【摘要】：煤炭是我國主要的一次性消費能源,以地下開采為主,巷道是保證煤炭連續(xù)生產(chǎn)的主要運輸通道。巖巷掘進中,主要采用增大截割功率的方法來提高掘進機的硬巖破碎能力,造成掘進機體積和重量的增加,并且由于截割刀具的制造工藝和強度沒有改變,導致截割刀具磨損加劇,掘進成本提高,影響巷道掘進效率。研究新的巷道硬巖破碎方法,提高硬巖截割能力和效率,降低掘進機功率和重量,對巷道掘進中生產(chǎn)成本的降低具有重要意義。本文提出一種金剛石鋸片-截齒聯(lián)合破巖方案,利用金剛石鋸片對巖石切縫形成板狀巖體,在此基礎上利用截齒對板狀巖體進行截割破碎,以增強截割頭截割能力,提高截割效率,從而全面提高巷道掘進速度。本文以截齒破碎板狀巖體為研究對象,利用理論和數(shù)值模擬方法分析截齒破巖過程,搭建巖板截割試驗臺,研究板狀巖體斷裂結(jié)果和峰值截割力的影響因素,為金剛石鋸片-截齒聯(lián)合破巖方法在巷道掘進中的應用提供理論和試驗依據(jù)。在研究巖石結(jié)構(gòu)特點、物理性質(zhì)和力學性質(zhì)的基礎上,分析了截齒破巖過程及截割力的影響因素�；趶椥员“謇碚�,建立了巖板在截齒作用下的力學模型,給出了邊和角點在不同約束條件下的邊界求解條件�；诮饎偸徠�-截齒聯(lián)合破巖方法,分析了巷道掘進中容易出現(xiàn)的板狀巖體約束形式,通過不同邊界條件對不同約束的板狀巖體進行了彎曲求解,得出了最大撓度位置和最大彎矩位置,對板狀巖體的斷裂位置進行了預測。利用有限元軟件建立了截齒破碎巖石的數(shù)值模擬模型,采用損傷本構(gòu)模型和侵徹失效相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了截齒作用下對巖石裂紋擴展和巖塊分離過程的模擬。對測試點失效機理的研究表明,巖石破碎的主要原因是拉伸失效,這與理論分析相同。通過數(shù)值模擬方法分析了截齒截割速度、切削深度和巖石彈性模量對巖石破碎塊度的影響,研究了巖石抗壓強度和截割深度對截割力及截割比能耗的影響。搭建了巖板截割試驗臺,主要包括巖板截割組件、測試信號采集系統(tǒng)和液壓動力系統(tǒng)。制定了截齒破碎巖板性能的單因素影響試驗方案,主要研究巖石性質(zhì)、巖板厚度、截齒截深、巖板寬度和高度等因素對巖板破碎結(jié)果和峰值截割力的影響。巖石性質(zhì)由單軸抗壓強度試驗和巴西劈裂法測得。板狀巖體破碎試驗表明,對于三邊約束巖板,峰值截割力隨巖石抗壓強度、巖板厚度和截齒截深的增大而呈指數(shù)增大,隨巖板寬度和高度的增大呈指數(shù)降低;對于兩鄰邊約束巖板,峰值截割力隨巖石抗壓強度的增大呈線性增大,隨巖板厚度的增大和截深的增大呈指數(shù)增大,隨巖板寬度和厚度的增大呈指數(shù)降低;對于一邊約束巖板,峰值截割力隨巖石抗壓強度和截深的增大呈線性增大,隨巖石厚度和巖板寬度的增加呈指數(shù)增加,隨巖板高度的增加呈線性降低。建立了單截齒破碎巖板的數(shù)值模型,對截齒破碎巖板的過程進行了模擬,結(jié)果表明在巖板主裂紋產(chǎn)生時截割力達到最大值,通過單元失效模型得出,巖板斷裂的原因同樣是由于拉伸失效。數(shù)值模擬中對穩(wěn)定峰值截割力進行了研究,巖石抗壓強度越大,穩(wěn)定峰值截割力越大,穩(wěn)定峰值截割力對應巖板最小寬度和高度也越大。數(shù)值模擬同樣對截割位置、截割角度和圍壓等對峰值截割力的影響進行了研究,結(jié)果表明,峰值截割力隨截割角度和圍壓的增大先增大后減小,截齒截割位置越靠近固定邊,截割力越大。對三種約束條件下的巖板破碎峰值截割力進行了對比,結(jié)果表明,固定邊數(shù)量越多,同截割參數(shù)下的峰值截割力越大。本文通過搭建巖板截割試驗臺進行的巖板破碎試驗,獲得了截齒破碎板狀巖體的截割力和巖體破碎結(jié)果,為金剛石鋸片-截齒聯(lián)合方法在巷道掘進中的應用提供了試驗依據(jù)。通過試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的對比驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,為截齒破碎板狀巖體的微觀研究供了新的思路和方法。板狀巖體破碎截割力與傳統(tǒng)破巖截割力的對比表明,金剛石鋸片-截齒聯(lián)合破巖方法可以有效降低截齒截割力,提高巷道的掘進速度。
【學位授予單位】：山東科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD263
【圖文】：

截割功率的方法，但加大功率勢必增大采掘裝備的體積，并且采掘裝備的截割逡逑刀具沒有改變，其強度沒有提升，單單增大功率使得工作面粉塵量增大、截割逡逑機構(gòu)的磨損加劇，甚至使合金頭整體脫落，如圖２－１所示。這種方法雖然對提高逡逑截割效率有一定提升，能夠?qū)崿F(xiàn)硬質(zhì)巖石破碎，但是增加了巷道掘進成本。逡逑，■NB？、邐■■■ｊｉｍｉｉｋ．＇＇－－－逡逑＿邐＿逡逑ｍ邐？逡逑（ａ）截齒邊緣磨邐（ｂ）合金頭脫落逡逑圖２－１截齒磨損逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｃｏｎｉｃａｌ邋ｐｉｃｋ邋ｗｅａｒ逡逑為減小采掘裝備的體積和重量，使采掘裝備能夠更好地適用于堅硬煤巖，逡逑且具有較高的截割能力和效率，迫切需要研宄一種新的破巖方法，進而開發(fā)出逡逑先進的巖巷掘進裝備，加快巖巷掘進施工速度，確保采掘正常接續(xù)，對我國煤逡逑炭的安全高效開采和可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。逡逑本課題依據(jù)工程實際，以減小刀具受力和磨損、提高采掘裝備破碎堅硬煤逡逑巖能力和提高采掘效率為目標，在掌握工作機構(gòu)破巖系統(tǒng)動力學性能和運動規(guī)逡逑律的基礎上

文中對截割比能耗進行了深入的研宄，指出截割比能耗與單軸抗壓強度逡逑和單軸抗拉強度成線性關系，截割比能耗隨單軸抗拉強度和單軸抗壓強度的增逡逑大而越大，截割比能耗隨彈性模量的增加呈現(xiàn)指數(shù)增加，截割試驗臺如圖２－２所逡逑７Ｆ邋0逡逑５逡逑

中國礦業(yè)大學的高魁東基于滾筒裝煤機理，展開了對采煤機裝煤性能的試驗逡逑研宄和仿真方法研宄，并討論了工作面角度和滾筒位置參數(shù)對裝煤性能的影響，逡逑煤巖截割試驗臺如圖２－４所示。逡逑１１逡逑

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本文編號：2785004