第一章   緒論 

煤炭是我國一次能源的結構主體，根據(jù)國家能源局預測，我國煤炭需求總量在 2020年將達到峰值 47.6 億噸，之后煤炭消費量緩慢下降，年均降低 0.43%，到 2030 年降至45.6 億噸，因此在未來 10～20 年中，我國煤炭消費仍占能源消費總量的 60%。而采掘比例失調一直是困擾煤炭安全、高效生產的一個主要因素，近年來，巖石巷道比例逐年增加，如原國有重點煤礦年掘進進尺約 10000 km，巖石巷道掘進超過 2000 km，以陽煤集團為例，目前巖石巷道比例已經占到 30%以上。煤炭相關企業(yè)及科研院所已經開展多項關于巖巷機械化掘進攻關項目，基本解決巖石抗壓強度小于 80MPa 的巖巷綜合機械化掘進技術難題，并開發(fā)了重型掘進機及相關成套設備。但是由于受地質條件、截齒強度等因素的限制，目前部分斷面懸臂式掘進機可經濟截割煤巖最大抗壓強度為 120 MPa。隨著截割巖石硬度的增大，截齒磨損和元部件失效等問題日益突出，因此，為提高掘進機復雜環(huán)境下的截割性能，有必要對錐形截齒破巖機理、截齒磨損規(guī)律以及掘進機性能預測等方面展開深入研究。 

1.1   截齒破巖理論 
對于機械破碎巖石，不同破巖刀具的破巖機理也不同，另外，巖石材料具有非均質性和各向異性，刀具破碎巖石后形成的巖屑大小具有隨機性，因此，建立合理的破巖機理模型，充分認識刀具破巖機理、破碎過程的物理現(xiàn)象及其力學特征一直是很難解決的問題。為分析采掘設備的截割性能，許多國內外學者對巖石破壞機理及作用在截齒上的載荷計算模型進行了大量研究，其中一些方法在工程實例和模擬計算中得到廣泛應用。早在 1961 年，Evan[1]首個提出了關于煤的截割力學性能理論模型，分為錐形截齒截割力計算模型(見式(1-1))和鑿形截齒截割力計算模型(見式(1-2))，并定義峰值切向力與峰值法向力的關系式(見式(1-3))，其擴展理論廣泛用于采煤機、掘進機等挖掘設備的設計。從理論上證明了采用錐形齒或鑿形截齒截割巖石的過程中，巖石的抗拉強度與抗壓強度對截齒受力的影響占主導地位。
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1.2   國內外巖石截割試驗裝置的發(fā)展與應用
對采掘設備的截割性能預測有多種方法，如理論法、經驗法、單齒截割巖石試驗、整機截割人造巖壁試驗和井下現(xiàn)場試驗等[16]。由于巖體結構復雜多變，理論法和經驗法的預測結果不準確；大部分試驗測試儀器受作業(yè)環(huán)境、煤礦防爆等條件的限制，無法在井下現(xiàn)場試驗使用，數(shù)據(jù)采集很有局限性；采用整機對人工巖壁進行地面試驗的成本很高，少數(shù)企業(yè)和科研機構才有經濟能力進行試驗。然而，實驗室?guī)r石截割試驗裝置具有試驗結果可靠、成本低及易操作等優(yōu)勢，因此該方法在采礦工程中得到了廣泛使用。由NATO-TU項目資助和科羅拉多州礦業(yè)大學巖土力學研究所的技術支持，伊斯坦布爾技術大學的N. Bilgin等人設計制造了一臺線性截割試驗裝置（簡稱LCM）[4]，如圖1-1所示。該試驗裝置安裝的刀具固定在龍門橫梁上，液壓缸推動巖石樣品做往復移動，實現(xiàn)巖石的截割過程，最大推進力可達50 t�？扇菁{最大尺寸為0.7×0.7×1 m的巖石樣品。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含8個獨立通道，采樣頻率可調整到50 k Hz，用于記錄截割過程中作用于截齒上相互垂直的三個分力。 
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第二章   顆粒流離散元基本理論與細觀參數(shù)標定 

