《煤岩截割理论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤岩截割理论（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第一章第一章 煤岩截割理论煤岩截割理论 1-11-1概述概述 采掘机械的采掘机械的工作对象工作对象是煤和岩石，工作机构破碎是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械煤岩矿体是采掘机械最主要的功能最主要的功能。研究刀具与煤、。研究刀具与煤、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题。等问题。 采掘机械最主要的功能是破碎并剥落煤岩体，采采掘机械最主要的功能是破碎并剥落煤岩体，采掘机械消耗的功率，主要与截割及牵引机构剥落煤岩掘机械消耗的功率，主要与截割及牵引机构剥落煤岩体所遇到的阻力有关。体所遇到的阻力有关。可借助于煤岩的机械性质选择可借助于
2、煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状，对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状，计计算截割机构载荷算截割机构载荷，合理选择机械结构的形式和参数，合理选择机械结构的形式和参数，保证机械设备的工作可靠性。保证机械设备的工作可靠性。 现场试验法:可得到最接近实际的数据，一般只可得到最接近实际的数据，一般只能测量最基本的项目。能测量最基本的项目。 第一章第一章 煤岩截割理论煤岩截割理论 1-11-1概述概述 采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。刀具与煤、岩体煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。刀具与煤
3、、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题。题。 采掘机械最主要的功能是破碎并剥落煤岩体，采采掘机械最主要的功能是破碎并剥落煤岩体，采掘机械消耗的功率，主要与截割及牵引机构剥落煤岩掘机械消耗的功率，主要与截割及牵引机构剥落煤岩体所遇到的阻力有关。体所遇到的阻力有关。可借助于煤岩的机械性质选择可借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状，对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状，计计算截割机构载荷算截割机构载荷，合理选择机械结构的形式和参数，合理选择机械结构的形式和参数，保证机械设备的工作可靠性。保证机械设备的工
4、作可靠性。 模化试验法:在实验室内用试验台按照相似理论的在实验室内用试验台按照相似理论的要求进行试验和处理试验结果的方法。要求进行试验和处理试验结果的方法。 第一章第一章 煤岩截割理论煤岩截割理论 1-11-1概述概述 采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。刀具与煤、岩体煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。刀具与煤、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题。题。 采掘机械最主要的功能是破碎并剥落煤岩体，采采掘机械最主要的功能是破碎并剥落煤岩体，采掘机械消耗的功率，
5、主要与截割及牵引机构剥落煤岩掘机械消耗的功率，主要与截割及牵引机构剥落煤岩体所遇到的阻力有关。体所遇到的阻力有关。可借助于煤岩的机械性质选择可借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状，对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状，计计算截割机构载荷算截割机构载荷，合理选择机械结构的形式和参数，合理选择机械结构的形式和参数，保证机械设备的工作可靠性。保证机械设备的工作可靠性。 “纯”化试验法:把煤、岩的力学特性单纯化的试把煤、岩的力学特性单纯化的试验方法。验方法。1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 煤岩是非均质、非连续和各向异性的脆性物质，赋存煤岩是非均质、非连
6、续和各向异性的脆性物质，赋存地下的煤岩体内部还受地应力的作用。地下的煤岩体内部还受地应力的作用。 一、煤岩的物理性质一、煤岩的物理性质 密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：性、传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有： 1密度密度 单位体积煤岩在干燥状态下的质量。单位体积煤岩在干燥状态下的质量。 在在1.31.45t/m3变化，计算时取变化，计算时取1.35 t/m3。 2湿度湿度 煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量
