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采掘机械第1篇2章


第二章煤岩破碎理论
1、煤和岩石都是非均质的物质,内部还含有多种杂质; 2、被层理和裂缝(节理)等分割,具有明显的脆性; 3、上述原因表现为煤、岩的各项异性。煤岩的破碎过程具 有随机性和较大的动载;至今还没有一种理论可以用来 研究和计算采掘机械的载荷; 4、只能主要是实验和数理统计的方法研究煤、岩的破碎问题;

从四个方面扼要介绍煤岩破碎方面的一些情


1、不详细研究煤、岩的物理力学特性,只求对其力学特性有 所了解; 2、煤、岩破碎理论和截割过程; 3、截割刀具与截槽基本参数; 4、其他落煤方法;

第二章 煤岩破碎理论

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。 煤岩破碎理论是研究机械破落煤岩过程中,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 问题的一门学科。研究煤岩破碎理论,对设计、制造和 使用采掘机械起着理论指导作用。 第一节 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 地下的煤岩体内部还受地应力的作用。

第一节 煤岩的物理机械性质

一、煤岩的物理性质 密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、 传热性等,与采掘机械的工作密切相关的性质有: 1.密度 单位体积煤岩在干燥状态下的质量。 在1.3~1.45t/m3变化,计算时取1.35 t/m3。

2.湿度 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之比。 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。但巷道围岩 易产生变形,巷道维护的难度增加。

第一节 煤岩的物理机械性质
3.松散性 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——松散比(或松散 系数)。 4.稳定性 煤岩暴露出自由面以后,不致塌陷的性能。

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。 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。 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。

第一节 煤岩的物理机械性质
1. 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 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 度关系

? y: ? j : ? l=1:(0.1~0.4):(0.03~0.1)
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。 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 层理方向的强度。

第一节 煤岩的物理机械性质
2. 硬度 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 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。 硬度越大,截割、钻凿越困难。 3.接触强度 按实验测压头上的载荷值与压头下表面积之比计算

p k ? i ?1 nS

? Pi

n

pk岩石接触强度,MPa;Pi岩石材料脆性破坏瞬间的压头载 荷,N;n压头下压次数;S压头下表面积,mm2。

第一节 煤岩的物理机械性质
接触强度在掘进机设计与使用中经常遇到。 前苏联根据接触强度值的大小,岩石分六类:松软, 次中等坚固,中等坚固,坚固,很坚固和极坚固。

4.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 间关系的性质。 弹性: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 形,破碎也比较困难。 塑性: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。 脆性: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。

第一节 煤岩的物理机械性质
5.坚固性 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。 坚固性系数(普氏系数)表示煤岩的坚固性大小。 ①捣碎法测量坚固性系数 ②根据煤岩的极限抗压强度(MPa)近似确定

f ?

?y
30

?

?y
3

f<4为煤,f=4~8为中等坚固岩石,f≥8为坚固岩石。 煤分三级,软煤f<1.5,中硬煤f=1.5~3,硬煤f>3。

第一节 煤岩的物理机械性质
6.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, 作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。 截割阻抗:单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-刀杆;3-卡紧器; 4-刀具;5-测力传感器;6-记录仪; 7-电动机;8-绞车

Z A? h

第一节 煤岩的物理机械性质

为得到工作面的A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, 取其平均值作为该工作面的A值。 煤层按截割阻抗分: A≤180kN/m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; A=180~240kN/m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; A=240~360kN/m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。 截割阻抗与坚固性系数关系:A=150 统计资料,也存在A=100

第一节 煤岩的物理机械性质

7.磨砺性 刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损,引起截割阻 力和生产费用增加,使采掘机械工作性能和开机率降低。 煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力—— 磨砺性(研磨性)。 煤岩的磨励性与其石英含量、石英核直径和抗拉强 度有关。 表征煤岩磨砺性参数 ①磨砺系数 ②磨砺性指标

第一节 煤岩的物理机械性质
8.破碎特性指数 在碎煤总量中块度分布服从统计分布规律

W ? 1 ? exp(??d )
m

W——直径不超过d(mm)的碎煤占试样总量的百分比; λ——由截割方法和参数决定的破碎程度参数; m——破碎特性指数,对于具体煤层为常数,一般为0.4~1.3, 与截割工况无关。

破碎特性指数是确定脆性程度指数的基础,也用于煤 层煤尘生成能力的分级。

第一节 煤岩的物理机械性质
9.脆性程度指数 10.截割可碎性指标 用于评价截割时煤层的可破碎性。

0.38 A R? B ?1

kW· cm/m3 h·

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,综合反映煤层在稳定的工况参数下破 碎的可能性。 按照截割可碎性指标,原苏联将煤层分七类,极软 0~4,软4.1~9,中硬9.1~16,超中硬16.1~25,硬 25.1~36,极硬36.1~49,特硬>49。