2.1   概述 
顆粒流離散元方法基于分子動力學思想提出，它的基本構成單元為圓盤和圓球顆粒，利用墻單元作為邊界約束。該方法從細觀結構角度研究散體、粘結介質的力學特性，可用于解決顆粒間相互作用、大變形、斷裂以及巖石工程中裂紋的產生與擴展等問題。與其它常用數(shù)值方法相比，Cundall[74]認為顆粒流離散元方法在描述巖石介質特性方面占有很大優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為：它可以描述循環(huán)加載條件下的滯后效應及中間應力增大時介質特性的脆塑性轉化；對介質基本特性隨應力場的變化進行模擬；可描述介質的連續(xù)非線性應力-應變關系、屈服強度及應變軟化或硬化過程；對介質材料的微裂縫形成過程及破裂時聲能的擴散過程進行描述；可以反映出應力-應變路徑引起的剛度和強度的各向異性問題，并描述強度包絡線的非線性特性。 巖石顆粒體模型的宏觀力學性質不能根據(jù)巖石樣品的試驗測試結果直接賦值，必須通過定義顆粒半徑、接觸特性等參數(shù)反復嘗試，直到巖石顆粒體模型的宏觀性質與試驗測量的宏觀性質相匹配。本章簡要介紹顆粒流離散元方法的基本原理及其數(shù)學模型，通過大量的單軸抗壓強度模擬試驗和巴西劈裂模擬試驗，對巖石顆粒體模型的宏觀性質進行標定，并總結出宏觀性質隨細觀參數(shù)的變化規(guī)律。 
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2.2   PFC3D 基本理論
在顆粒體模型求解過程中，以力-位移定律和牛頓第二定律為基本理論，根據(jù)力-位移定律，使顆粒與顆粒之間、顆粒與墻體之間的接觸力隨時間步更新；根據(jù)牛頓第二定律，使顆粒與墻體的位置隨時間步更新，并重新調整顆粒之間的接觸關系，見圖 2-1。兩者循環(huán)進行，按時間步迭代并遍歷整個顆粒體模型，直至模型內部應力達到平衡狀態(tài)或發(fā)生斷裂破壞無法保持穩(wěn)定狀態(tài)。顆粒與顆粒之間靠粘結鍵連結，可分為接觸粘結和平行粘結兩種類型。當施加于顆粒體上的作用力超過其粘結強度，則粘結發(fā)生斷裂，視為材料失效。在程序運行過程中，顆粒具有移動和旋轉兩種運動形式，可自動分離并識別新的接觸。PFC3D 的計算周期采用時間步算法，循環(huán)過程中，所有顆粒遵循運動定律，每個接觸遵循力-位移定律，并不斷更新墻體的位置。
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第三章  單齒旋轉截割巖石的試驗研究 ..... 33 
3.1  概述 ...... 33 
3.2  單齒旋轉截割巖石試驗裝置 ........ 33 
3.3  變切削深度與截齒間距下的巖石截割試驗研究 ......... 38
3.4  截齒破巖機理分析 ....... 46
3.5  截齒磨損的試驗研究 ........... 51
3.6  小結 ...... 61 
第四章  單齒截割巖石的離散元模擬 ......... 65 
4.1  概述 ...... 65 
4.2  截齒齒尖形狀對破巖效果的影響 ........ 65 
4.3  截割模式對截齒載荷特性的影響 ........ 74
4.4  截齒間距對破巖效果的影響 ........ 80 
4.5  截齒磨損的數(shù)值模擬研究 .... 85
4.6  小結 ...... 89 
第五章  縱軸式掘進機截割性能評估 ......... 91 
5.1  概述 ...... 91 
5.2  螺旋線數(shù)對縱軸式截割頭截割性能的影響 ......... 91
5.3 EBZ260W 掘進機人工巖壁截割試驗 ........... 98
5.4 EBZ260W 掘進機現(xiàn)場試驗 ........ 105 
5.5  掘進機性能預測方法 ......... 107 
5.6  瞬時截割率預測模型的建立 .......110 

