滾筒采煤機(jī)開(kāi)采含煤巖界面煤層截割特性研究.pdf

1、采煤機(jī)是綜合機(jī)械化采煤的重要組成部分，滾筒作為其截煤機(jī)構(gòu)承擔(dān)著截煤、輸煤等關(guān)鍵任務(wù)，鎬型截齒是其落煤的“主力”，其截割性能直接影響采煤機(jī)的生產(chǎn)效率和可靠性。近些年來(lái)滾筒的截割性能成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，如何提高滾筒采煤機(jī)在開(kāi)采薄與極薄等含煤巖界面煤層時(shí)的性能更是亟待解決的問(wèn)題。為此，本文對(duì)鎬型截齒、滾筒截割含煤巖界面煤層的動(dòng)力學(xué)特性、截割性能進(jìn)行了理論及試驗(yàn)研究。
　　本文基于Evans破巖理論以及單向加載條件下煤巖破碎的試驗(yàn)結(jié)

2、果，建立了鎬型截齒、滾筒旋轉(zhuǎn)截割均質(zhì)煤巖層的力學(xué)模型，并結(jié)合層狀巖體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析及格里菲斯強(qiáng)度理論，建立了鎬型截齒、滾筒旋轉(zhuǎn)截割含煤巖截面煤層的力學(xué)模型。
　　基于相似理論，建立了煤巖性質(zhì)、滾筒、截齒以及截割載荷的相似準(zhǔn)則，研制了煤巖截割試驗(yàn)基臺(tái)、截齒和滾筒，并開(kāi)發(fā)了可以獲取鎬型截齒截割煤巖的三向力的嵌入式無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)。將抗壓強(qiáng)度作為配置模擬煤壁的主要依據(jù)并考慮煤巖的節(jié)理、層理等特性，配制了試驗(yàn)用模擬煤壁，通過(guò)單向抗壓試驗(yàn)得到

3、了其抗壓強(qiáng)度與粉煤（沙子）和水泥配比間的關(guān)系，并為后續(xù)配制模擬煤巖材料提供依據(jù)。
　　在煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行單齒截割均質(zhì)煤層、巖層和含煤巖界面煤層試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同截割對(duì)象條件下的截割載荷時(shí)域特性開(kāi)展研究，揭示了截割載荷隨時(shí)間變化的一些基本規(guī)律，并得出含煤巖界面煤層中會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊載荷等時(shí)域特性?；诖耍跁r(shí)域內(nèi)對(duì)截割載荷的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析，得出截割載荷隨截割材料參數(shù)變化的規(guī)律，驗(yàn)證了截割力學(xué)模型分析的正確性并對(duì)截割力學(xué)模型進(jìn)行了修

4、正。對(duì)比均質(zhì)煤層截割載荷與含界面煤層截割載荷，說(shuō)明界面的存在對(duì)煤層段載荷的影響較明顯，且界面層的存在降低煤層段載荷，從而增大了煤層段與巖層段載荷的差值，差值越大，煤層段到巖層段過(guò)渡過(guò)程中的載荷變化越劇烈，沖擊越明顯，從而降低截齒截割性能和使用壽命。同時(shí)，采用截割單位能耗、塊煤率和截齒磨損量等指標(biāo)研究截割材料參數(shù)對(duì)截齒截割性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)截割載荷、截割單位能耗均隨截割材料抗壓強(qiáng)度的增大而增大，變化規(guī)律基本一致，表明單齒截割載荷是影響單

5、齒截割單位能耗的主要因素。塊煤率隨煤層抗壓強(qiáng)度遞增，且含煤巖界面煤層中界面層位置對(duì)截割載荷和截齒磨損量影響比較顯著。
　　在均質(zhì)煤層和含煤巖界面煤層的截割條件下，結(jié)合鎬型截齒和滾筒截割力學(xué)模型，對(duì)比單齒截割載荷扭矩計(jì)算值與滾筒截割扭矩實(shí)測(cè)值，分析其內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明滾筒截割扭矩載荷是由截齒截割載荷、滾筒裝煤載荷以及齒座等參與截割產(chǎn)生的載荷組成，同時(shí)說(shuō)明截割載荷研究對(duì)衡量截齒截割性能具有重要意義。
　　通過(guò)載荷降噪對(duì)比分析

6、，選用EMD信號(hào)處理方法降噪，對(duì)截割載荷進(jìn)行功率譜分析和三維時(shí)頻聯(lián)合分析，得到系統(tǒng)主頻率與被截割煤巖性質(zhì)、煤巖破碎情況的關(guān)系，同時(shí)獲取系統(tǒng)頻率隨時(shí)間和煤巖性質(zhì)的變化規(guī)律，為進(jìn)一步揭示截割破碎煤巖機(jī)理提供理論指導(dǎo)。以截割載荷為依據(jù)，結(jié)合鎬型截齒破巖機(jī)理和突變理論，通過(guò)非線性函數(shù)擬合煤巖單次崩落載荷變化規(guī)律，建立截割載荷折疊突變理論模型，獲取了截落煤巖的剛度條件、能量條件以及崩落破碎臨界條件。結(jié)果表明在截割機(jī)構(gòu)剛度大于煤巖剛度條件下，當(dāng)載荷

7、達(dá)到煤巖崩落破碎條件時(shí)，截割載荷的增大或截割機(jī)構(gòu)受激振動(dòng)而產(chǎn)生的擾動(dòng)就可以形成煤巖的有效崩落破碎。通過(guò)對(duì)截割載荷的相空間重構(gòu)分析，可知單齒截割載荷具有明顯混沌特征，基于此，采用關(guān)聯(lián)維、李雅普諾夫指數(shù)、復(fù)雜度等混沌特性指數(shù)分析截割載荷，發(fā)現(xiàn)截割載荷的特征指數(shù)會(huì)隨截割對(duì)象的不同產(chǎn)生變化，這為采煤機(jī)截割含煤巖界面煤層過(guò)程中截割對(duì)象的分辨提供了理論指導(dǎo)，為采煤機(jī)穩(wěn)定可靠的工作提供保障。
　　在煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展了鎬型截齒截割含煤巖界面煤

8、層的試驗(yàn)，以截割載荷作為衡量截割性能指標(biāo)，研究了鎬型截齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)、安裝參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)截割性能的影響。結(jié)果表明在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，截割載荷隨著齒尖夾角的增大、齒身錐角的增大、截線距的增大、滾筒轉(zhuǎn)速的降低以及截割厚度的增大而增大；隨著沖擊角的增大截割載荷先減小后增大，沖擊角在48°左右時(shí)載荷最?。浑S著傾斜角的增大，截割載荷先減小后增大，這與理論研究適當(dāng)增大傾斜角可以提高截割效率相一致。為降低磨損量，本文提出在截齒齒身上焊接耐磨筋條，具