截齿辅助冲击作用下坚硬煤体的破碎特性

近年来硬质煤层比例不断上升,传统机械截割方法在硬煤条件下的效率低下一直是我国煤炭生产行业的攻坚难题,寻求一种对硬质煤层具有强适用性的破碎方法成为煤矿智能化建设的重要科学问题.冲击与截割协同破煤技术是一种新型硬煤开采方式,其通过利用截齿在运动切线方向上的往复冲击使煤体内部产生破坏,降低硬煤开采难度.而考虑到截齿冲击的时空...     

基于单截齿的液压冲击与截割联合破煤岩过程研究

针对煤岩截割过程中存在的截齿磨损严重、截割结构失效等普遍问题,采用预裂与截割联合破煤岩原理,设计了一种液压冲击与截割联合的截齿,并采用EDEM离散元软件模拟截齿液压冲击与截割联合破煤岩的过程,分析有无冲击预裂的破煤岩性能,研究结果表明:煤岩普氏系数的增加均会使2种截割方式的截割效率降低,煤岩普氏系数越大,2种截割方式的截割效率差距就越大,且有冲击作用方式的截齿可以输出更大的截割力;截齿在有冲击作用下的截割效率相比无冲击作用下的截割效率最高提升了15%以上,在截割力输出性能最大提升20%以上,因此,该冲击预裂方式有助于破碎煤岩。     

难采煤岩的高效破碎方法研究

针对我国难采煤岩比例日渐上升,传统煤岩开采方法效率低下的问题,开展了难采煤岩的高效破碎方法综述研究。首先按照工作原理分类,将现有的煤岩高效破碎技术分为纯射流破煤岩、射流辅助机械破煤岩、冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩、激光破煤岩、钻孔胀裂剂破煤岩,阐述了各煤岩破碎技术的工作原理,并初步总结了各技术的优势。其次综述了各煤岩破碎方法的研究现状,对当前国内研究基础进行了概括,并根据现有研究分析了各技术的局限性,通过建立的局限度指标,对不同煤岩破碎技术的局限性做出了评价,其中射流破煤岩局限度最低,激光破煤岩最高,冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩与钻孔胀裂剂破煤岩,在忽略理论局限指标基础上与射流破煤岩的局限度相同,具有同样的工程应用价值与理论研究价值。最后对我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势进行了分析,在考虑到国内煤岩地质条件向深部开采与难采煤岩发展的趋势基础上,提出了“高地应力的克服或利用”“黏性煤岩的黏度预防或黏度失效”2个发展构想,另外考虑到我国物联网的发展与智能化开采的不断完善,提出了我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势与传统技术发展过程不同,是多种煤岩破碎技术并存且相互联合的构想,从而实现薄煤层、硬质煤层、高瓦斯煤层等其他复杂赋存条件下各种煤岩破碎技术的联合工作。     

矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘...     

截割介质物理力学参数对液压冲击截齿破煤率影响的研究

通过对目前国内外有关采煤机截割滚筒截割煤岩方面研究的最新成果以及采煤机滚筒受力理论的研究分析，以截割过程中煤层介质的力学参数为研究对象，分析其对冲击式截割滚筒采煤效率的影响。使用离散元进行分析，在滚筒的转速以及冲击频率保持不变的情况下，将滚筒与煤壁耦合模型中的参数进行调整，分别以煤壁硬度f=4、f=5、f=6作为力学性能指标进行仿真分析，经仿真得出：煤壁硬度为f=5时破煤率能够达到31.69%,f=6时为31.96%,f=4时煤壁破煤率最低，为31.04%。     

镐形截齿破煤截割力的计算及影响因素分析

根据煤岩体的抗压强度，给出了镐形截齿破煤过程中截割力的计算公式。煤岩截割试验结果证明了截割力公式基本正确，在此基础上对破煤过程中镐形截齿截割力的影响因素进行了分析。     

层理和裂隙对镐型截齿破煤的影响

采用分形理论对煤岩裂隙的长度和数量的关系进行分析,并考虑层理和裂隙在煤岩中的分布特征,建立了层理与水平面呈0°、30°、60°、90°夹角时的煤岩三维模型,应用动态仿真模拟软件ANSYS/LS-DYNA分别对镐型截齿截割均质煤岩和不同工况下的含层理和裂隙煤岩进行动态仿真模拟,研究表明,镐型截齿破煤时所受到的截割力随截割厚度的变化而变化,呈现出先增大后减小的变化趋势;镐型截齿截割含层理和裂隙煤岩时所受到截割力的平均值、最大值和均方差均小于镐型截割均质煤岩时的截割力,这与煤岩层理和裂隙有助于镐型截齿破煤的实际情况相符;当层理与水平面呈0°夹角时,镐型截齿受到的截割最小,随着层理与水平面角度的增加,截割力平均值均有所增加,说明煤岩中层理和裂隙的分布情况对镐型截齿破煤也有一定的影响。     

