第一章煤巖截割理論

第一篇采掘機械

礦井基本開采方式及主要機械設備簡介西安科技大學機械工程學院第一章煤巖截割理論

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

西安科技大學機械工程學院第一節(jié)煤巖的物理機械性質采掘機械的工作對象是煤和巖石，為了合理地設計、制造和選用采掘機械，以及探求高效低能耗破碎煤巖，必須對煤和巖石的物理、機械性質有所研究和了解。煤和巖石的物理性質包括密度、孔隙度、含水量、松散性、穩(wěn)定性、導電性、傳熱性等，機械性質包括彈性、塑性、脆性、強度、硬度、堅固性、截割阻抗、磨蝕性等。對采煤機械結構影響最大的是煤巖的機械性質。西安科技大學機械工程學院一、煤巖的物理性質煤巖的物理性質主要是指容重、濕度、松散性、孔隙性、導電性和熱脹性以及穩(wěn)定性等，其中與采掘密切相關的有以下幾種：

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(質量)。它在很大程度上反映了煤巖的機械強度。

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，結構被弱化，其強度明顯降低。采掘這樣的煤巖時，功率消耗會明顯降低，而且粉塵也將減少。但巷道的圍巖易產(chǎn)生變形，巷道維護的難度增加。西安科技大學機械工程學院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、煤巖的機械性質煤巖的機械性質是指煤巖體受到機械施加的外力時所表現(xiàn)的性質。在破碎煤巖時，可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等。因此，采用機械法破巖時，了解煤巖的機械性質尤為重要。煤巖的機械性質主要是指強度、硬度、接觸強度、彈塑性和脆性、堅硬度、截割阻抗、摩擦與磨蝕性等。西安科技大學機械工程學院

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稱為煤巖的強度。由于煤巖為非均質材料，各向異性，其抗壓、抗剪和抗拉強度(分別用、和表示)在數(shù)值上大約有如下關系：

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；沿垂直層方向的強度要高于平行層理方向的強度。

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構、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。西安科技大學機械工程學院3．接觸強度接觸強度可按n次下壓測壓頭上的載荷值(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系的性質.

彈性：即當撤消所受外力后，煤巖恢復原來形狀和體積的性能。

塑性：即當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的性能。

脆性：即煤巖被破碎時不帶殘余變形的性能。西安科技大學機械工程學院5．堅固性堅固性是一種表示煤巖破碎難易程度的綜合指標。普氏用堅固性系數(shù)(又稱普氏系數(shù))來表示煤巖的堅固性大小?？梢酝ㄟ^采樣、搗碎、篩分、量筒測高的方法來求得工作面煤巖的堅固性系數(shù)，也可以根據(jù)煤巖的極限抗壓強度的大小近似地確定。一般f<4為煤，f=4-8為中等堅固巖石。煤分為三級，f<1.5為軟煤，f=1.5-3為中硬煤，f>3為硬煤。對于具有不同堅固性系數(shù)的巖石，應選用與之相適應的破碎方法和采掘機械。西安科技大學機械工程學院西安科技大學機械工程學院6．截割阻抗利用專用設備，采用標準刀具（截割刃寬度為20㎜，截角為40度，后角10度）對煤巖進行截割測試，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（又叫抗截強度或截割阻力系數(shù)）。

