25，硬25.1～36，極硬36.1～49，特硬>49。9．脆性程度指數:第二節(jié)煤巖破碎理論

鉆孔爆破：機械破碎：滾筒采煤機、刨煤機、掘進機等都是用刀具采用切削方法截割破碎煤巖。

切削破巖；沖擊破巖。一、切削破巖機理

楔裂說、剪裂說、密實核說、斷裂力學說和剪切變形說等。1．楔裂說英國學者埃文斯提出。

澳大利亞學者洛克包洛夫通過實驗證實，楔裂說適用于切削砂巖、石灰?guī)r和硬石膏的過程。第二節(jié)煤巖破碎理論2．剪裂說日本學者西松裕一建立的切削破巖模型，認為巖石的切削破落遵守庫侖—莫爾準則。3．密實核說

拉伸和剪切聯合作用的切削破煤(巖)機理學說，以俄羅斯別隆為代表。第二阻節(jié)煤巖革破碎知理論二、渾沖擊帝破巖枯機理鑿巖岔機活禍塞往應復運疾動產日生沖救擊力景，使憤釬頭纖侵入千巖體儀，形倉成破忍碎坑恥，又巴由于馳釬頭棒的轉聲動，完使破槍碎坑傳擴展彈成孔苦眼，強并逐談漸形奔成一橫定深鹿度的介鉆孔課。第二所節(jié)煤巖競破碎親理論巖體轟脆性帳破碎魯形成摔破碎猛坑步驟羨：①壓奴碎釬燦頭前逆巖石漫上的爆小突裂起，姥形成索壓痕憑；②巖竄體產谷生彈虹性變轟形并象產生顏徑向及主裂事紋；③釬釀頭前祥的巖滔石被平壓碎叫，形仔成粉哀碎體愿；④粉滲碎體脖擠壓兩周圍暫巖體切，使曉裂紋爽沿著懇剪切熱應力鋒或拉尾伸應司力的希跡線逢延伸賓擴展揚到巖戰(zhàn)體自訂由面畏，崩圍落大招的碎調片；⑤重久復循矩環(huán)上甲述過怖程，巧最終盞形成籌破碎璃坑。第二蕩節(jié)煤巖忠破碎踢理論載荷徒與釬生頭侵藥入巖漏體深凝度關亂系曲腫線：釬頭翁鑿巖揉的過爬程一仿般是脆性腦破碎。AB段形宴成粉植碎體桐。在B點出覆現脆捎性崩上裂，鎮(zhèn)在BC段因共崩出努碎塊絡而粉縱碎體賠縮小疾，載葬荷隨犧著降乏低。CD段和EF段重堪復AB段的偵情況身，在DE段和FG段重淚復BC段的堂情況尊，直愧至在FG段形嶺成破亂碎坑寶。某些屑條件逝下，策鑿巖譯過程示中巖菠石呈塑性島破碎。在AB段形仿成粉苦碎體誤，在BC段粉躍碎體腎破裂轎，在CD段卸婚載形稅成破眼碎坑拉。整尾個過棵程比栗較平滑緩。第三炎節(jié)截割陪刀具第三氣節(jié)截割曲刀具刀具毒截割第破碎電煤巖行。采掘巾機械屬應用工于截兼割煤像巖的繭刀具——截齒絲式。截齒賀的結練構型齡式和葉幾何跡參數卻要適頂應煤既巖機搜械性拘質和內截割那機構紋的形饒式。截齒耳應具國有足邊夠的餓強度沈和耐金磨性搭，且史固定屆簡單瘋可靠膽，以箱減少介更換頭截齒發(fā)的時跟間。伴截齒其是易秒損件怨，應早便于萍批量襲生產暢，便遺于修礙磨復坡用，千以減犬少生致產費刮用。酷截齒可參予視截割陣的部聰分幾寺何形竄狀要壺兼顧推強度則、耐羞磨性僵和比即能耗岸的要綁求。截齒組成：齒體和硬質合金頭。齒頭和齒柄。第三丸節(jié)截割專刀具齒體當：截齒疊不包逐含硬我質合殼金頭逝的母扮體部退分。齒頭懼：截齒鬼頭部肝伸出臺齒座火的部倡分，記頂部蠢焊接(或鑲灑嵌)硬質油合金氧頭。齒柄窯：截齒疼可裝貸入齒施座的劣部分丘，形便狀有者長方濱體、染圓柱徹體。按截見齒齒父頭幾佛何形迫狀分扁形藥截齒和錐形辟截齒。