采煤机冲击截齿驱动系统设计研究

针对当前煤矿开采过程中所产生的大量末煤和粉尘,提出冲击预裂开采工艺方法,以降低末煤和粉尘量的产生。设计一种用于冲击截齿工作的直线电磁柱塞泵液压冲击系统,为采掘设备上的冲击油缸提供冲击动力,使滚筒上的截齿在截割的过程中,截齿还能产生冲击运动而对煤岩体进行同步预裂。该液压冲击系统液路结构独特,并能产生液压谐振效应,设计的直线电磁柱塞泵结构简单,工作性能安全可靠,故障率低。整个系统采用模糊算法进行智能控制,能为截齿提供精确的冲击力度和频率控制。     

基于PFC3D的镐形截齿截割煤层的离散元分析

截齿作为与煤岩直接作用的刀具,其截割性能优劣直接影响着采掘装备的工作效率,其受力形式较为复杂。采用离散元分析软件PFC3D模拟镐型截齿的破煤过程,旨在研究镐型截齿的受力形式,以及镐形截齿的受力大小与煤层截割厚度的关系,为后续采掘装备截割性能的研究提供依据。     

采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性,以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异,致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况,影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为,提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法,提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型,考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数,划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态,分析截齿截割煤岩的过程与状态,构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型,给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法,通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律,结合截割状态的关联载荷特征模型,修正与预测截割状态和岩层位置,确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明:向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的,向自由面易于破碎煤岩,且截割载荷与比能耗均小;分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角,载荷增量均与岩层厚度呈正相关性,但截割顶底板方向存在明显差异;随截割夹矸岩层厚度增加,截齿截割载荷增大,且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系;给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量,反映截割顶板易于截割底板的特征;截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%,3.37%和8.07%,验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述,为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。     

基于ABAQUS模拟镐形截齿截割脆性煤岩

根据镐形截齿截割煤岩工况,利用ABAQUS软件的动力学显式有限元方法对镐形截齿的动态截割煤岩过程进行了数值模拟。动态模拟分析了镐形截齿在截割煤岩过程中的应力分布、三向力、煤岩应力场及其断裂路径等。模拟结果表明镐形截齿的应力及三向力突变主要与块状煤岩的脆性崩裂有关,截割面的块状煤岩崩裂路径与水平面夹角近似30°,与截割方向垂直平面的煤岩破裂路径呈抛物线形。     

宁东矿区复杂难采煤层工作面初采阶段工程实践

复杂难采煤层工作面初采阶段煤岩体灾变过程是朝着不利于采场稳定性方向演化的过程,存在断层活化、煤壁片帮、顶板断裂和溃水溃沙等灾变现象.宁东矿区各矿井面临的开采环境日趋复杂,存在高温、埋深大、倾角大、地应力集中、软岩巷道支护困难、硬岩顶板破断不及时,极大地增加了开采难度.大倾角仰斜开采工作面,采场稳定性是决定安全开采的关键...     

无煤柱自成巷预裂切顶机理及其对矿压显现的影响

预裂切顶是无煤柱自成巷技术的核心,预裂切顶的效果直接关系到成巷的稳定性。以柠条塔煤矿无煤柱自成巷工程项目为背景,首先运用理论分析方法研究了预裂切顶的机理,进而运用离散元数值模拟方法和现场试验方法,对不同切顶条件下巷道围岩的响应规律进行了研究。研究发现,非聚能爆破模式下裂隙向四周扩展,导致巷道顶板形成裂隙分支,破坏巷道顶板的完整性。聚能张拉爆破模式下,应力波在侵彻裂隙的导向作用下可实现定向成缝。为达到理想的切顶效果,装药量及孔间距需协调设计,以保证孔间裂隙贯通。切顶参数变化对巷道围岩的整体变形及矿压分布有重要影响。在一定范围内,增大切顶高度可增大矸石碎胀体积,减小巷道顶板变形和作用在实体煤帮上的应力峰值,但切顶高度不宜过大,否则会增大施工难度,且会增大留巷变形。切顶角度对矿压显现亦有一定影响。当垂直巷道顶板切缝时,巷道围岩变形最大,但当切缝向采空区偏斜10°~20°,留巷围岩变形明显减小。柠条塔煤矿4.1 m采高、砂岩为主顶板的条件下,爆破孔间距为600 mm,单孔装药量为3 200 g时,切顶高度设计为9.0 m,切顶角度为10°时,矸石垮落充分,成巷效果较好。总结认为,切顶高度影响的是采空区矸石的碎胀体积及其对切顶短臂结构的作用力,切顶角度主要影响采空区顶板在垮落中对切顶短臂结构的动态下坠力及稳定后对切顶短臂结构的稳态支撑力,无煤柱自成巷预裂切顶的关键是保证采空区顶板和巷道顶板切得开,在切顶参数设计时应综合考虑预裂效果和切顶后碎胀矸石与切顶短臂结构的作用关系。     