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從有效使用采煤機械的角度，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，特別是脆性煤層適合于刨煤機；A=180~240KN/m的煤稱為中硬煤，其中韌性煤適合用采煤機，脆性煤適合于滑行刨煤機；A≥240~360KN/m的煤稱為硬煤，韌性煤需用大功率采煤機，脆性煤可用滑行刨煤機。西安科技大學機械工程學院7.摩擦與磨蝕性煤巖磨損鋼鐵和硬質合金的烈度稱為磨蝕性，它是煤巖對金屬、硬質合金和其他固體磨蝕能力的度量。西安科技大學機械工程學院研究結果表明：對于磨礪性一定的煤巖，切割刀具在破碎煤巖時的磨損量與試探路徑成正比，與刀具對煤巖的表面正壓力成正比，與刀具和煤巖之間的相對速度成正比。這一結果對采煤機械的設計和使用是很重要的，應該使采煤機械具有適當?shù)墓r參數(shù)以減少刀具在工作過程中的磨損量。西安科技大學機械工程學院8.蠕變與松弛煤巖體在長時間持續(xù)不變化的載荷作用下，其變形增加的過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)而應力下降的現(xiàn)象，稱為煤巖體的松弛。西安科技大學機械工程學院9.破碎特性指數(shù)

所截獲的煤巖塊度，不僅與采掘機械的結構和截割參數(shù)有關，也取決于煤巖被截割時不同的破碎特性。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，也可以用于煤塵生成能力的分級。西安科技大學機械工程學院

10.截割可碎性指標截割可碎性是評價截割時煤層的可破碎性，可定義為：該指標與截割的工況和參數(shù)無關，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。西安科技大學機械工程學院第二節(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。現(xiàn)代化的煤炭生產(chǎn)技術中，機械破碎是主要的方法。采掘機械如滾筒采煤機、刨煤機、部分斷面掘進機等都是利用刀具截割破碎煤巖的。西安科技大學機械工程學院一、切削破巖機理關于切削破落煤巖的過程，流行的機理學說主要有楔裂說、剪裂說、密實核說、斷裂力學說和剪切變形說等。密實核說是拉伸和剪切聯(lián)合作用的切削破煤（巖）機理學說。機理如下圖：力學特性：以壓應力對壓實核起壓碎作用，以剪應力產(chǎn)生裂縫，以拉應力擴大裂縫，具有脆性破碎的特性。西安科技大學機械工程學院切削破碎煤巖的過程中，由于密實核的發(fā)育變化，切削阻力發(fā)生相應變化。根據(jù)隨機截割過程的經(jīng)驗概率約80%的符合三角形載荷譜，該阻力是變載荷，屬動載荷中的隨機載荷。若使壓實核的體積最小，可視破煤過程是最優(yōu)的。壓實核形成的原因是截齒排屑時，前刃面上的摩擦力大于排屑力，阻礙排屑而形成壓實核。壓實核的體積與同時被破碎的體積之比達到最小，破碎過程也是最優(yōu)的。采用低速強力截割，采下足夠大的塊煤，就是符合這一要求的合理的破碎過程。西安科技大學機械工程學院二、沖擊破巖機理沖擊破巖有砸碎、鑿巖、劈裂等多種方式，鑿巖是沖擊破巖最重要的應用。鑿巖機的活塞往復運動產(chǎn)生沖擊力，使釬頭侵入巖體，形成破碎坑，又出于釬頭酌轉動，使破碎坑擴展成孔眼，并逐漸形成一定深度的鉆孔。實驗觀察釬頭鑿入巖體的過程，巖體腕性破砷形成破碎坑要經(jīng)歷幾個步驟：：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，使裂紋沿著剪團應力或拉伸應力的連續(xù)延伸擴展到巖體自由面，崩落大的碎片；⑤重復循環(huán)上述過程，最終形成破碎坑。西安科技大學機械工程學院三、截齒的截割阻力和比能耗采煤機械廣泛應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截煤,由于具有楔形面,所以也有尖劈作用.鎬開截齒刀頭是圓錐帶尖的,沒有切削刃,利用點擊和尖劈作用來破煤.兩者安裝方式,破碎方式不同,但破碎機理一樣,都具有壓實核-煤屑的脆性破碎特性.西安科技大學機械工程學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.根據(jù)實驗及計算.其破碎過程受力如圖(1-5)圖中:截割阻力平均值:推進阻力平均值: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-截割長度,m;G-剝落煤量,kg;ρ-煤巖的實體密度,t/m3

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