截齒露是用半來截池割煤鍋體的蚊刀具蝴，其據幾何煌形狀院和質擾量直頸接影蝴響采嶄煤機漂的工紹況、擦能耗顫、生竄產率準和噸拼煤成駁本。經驗下證明狗，改策進截膊齒結臺構，武適當杜加大利截齒圍長度察，增粗大切赴削深起度，厲可以急提高而煤的育塊度鬼，降翁低煤各塵。按截權齒安弄裝方身式分徑向開截齒和切向產截齒。第三蠢節(jié)截割盞刀具徑向巾截齒齒體蛛軸線趣基本輛通過習掘進穴機截美割頭罷橫截勸面的找中心殊或沿忽采煤襪機滾支筒徑團向安騰裝；切向頓截齒以齒利體軸鑄線與毛采煤擱機滾眠筒或閱掘進翅機截量割頭蟻橫截威面的惱圓周辛切線優(yōu)成銳域角安憶裝。第三括節(jié)截割肯刀具第三歸節(jié)截割譜刀具截齒遙齒柄艷固定吩在齒護座中賭。常用30～35周Cr考Mn日Si、30～35洞Si嬸Mn奴V或40矩Cr優(yōu)質率合金緊鋼制潮造，篩并經殊調質創(chuàng)。齒頭苦接觸央煤巖奮體，之為提肆高耐罰磨性碰，鑲如嵌硬通質合螺金片座或核斗。適用堂于截沸割中餅硬和艦硬煤蛛巖的粒截齒教，硬伙質合榮金片答或核值用YG置8或YG榜8C制作擋；適籠用于蹄截割牛含堅蝴硬夾狂雜物堪的煤襖層的霸截齒尺，宜籠用YG迫11以C或YG積13來C偽(鎢，賢鈷，扎鈷含熄量，蛇粗粒說度)。第三愁節(jié)截割吧刀具徑向淺截齒銳幾何某參數按：徑向押截齒圈齒頭掠由前哥面K、后街面L、兩港個側逢面M和截穿割刃N等構訪成。敵截齒虜以截洲割速桃度v和牽鑄引速棉度vq截割絮出平企面BB。前角β后角γ尖角α截角δ側后辱角ε側面應夾角φ第三咬節(jié)截割炎刀具截割紀阻力Z隨截盞角δ增大耗的趨設勢，閥在δ>9殖0o時越率顯得敞急烈紛：齒基頭向蒙下的兔擠壓捆作用漠增強盡，破佛碎的灘煤巖粗塊難硬以排腥出。截角思大，踐刀頭懇強度員高：姐采煤闖機截類齒δ=7忙0o～75o，采發(fā)含堅奪硬夾乘石層鞠的煤落層的雞截齒δ≈9接0o，截砍割硬于巖的找截齒δ>9風0o。零前潤角證正昨前角簽負柔前角截角δ（o）對反截割檢阻力Z的影融響對截女齒載多荷和階截割披比能凝耗影移響較胖大參較數：截角δ、后抽角γ、截捉刃寬巧度b第三辦節(jié)截割豆刀具后角γ對截黃割阻眨力Z和牽桌引阻眾力Y的影汪響：僅在腰小于10o時顯牧著表緩現出搬來。后角斗小，桶截齒懸后面塘與煤倍巖體齒的接彩觸面自積大坑，后致面上臟的摩末擦力爭大，遺截割末和牽流引阻板力同蹈步增低大——后角γ和側果后角ε小于10o不合擔理。為提翅高刀偷頭強疾度，析可適斬當小參一些菜。第三推節(jié)截割逃刀具截刃漫寬度b對截挽割阻丟力和煎截割嶺比能霉耗的碼影響矛規(guī)律檢：不論秘截割到深度劍大小木，隨選截刃龜寬度序增大敗，截偏割阻兩力不撿斷增疊大，決截割榴比能島耗先補下降脆到最硬低值淚，再跡升至隊穩(wěn)定亡值。與截捷割比縣能耗暈最低壺值對適應的服截刃笨寬度介約為20～30弓mm截刃恨寬度b對截培割阻攤力和傲截割蠟比能挺耗HW的影巡壽響第三工節(jié)截割財刀具截齒溝徑向勵外伸找長度魚：對徑專向截躲齒來予說是陸從截捉刃到摟齒座切頂面拍的距暖離；銅對于追切向趨截齒鋤，必界須考揪慮相壩對于期滾筒適徑向疾的安株裝角脹度。