7、之比。的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。 含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。低。开采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。 1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 3松散性松散性 煤岩被破碎后其容积增大的性能。煤岩被破碎后其容积增大的性能。 破碎后与破碎前煤岩的容积之比破碎后与破碎前煤岩的容积之比松散比松散比(或松散或松散系数系数)。4稳定性稳定性煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。煤岩暴露出自由面以后，不致
8、塌陷的性能。 二、煤岩的机械性质二、煤岩的机械性质 煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。 在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。 煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。 1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 1. 强度强度 煤岩体在一定条件下受外力作用开始破坏时所具有的煤岩体在一定条件下受外力作用开
9、始破坏时所具有的极限应力值。极限应力值。 煤岩为非均质材料，各向异性，抗压、抗剪和抗拉强煤岩为非均质材料，各向异性，抗压、抗剪和抗拉强度关系度关系 y： j ： l=1：(0.10.4)：(0.030.1) 在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗。减少刀具受力和能耗。 层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；沿垂直层理方向的强度要高于平行层不发育的煤岩体；沿垂直层理方向的强度要高于平行层理方向的强度。理方向的强度。1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性
10、质 2. 硬度硬度 煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。 反映煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不反映煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的硬度、形状和排列方式等。硬度、形状和排列方式等。 硬度越大，截割、钻凿越困难。硬度越大，截割、钻凿越困难。1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 3弹性、塑性与脆性弹性、塑性与脆性 弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之间关系的性质。间关系的性质。 弹性：弹性：所受外力撤消后煤岩恢
11、复原来形状的性能。所受外力撤消后煤岩恢复原来形状的性能。破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变形，破碎也比较困难。形，破碎也比较困难。 塑性：塑性：所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。 脆性：脆性：煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 4坚固性坚固性 表示煤岩破碎难易程度的
12、综合指标，是煤岩体抵抗拉表示煤岩破碎难易程度的综合指标，是煤岩体抵抗拉压、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。压、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。 坚固性系数坚固性系数(普氏系数普氏系数)表示煤岩的坚固性大小。表示煤岩的坚固性大小。捣碎法测量坚固性系数捣碎法测量坚固性系数 试样试样10块，手锤敲碎，取块，手锤敲碎，取2030mm试样试样5份，每份份，每份50g。 捣锤自由下落捣锤自由下落n次，过筛次，过筛0.50.5mm。筛下物装量筒，。筛下物装量筒，测出高度测出高度l。1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质根据煤岩的极限抗压强度根据煤岩的极限抗压强度(MPa)近似确定近似确定 f4为煤
13、，为煤，f=48为中等坚固岩石，为中等坚固岩石，f8为坚固岩石。为坚固岩石。 煤分三级，软煤煤分三级，软煤f3。1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质5截割阻抗截割阻抗 截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。 截割阻抗：截割阻抗：单位截割深度作用于刀具上的截割阻力，单位截割深度作用于刀具上的截割阻力，A(kN/m)表示。表示。 1，9-立柱；立柱；2-刀杆；刀杆；3-卡紧器；卡紧器；4-刀具；刀具；5-测力传感器；测力传感器；6-记录仪；记录仪；7-电动机