提高炮采工作面块煤率的技术途径

为提高小煤矿炮采块煤率,结合龙岩矿区小煤矿块煤层特征,分析了块煤率的影响因素为块煤的岩性特征和爆破落煤方式,基于块煤岩性特征将块煤分为3类块煤,为提高块煤率研究分析了这3类块煤开采选择不同的落煤方式。试验结果表明：坚硬块煤层可通过适当爆破落煤方式实现块煤率提高23％;节理发育条带块煤层,可不放炮直接采用风镐落煤法开采,其块煤率提高33％;块煤夹粉煤煤层,采用爆破振动加风镐落煤的方法,块煤率提高较多。     

超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

基于震波CT探测的宽煤柱冲击地压防控技术

针对深井区段煤柱冲击地压易发、多发、难防治的难题,以某矿1301工作面80 m区段宽煤柱冲击地压为例,利用数值模拟及微震数据分析,研究了宽煤柱冲击地压致灾机制,采用震波CT原位探测技术评估了宽煤柱区域内冲击危险性,并提出针对性防治方案。结果表明:3号煤层具有弱冲击倾向性,顶板岩层具有强冲击倾向性,已具备发生冲击地压的内在条件,高自重应力、强构造应力提供了基础静载荷,采空区侧向支承压力提供了增量静载荷,当两者叠加导致垂直应力超过冲击临界支承压力时,为宽煤柱静载荷冲击地压的发生提供了力源条件;震波CT原位探测技术以穿透煤岩体的实际震动波射线进行波速反演,反映煤岩体静载荷分布特征及结构特性,建立了以波速异常系数CA和波速梯度系数CG为主要因子的冲击地压危险性评估模型;鉴于宽煤柱冲击区域采掘空间实际条件,设计布置近完全观测系统观测方式,采用震波CT原位探测技术反演评估得到宽煤柱测区内冲击危险指数C=0.5~0.7,表明冲击发生后,宽煤柱仍然存在静载荷集中区域,具有中等冲击危险,并且运输巷侧冲击危险指数较采空区侧高,表明煤柱应力由采空区侧向运输巷侧转移,局部区域煤体破碎易冒顶片帮;制定了基于静载荷疏导的多层次防冲技术:大直径钻孔预卸压转移巷帮集中应力,耗散弹性应变能,确定合理日进尺为2.4 m,降低开采扰动,巷道全断面补强支护,提高围岩抗冲击能力;通过上述措施,现场监测宽煤柱煤体应力未发生突增,微震能量及频次变化平缓,1301工作面已安全回采宽煤柱区,防治效果显著。     

煤矿采掘机械铸钢截齿研究

煤矿资源是我国现代化建设无可取代的一次性能源,高产高效开采是经济建设的有力保障。对于现代化采煤,采掘机械的截齿耐磨性直接影响煤炭生产,因此采用新材料,用"铸钢"代替焊接生产采煤机截齿,合理设计截齿布置及截齿结构具有重要意义。文章通过对采掘机械截齿性能影响因素的分析,提出应用铸钢截齿的优越性,提高了截齿的可靠性,降低齿耗占吨煤成本中的比例,提高采煤机有效工作时间。     

煤矿井下不同区域矿井水中有机污染特征

为了弄清煤矿井下不同区域矿井水中有机污染特征,以神府矿区某浅埋矿井为研究对象,基于三维荧光指纹技术和区域体积积分法开展了矿井水水质特征研究。结果表明:神府矿区井下矿井水中阴阳离子等组分主要来自顶板基岩含水层,煤炭开采产生了氮素,有机物等污染物,其中COD浓度超标率(Ⅲ类地下水质量标准)达到72.7%;02综采工作面矿井水中COD则达到Ⅴ类地下水质量标准,且TOC和UV254也较高。1~5号矿井水中DOM主要出现了芳香性蛋白类有机质荧光峰;综采工作面矿井水中Ⅴ区荧光峰非常明显,该类有机质来自工作面回采和检修过程中综采设备溢油。1~5号矿井水中类酪氨酸和类色氨酸的标准体积比例Pi,n之和>52.0%,说明芳香性蛋白质有机物是本地区地下水中重要的DOM;02综采工作面水样中多环芳烃类有机物的标准体积比显著增加,反映了检修过程中大量多环芳烃类油污进入矿井水;矿井水处理厂进出水水质具有井下不同位置矿井水的综合特征,Ⅰ区和Ⅴ区有机质可以有效地被微生物利用或处理工艺去除。COD与Φi,Pi,n,FI,TOC,UV254的相关性较低,表明矿井水中COD的主要成分为非溶解性的煤泥等物质;UV254和TOC与Φi,Pi,n,FI的相关性显著增加,表明区域体积积分法和峰值法都能够很好地表征DOM的荧光特征、含量等。