滾筒采煤機開采含煤巖界面煤層截割特性研究.pdf

1、采煤機是綜合機械化采煤的重要組成部分，滾筒作為其截煤機構承擔著截煤、輸煤等關鍵任務，鎬型截齒是其落煤的“主力”，其截割性能直接影響采煤機的生產效率和可靠性。近些年來滾筒的截割性能成為國內外學者的研究熱點，如何提高滾筒采煤機在開采薄與極薄等含煤巖界面煤層時的性能更是亟待解決的問題。為此，本文對鎬型截齒、滾筒截割含煤巖界面煤層的動力學特性、截割性能進行了理論及試驗研究。
　　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結

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

3、了其抗壓強度與粉煤（沙子）和水泥配比間的關系，并為后續(xù)配制模擬煤巖材料提供依據。
　　在煤巖截割試驗臺上進行單齒截割均質煤層、巖層和含煤巖界面煤層試驗，通過對不同截割對象條件下的截割載荷時域特性開展研究，揭示了截割載荷隨時間變化的一些基本規(guī)律，并得出含煤巖界面煤層中會出現(xiàn)較大的沖擊載荷等時域特性?；诖?，在時域內對截割載荷的統(tǒng)計量進行分析，得出截割載荷隨截割材料參數變化的規(guī)律，驗證了截割力學模型分析的正確性并對截割力學模型進行了修

4、正。對比均質煤層截割載荷與含界面煤層截割載荷，說明界面的存在對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，煤層段到巖層段過渡過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，采用截割單位能耗、塊煤率和截齒磨損量等指標研究截割材料參數對截齒截割性能的影響，結果發(fā)現(xiàn)截割載荷、截割單位能耗均隨截割材料抗壓強度的增大而增大，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度遞增，且含煤巖界面煤層中界面層位置對截割載荷和截齒磨損量影響比較顯著。
　　在均質煤層和含煤巖界面煤層的截割條件下，結合鎬型截齒和滾筒截割力學模型，對比單齒截割載荷扭矩計算值與滾筒截割扭矩實測值，分析其內在聯(lián)系。研究結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生的載荷組成，同時說明截割載荷研究對衡量截齒截割性能具有重要意義。
　　通過載荷降噪對比分析

6、，選用EMD信號處理方法降噪，對截割載荷進行功率譜分析和三維時頻聯(lián)合分析，得到系統(tǒng)主頻率與被截割煤巖性質、煤巖破碎情況的關系，同時獲取系統(tǒng)頻率隨時間和煤巖性質的變化規(guī)律，為進一步揭示截割破碎煤巖機理提供理論指導。以截割載荷為依據，結合鎬型截齒破巖機理和突變理論，通過非線性函數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。結果表明在截割機構剛度大于煤巖剛度條件下，當載荷

7、達到煤巖崩落破碎條件時，截割載荷的增大或截割機構受激振動而產生的擾動就可以形成煤巖的有效崩落破碎。通過對截割載荷的相空間重構分析，可知單齒截割載荷具有明顯混沌特征，基于此，采用關聯(lián)維、李雅普諾夫指數、復雜度等混沌特性指數分析截割載荷，發(fā)現(xiàn)截割載荷的特征指數會隨截割對象的不同產生變化，這為采煤機截割含煤巖界面煤層過程中截割對象的分辨提供了理論指導，為采煤機穩(wěn)定可靠的工作提供保障。
　　在煤巖截割試驗臺上開展了鎬型截齒截割含煤巖界面煤

8、層的試驗，以截割載荷作為衡量截割性能指標，研究了鎬型截齒的結構參數、安裝參數、運動學參數對截割性能的影響。結果表明在本試驗研究范圍內，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°左右時載荷最??；隨著傾斜角的增大，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