第二节 煤岩破碎理论
钻孔爆破: 机械破碎:滚筒采煤机、刨煤机、掘进机等用刀具采 用切削方法截割破碎煤岩。 切削破岩;冲击破岩。 一、切削破岩机理 楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说和剪切变形 说等。 1.楔裂说 英国学者埃文斯提出。

澳大利亚学者洛克包洛夫通过实验证实,楔裂说适用于 切削砂岩、石灰岩和硬石膏的过程。

第二节 煤岩破碎理论
2.剪裂说 日本学者西松裕一建立的切削破岩模型,认为岩石的切 削破落遵守库仑—莫尔准则。

3.密实核说
拉伸和剪切联合作用的切 削破煤(岩)机理学说,以俄罗 斯别隆为代表。

第二节 煤岩破碎理论
二、冲击破岩机理

凿岩机活塞往复运动产生冲击力,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。

第二节 煤岩破碎理论
岩体脆性破碎形成破碎坑步骤: ①压碎钎头前岩石上的小突起,形成压痕;

②岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹;
③钎头前的岩石被压碎,形成粉碎体; ④粉碎体挤压周围岩体,使裂纹沿着剪切应力或拉伸 应力的迹线延伸扩展到岩体自由面,崩落大的碎片; ⑤重复循环上述过程,最终形成破碎坑。

第二节 煤岩破碎理论

载荷与钎头侵入岩体深度关系曲线: 钎头凿岩的过程一般是脆性破碎。AB段形成粉碎体。 在B点出现脆性崩裂,在BC段因崩出碎块而粉碎体缩小, 载荷随着降低。CD段和EF段重复AB段的情况,在DE段 和FG段重复BC段的情况,直至在FG段形成破碎坑。 某些条件下,凿岩过程中岩石呈塑性破碎。在AB段形 成粉碎体,在BC段粉碎体破裂,在CD段卸载形成破碎坑。 整个过程比较平缓。

第三节 截割刀具

第三节 截割刀具
刀具截割破碎煤岩。 采掘机械应用于截割煤岩的刀具——截齿。 截齿的结构型式和几何参数要适应煤岩机械性质和截 割机构的形式。 截齿应具有足够的强度和耐磨性,且固定简单可靠, 以减少更换截齿的时间。截齿是易损件,应便于批量生 产,便于修磨复用,以减少生产费用。截齿参予截割的 部分几何形状要兼顾强度、耐磨性和比能耗的要求。 截齿组成:齿体和硬质合金头。 齿头和齿柄。

第三节 截割刀具
齿体:截齿不包含硬质合金头的母体部分。 齿头:截齿头部伸出齿座的部分,顶部焊接(或镶嵌) 硬质合金头。 齿柄:截齿可装入齿座的部分,形状有长方体、圆柱 体。

按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。

第三章 截割滚筒

截齿是用来截割煤体的刀具,其几何形状和质量直接影 响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。 经验证明,改进截齿结构,适当加大截齿长度,增大切 削深度,可以提高煤的块度,降低煤尘。

按截齿安装方式分径向截齿和切向截齿。

第二节 煤岩破碎理论
径向截齿齿体轴线基本通过掘进机截割头横截面的中 心或沿采煤机滚筒径向安装; 切向截齿以齿体轴线与采煤机滚筒或掘进机截割头横 截面的圆周切线成锐角安装。

第三节 截割刀具

截齿齿柄固定在齿座中。 常用30~35CrMnSi、30~35SiMnV或40Cr优质合金钢 制造,并经调质。 齿头接触煤岩体,为提高耐磨性,镶嵌硬质合金片或核。 适用于截割中硬和硬煤岩的截齿,硬质合金片或核用 YG8或YG8C制作;适用于截割含坚硬夹杂物的煤层的截 齿,宜用YG11C或YG13C (钨,钴,钴含量,粗粒度) 。

第三节 截割刀具
径向截齿几何参数

径向截齿齿头由前面K、后面L、两个侧面M和截割刃N 等构成。截齿以截割速度v和牵引速度vq截割出平面BB。

? ? arctg(vq / v)

第三节 截割刀具
截割阻力Z随截角δ增大的趋势,在δ>90o时越显得急 烈——齿头向下的挤压作用增强,破碎的煤岩块难以排 出。 截角大,刀头强度高——采煤机截齿δ=70o~75o,开 采含坚硬夹石层的煤层的截齿δ≈90o,截割硬岩的截齿 δ>90o。