第五章   縱軸式掘進機截割性能評估 

5.1   概述

掘進機廣泛應用于巷道掘進工程中，其性能預測方法一直備受設計者、工程師及科研人員的關注。掘進機的性能預測一般包括設備選型、生產率預測及截齒消耗量評估三個方面。其中，瞬時截割率是單位時間內截割的煤巖量，它主要受以下幾個因素的影響[107]：(a)  巖石性質，如巖石壓縮強度、拉伸強度等；(b)  地質條件，，如節(jié)理、層理、地下水等；(c)  掘進設備規(guī)格，包括截割頭功率，機器重量，截割頭類型，截齒類型，截齒排布及數(shù)量等；(d)  操作參數(shù)，如巷道形狀及尺寸、斜坡及操作人員經驗水平等。上述因素的綜合作用決定了掘進設備在一定地質條件下的生產率。 許多學者通過預測瞬時截割率對掘進機性能進行評估，并進行了大量研究。由于井下環(huán)境惡劣，很難對截割頭的截割功率進行測量，采用計算機程序進行截割模擬是一個穩(wěn)定、易操作的方法，且通過模擬截割頭的實時截割功率計算比能耗進而預測生產率的研究尚未出現(xiàn)。因此，本章提出一種新的生產率預測方法，即利用掘進機截割功率的模擬數(shù)據(jù)預測瞬時截割率�；� N.Bilign 建立的單齒截割力數(shù)學模型，推導出在任意時刻作用在截割頭的截割載荷。然后，由截割扭矩和截割功率之間的關系，建立瞬時截割率預測模型。結合 EBZ260W 縱軸式掘進機截割頭的結構設計參數(shù)，采用 VB 語言編制模擬程序，可以模擬計算截割頭不同工況下的截割功率數(shù)據(jù)，模擬結果的可靠性通過EBZ260W 縱軸式掘進機的實驗室人工巖壁截割試驗和現(xiàn)場試驗進行驗證。 

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總結 

系統(tǒng)分析了截齒破碎煤巖理論、用于巖石截割的數(shù)值模擬方法及國內外巖石截割試驗裝置的發(fā)展與應用，其中，對刀具破碎煤巖理論的適用范圍、存在的不足之處進行詳細論述；討論不同數(shù)值模擬方法應用于巖石截割方面的研究現(xiàn)狀，其中顆粒流離散元方法具有非常突出的優(yōu)勢；針對目前現(xiàn)有煤巖截割試驗裝置的結構特點、刀具運動形式、截割能力及相關研究成果等進行綜述，對比發(fā)現(xiàn)，旋轉截割試驗裝置更加逼近真實工況。采用理論分析、試驗測定和數(shù)值模擬相結合的可行性研究方案，對破巖機理、截齒磨損特性、巖石顆粒體-刀具模型的模擬截割試驗及掘進機性能預測等方面展開深入探討。 對顆粒流離散元方法的基本理論、宏觀力學特性與顆粒細觀參數(shù)之間的關系及細觀參數(shù)標定的一般步驟進行闡述。根據(jù)實驗室測定的巖石物理力學性質參數(shù)，對顆粒體樣品進行單軸抗壓強度和巴西劈裂強度模擬試驗，經過不斷嘗試，最終得到的顆粒體宏觀力學特性與試驗測定結果相吻合，且顆粒體樣品失效后的裂紋分布與實驗室試件失效形成的裂紋一致。另外，總結宏觀性質隨 kn/ks 的變化規(guī)律，為快速獲得與實際測量值相匹配的結果提供必要的參考。 合理設計試驗方案，利用單齒旋轉截割試驗平臺開展大量試驗研究。首先，在不同截齒間距和切削深度條件下進行截割試驗，分析截齒間距和切削深度之比(s/d)對比能耗、截割載荷及粗糙度指數(shù)的影響，確定該類型砂巖的最佳 s/d 為 3～4。試驗結果表明，當切削深度一定時，隨截齒間距增大，截割載荷先增大后趨于平穩(wěn)，一個從過切、裂紋連通到裂紋不連通轉變的過程可利用其載荷特征進行描述；統(tǒng)計每組巖屑的質量和尺寸分布數(shù)據(jù)，計算粗糙度指數(shù)，分析結果顯示比能耗與粗糙度指數(shù)之間呈反比例指數(shù)關系，且具有很好的相關性.
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參考文獻(略)

本文編號：148749