14、；电动机；8-绞车绞车 1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质 为得到工作面的为得到工作面的A值，在工作面接近顶板、底板、截值，在工作面接近顶板、底板、截高中间处，以及沿煤层倾斜方向不同部位进行多次测量，高中间处，以及沿煤层倾斜方向不同部位进行多次测量，取其平均值作为该工作面的取其平均值作为该工作面的A值值。 煤层按截割阻抗分：煤层按截割阻抗分： A180kN/m的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是脆的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是脆性煤层适于刨煤机；性煤层适于刨煤机； A=180240kN/m的煤为中硬煤，其中韧性煤适合用的煤为中硬煤，其中韧性煤适合用采煤机，脆性煤适于滑行刨煤机；采煤
15、机，脆性煤适于滑行刨煤机； A=240360kN/m的煤为硬煤，韧性煤须用大功率采的煤为硬煤，韧性煤须用大功率采煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。截割阻抗与坚固性系数关系：截割阻抗与坚固性系数关系：A=150f 统计资料，也存在统计资料，也存在A=100f1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质6磨砺性磨砺性 刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损，引起截割刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损，引起截割阻力和生产费用的增加，使采掘机械工作性能和开阻力和生产费用的增加，使采掘机械工作性能和开机率降低。机率降低。煤岩磨损钢铁和硬质合金的烈度称为磨煤岩磨损钢铁和硬质合金的烈度称为磨砺
16、性砺性(研磨性研磨性)。研究表明，煤岩的磨砺性与其石英。研究表明，煤岩的磨砺性与其石英含量、石英核直径和抗拉强度有关。含量、石英核直径和抗拉强度有关。 研究结果表明，对于磨砺性一定的煤岩，切割刀研究结果表明，对于磨砺性一定的煤岩，切割刀具在破碎煤岩时的磨损量与摩擦路径成正比，与刀具在破碎煤岩时的磨损量与摩擦路径成正比，与刀具对煤岩的表面正压力成正比，与刀具和煤岩之间具对煤岩的表面正压力成正比，与刀具和煤岩之间的相对速度成正比。的相对速度成正比。 1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理机械性质7破碎性能指标 破碎性能指标用于评价截割时煤层的可破碎性，其指标定义为1-2 煤岩的物理机械性质煤岩的物理
17、机械性质式中 B煤岩的脆性程度指数 该指标与截割的工况和参数无关，仅取决于煤层的截割阻抗和脆性，它综合反映煤层在稳定的工况参数下破碎的可能性。按照破碎性能指标，前苏联将煤层分为七类，即：极软04，软4.19，中硬9.116，中偏硬16.125，硬25.136，极硬36.149，特硬49。-8.4韧性煤B2.1，脆性煤2.1B3.5。kWhcm/m31-3 煤岩截割理论煤岩截割理论1-3 煤岩截割理论煤岩截割理论一、切削破岩机理 流行的机理学说主要有：楔裂说、剪裂说、流行的机理学说主要有：楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说、剪切变形说等。密实核说、断裂力学说、剪切变形说等。 密实核：指截齿刀刃
18、接触煤体时产生应力集中，当密实核：指截齿刀刃接触煤体时产生应力集中，当达到极限值时，煤岩体会被局部粉碎成粉末，形成处达到极限值时，煤岩体会被局部粉碎成粉末，形成处于体积压缩状态时产生的核。于体积压缩状态时产生的核。 对应的力学特性是以压应力对实核起压碎作用，对应的力学特性是以压应力对实核起压碎作用，以剪应力产生裂缝，以拉应力扩大裂缝，直到煤块飞以剪应力产生裂缝，以拉应力扩大裂缝，直到煤块飞出，具有脆性破碎的特性。出，具有脆性破碎的特性。 密实核说是拉伸和剪切联合作用的密实核说是拉伸和剪切联合作用的切削破煤切削破煤(岩岩)机理机理学说。学说。1-3 煤岩截割理论煤岩截割理论二、冲击破岩机理二、冲
19、击破岩机理 冲击破岩有砸碎、凿岩、劈裂等多种方式，凿岩是冲击破岩最重要的应用。凿岩机的活塞以一定速度冲击钎尾（或钎杆）时，使钎头侵入岩体，形成破碎坑，又由于钎头的转动，使破碎坑扩展成孔眼，并逐渐形成一定深度的钻孔。三、截齿的截割阻力和比能耗三、截齿的截割阻力和比能耗 试验研究表明，靠近切削刃处的作用力最大，远离切削试验研究表明，靠近切削刃处的作用力最大，远离切削刃处将按双曲线规律急剧衰减。刃处将按双曲线规律急剧衰减。1-3 煤岩截割理论煤岩截割理论1-3 煤岩截割理论煤岩截割理论截割阻力平均值 Z=Ah kN 式中 A截割阻抗，kN/m；h截割深度，m。推进阻力 Y=aZ 式中 a极脆煤0.5
20、，脆性煤0.6，韧性煤0.7。X=(0.10.2)Z侧向力G剥落煤量，kg；煤岩的实体密度，t/m3。HW=式中 L截割长度，m；比能耗 1-3 煤岩截割理论煤岩截割理论分析- 对切向扁形截齿同径向扁形截齿和切向锥形截齿的对比试验表明，切向扁形截齿比其他两种截齿的截割阻力小，块煤率、煤尘、截齿消耗量、硬质合金消耗量都有明显改善。 截齿变钝后，截割阻力、推进阻力和侧向力比锐齿增加很多。只能在试验基础上估算，但对定性和定量分析具有一定的意义。 比能耗HW与截割深度h的关系近似双曲线。当h增大时，被截割的体积增大，这足够大的体积包容了大量的裂缝，截割时易从应力弱的裂缝处破碎，于是比能耗明显减小。试验可知h510cm时，H趋于稳定，并具有最小值区间，如图中影线区所示。比能耗决定着截割阻力及效率、煤尘、煤炭品级(粒度)，比能耗是最佳截割中的首要准则。