第三节 截割刀具
后角γ对截割阻力Z和牵引阻力Y的影响,仅在小于10o 时显著表现出来。 后角小,截齿后面与煤岩体的接触面积大,后面上的 摩擦力大,截割和牵引阻力同步增大——后角γ和侧后 角ε小于10o不合理。 为提高刀头强度,可适当小一些。

第三节 截割刀具
截刃宽度b对截割阻力和截割比能耗的影响规律: 不论截割深度大小,随截刃宽度增大,截割阻力不断 增大,截割比能耗先下降到最低值,再升至稳定值。 大块剥落时截割深度可能达100mm,与截割比能耗最 低值对应的截刃宽度约为20~30mm。

第三节 截割刀具
截齿径向外伸长度限制了可能达到的最大截割深度。 截齿径向外伸长度:对径向截齿来说是从截刃到齿座顶 面的距离;对于切向截齿,必须考虑相对于滚筒径向的安 装角度。 齿柄矩形截面的宽高比约为0.5~0.7,以保证抗纵向弯 曲的截面模量足够大。截割岩石的截齿,除采用较大截角 和整个前面覆盖硬质合金片外,齿柄常为圆形截面。

第三节 截割刀具
扁形截齿齿柄在齿座内不能回转。锥形截齿在截割过 程中可在齿座内回转,自动磨锐齿尖。 刀身轴线位于齿头阻力R作用方向的变化范围λmin~ λmax→齿柄弯矩比径向截齿小,不易折断。 切向截齿工作时的截角较小,有利于降低比能耗,且 形状简单,便于制作。但齿柄和齿座的长度限制截齿安 装得较稀,且只能装在滚筒轴线的垂直平面内,而不宜 装在滚筒端盘上。

第三节 截割刀具
滚压盘刀

全断面掘进机对称型滚压盘刀

采煤机非对称型滚压盘刀

第三节 截割刀具
非对称型滚压盘刀装在滚筒螺旋叶片外缘。 轴线垂直滚筒半径而平行滚筒轴线时,主要靠碾压和 楔劈作用碎落煤,目前较多采用。 轴线接近平行滚筒半径而垂直滚筒轴线时,主要作用 是截割,适用于较软的煤层。 处于两者中间状况时,兼有截割、碾压和楔劈作用。

第四节 截齿的截割阻力

第四节 截齿的截割阻力
截齿三向阻力变化曲线

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——在实际计算中用集中力 代替测出的分布力,然后沿坐标轴进行分解。

第四节 截齿的截割阻力
vq

μN-作用在前刃面上的摩擦力;R-N和μN的合力;Y1-作用在后刃 面上的法向力(近似沿Y轴的分力);μY1-作用在后刃面上的摩擦力; N1和N 2-作用在两侧面上的法向力;X1,X2和Y’1,Y’2- N1和N 2沿 X轴和Y轴的分力;μ(N1+ N 2)- 两侧面的摩擦力;γ-截齿的前角; θ-截齿前刃面与煤的摩擦角;v-截割速度;vq-推进速度(牵引速度)

第四节 截齿的截割阻力
Z,Y,Y/Z,Hw和h关系曲线

截割阻力平均值 推进阻力 侧向力

Z = Ah Y=aZ

N

a——极脆煤0.5,脆性煤0.6,韧性煤0.7。

X=(0.1~0.2)Z

第五节 截槽形状与截割参数
截齿和一组截齿以主切削刃相对被破碎面的方位和截 齿排列次序,形成各种截槽形状。 截割力与截槽断面面积成正比,截割力随自由面增加 而降低。截槽两侧具有崩裂角φ,φ随煤质脆性增加而增 大,随切削深度h增加而减小。

截割参数: 截距:相邻截槽的间距。 切削深度:截齿截割煤岩体的深度。

第五节 截槽形状与截割参数
平面截槽

半封闭截槽

封闭截槽

第五节 截槽形状与截割参数
自由截槽 单边截槽

顺序截割及截槽

几个截齿按阶梯顺序进行截割,相邻截齿在牵引方向上 没有超前切出,但截槽两侧有崩裂出现,切屑断面不对称, 截齿受非自由面的侧向力较大。

第五节 截槽形状与截割参数
交错(棋盘)截割及截槽

相邻截齿超前切出一前一后交错的截槽,切屑断面较对 称,比顺序式切屑块度大,煤尘较少。截齿两侧侧向力基 本平衡→侧向力最小。 一般双头或四头螺旋滚筒采用棋盘式排列。

第五节 截槽形状与截割参数

合理确定截割参数:截割比能耗较小,截割阻力不过大, 为截齿强度和截齿径向伸出长度所容许。


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