截齒餡徑向覺外伸藥長度嘉限制竿了可朱能達越到的拆最大凱截割質深度次。齒柄芽矩形執(zhí)截面冬的寬恒高比充約為0.莫5～0.懲7，以醉保證賭抗縱痕向彎福曲的晃截面裂模量箏足夠果大。是截割集巖石軌的截姨齒，從除采描用較假大截洋角和百整個浴前面裂覆蓋北硬質胞合金光片外咬，齒草柄常因為圓評形截緞面。第三槍節(jié)截割黃刀具切向饑截齒齒頭定形狀夫有扁形和錐形扁形摔截齒齒柄每在齒巨座內例不能師回轉努。錐形孝截齒在截竊割過涉程中振可在欠齒座辜內回太轉，藝自動忍磨銳塑齒尖霜。切向臂截齒刀身誓軸線旨位于蠢齒頭嗓阻力R作用勾方向刷的變梢化范召圍λmi尋n～λma柱x→齒柄披彎矩獲比徑文向截疲齒小往，不伏易折駐斷。切向扣截齒工作尋時的符截角棒較小豈，有跨利于磨降低掀比能突耗，達且形主狀簡疲單，尚便于俯制作士。但度齒柄握和齒揮座的咳長度帽限制墓截齒欠安裝盯得較頸稀，獻且只稼能裝威在滾紀筒軸驢線的圣垂直嗽平面姨內，悼而不聯宜裝港在滾從筒端答盤上涼。第三著節(jié)截割藍刀具滾壓狹盤刀全斷鐵面掘陡進機對稱氧型滾腥壓盤榆刀采煤體機非對弱稱型艱滾壓翠盤刀第三面節(jié)截割監(jiān)刀具非對暮稱型座滾壓幅盤刀萬裝在腰滾筒慚螺旋午葉片朽外緣梁。軸線刻垂直梅滾筒華半徑惡而平捧行滾葡筒軸陵線時丟，主敬要靠雞碾壓爪和楔撲劈作嘉用碎給落煤列，目讓前較番多采蓄用。軸線儀接近穩(wěn)平行東滾筒莖半徑胡而垂口直滾臟筒軸電線時適，主祖要作型用是蓮截割延，適挎用于想較軟險的煤腎層。處于民兩者媽中間魂狀況駕時，貸兼有肆截割音、碾狡壓和神楔劈須作用子。第四環(huán)節(jié)級截矩齒的同截割銜阻力截齒娃三向揭阻力吹變化往曲線詳：截割設阻力Z、推缸進阻幼力Y、側脹向力X第四謠節(jié)校截丹齒的腦截割回阻力試驗咱研究路表明素，靠沈近切逆削刃爽處的灶作用喝力最蛛大，塔遠離掌切削神刃處俱將按溝雙曲醉線規(guī)敘律急卻劇衰評減——在實進際計過算中粥用集屯中力像代替果測出蹄的分想布力來，然鈔后沿解坐標集軸進坑行分留解。第四庫節(jié)框截倉齒的畝截割工阻力μN-作用忘在前壩刃面淡上的坦摩擦余力；R-N和μN的合千力；Y1-作用科在后智刃面粗上的攤法向稈力(近似押沿Y軸的瓶分力)；μY1-作用蠟在后扭刃面鍛上的撞摩擦備力；N1和N2-作用塑在兩聚側面臂上的激法向贈力；X1，X2和Y’1，Y’2-N1和N2沿X軸和Y軸的萬分力素；μ(N1+N2)-兩側鳳面的療摩擦犧力；γ-截齒訴的前隨角；θ-截齒愚前刃盆面與麗煤的隙摩擦禁角；v-截割燥速度菠；vq-推進腫速度(牽引算速度)vq第四春節(jié)卡截怖齒的衫截割龍阻力Z，Y，Y/Z，Hw和h關系軌曲線截割阻力平均值

Z=AhN推進袍阻力Y=aZa—極脆襖煤0.欄5，脆爺性煤0.款6，韌麻性煤0.守7側向毫力X=(羞0.禾1～0.招2)ZA—截割途阻抗隔；h—截割岔深度第五雅節(jié)向截園槽形繼狀與諒截割抽參數截割降力與賣截槽展斷面叼面積湊成正駕比，糞截割碑力隨何自由航面增石加而驢降低觀。截孔槽兩蒜側具戒有崩短裂角φ，φ隨煤