刨刀刨削煤岩特性数值模拟研究

为了探索薄煤层刨煤机刨刀刨削煤岩的破碎过程及其力学特性,基于有限元数值仿真分析方法分析煤岩截割过程的显示动力特性。依据煤岩三向应力测试试验,构建出基于Drucker Prager准则的煤岩本构模型。以煤岩刨削截深、煤岩刨削速度、刨刀前角为水平因素设计单因素仿真分析试验,实现煤岩破碎形态与刨刀煤岩截割力的研究。研究结果表明:煤屑块度与煤岩刨削截深有关,随着截深的增大,块度增大;随着刨削速度的增加,煤屑的块度变化趋势不明显,煤岩在α=30°刨刀作用下,截割剥离煤屑块度较大;刨刀煤岩截割负载随着截深的增大而增大;随着转速与截割深度的增加,前角为30°的刨刀负载呈线性上升趋势。     

基于EDEM仿真的煤岩截割产尘规律研究

为了分析煤岩掘进机截割产尘规律，基于EDEM仿真法构建掘进工作面煤岩体三轴受力模型，分析不同截割条件下煤岩截割产尘规律。结果表明：颗粒间黏结键数量随截割头运转时间呈周期性递减趋势，其周期长度范围为0.2～0.7 s，颗粒间破坏键数量随截割时间大致呈线性递增趋势；截割过程中岩体和煤体的颗粒平均抛掷速度随截割深度增加均呈周期性波动分布，且岩体截割过程的颗粒平均抛掷速度值明显较大；截割深度随着截割头运转时间的增加逐渐增加，颗粒抛掷平均速度自1.0 s左右呈波动性增加趋势；不同顶板压力条件下，随着截割深度的增加，颗粒平均速度均呈周期性增加趋势，而截煤岩高度对截割产尘过程的影响较小。     

含夹矸煤岩截齿安装角对截割力的影响研究

为研究含夹矸煤岩截齿安装角度对截割力影响,运用Pro/E构建镐型截齿和含夹矸煤岩的三维模型,采用ABAQUS有限元软件对截齿截割含夹矸煤岩动态过程进行数值模拟,分析不同截齿安装角度下的应力云图与载荷曲线。结果表明：截齿最大截割力出现在最大切削厚度处附近,改变截齿安装角度,对截齿截割力影响较小;随着截齿安装角的增大,截割力均值和截割力峰值均值呈现先减小后增大的趋势。随牵引速度增大,截齿截割力均值、截割力峰值均值呈增加趋势,该研究为调整截齿安装角来提高截齿破碎性能奠定基础。     

不同工况对含夹矸煤岩截齿磨损深度影响模拟研究

为了研究不同工况对截齿截割含夹矸煤岩的磨损深度影响规律，建立截齿-夹矸煤岩耦合的有限元模型，模拟含夹矸煤岩截齿截割过程，探究截齿应力分布、温度分布与磨损深度的关联程度，采用正交试验法分析转速、牵引速度和安装角对截齿磨损深度的影响规律。研究结果表明：在模拟试验参数范围内，截齿应力分布和温度分布影响截齿磨损深度的大小，且截齿应力、温度与截齿磨损深度呈正相关性；相比于不含夹矸煤岩，含夹矸煤岩截齿应力、温度和磨损深度更大；随着截齿牵引速度的增加，截齿齿尖前刀面磨损深度呈增大趋势；随着截齿转速的增加，截齿齿尖前刀面磨损深度呈减小趋势；随着安装角的增大，磨损深度呈先减小后增大的趋势。研究结果可以有效提高采煤机截割性能及效率。     

基于EDEM的煤岩截割过程仿真分析

为了研究截齿截割煤岩的动态破碎过程以及不同切削厚度对切削力的影响,采用离散元软件EDEM建立了煤岩截割的三维离散元模型并进行了仿真分析。仿真结果表明三维离散元法仿真煤岩截割的过程与Evan的密实核理论一致,证明了采用三维离散元法的可行性;截齿平均切削力随着切削厚度的增加近似呈线性增大趋势。     

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。     

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。     

钻孔水射流冲击煤岩损伤特性模拟研究

钻孔水射流增透技术是当前解决煤层透气性的有效措施,然而目前关于煤层钻孔在水射流冲击作用下的损伤特性问题研究尚不明确;针对该问题,利用非线性显示动力学LS-DYNA软件对射流冲击煤层钻孔损伤破坏过程进行模拟,研究其在不同条件下的损伤特性。结果表明,水射流速度对煤岩钻孔冲击深度有显著影响,射流速度越大,冲击深度越深,在400 m/s水射流速度下,煤岩冲击坑深度超过200 m/s水速度冲击坑深度10倍;围压能够抑制煤岩钻孔冲击范围向深部扩展,随围压持续增加,抑制作用减弱,同时,在围压作用下,煤岩钻孔破坏的有效应力峰值相应增加;水射流直径是决定煤岩破坏范围重要因素,随水射流直径增加,冲击坑沿深部和两侧均有所扩展,同时随水射流直径持续增加受水垫效应影响随之变大,沿深部扩展趋势减缓;钻孔尺寸对煤岩的损伤破坏及裂纹扩展有显著影响,钻孔直径越小,煤岩破碎坑范围越大,同时裂纹扩展形式随钻孔尺寸增加开始由以两侧发展为主的环状裂纹转变为沿深部扩展的纵向裂纹。     

基于单齿截割试验条件的截割阻力数学模型

根据单齿截割阻力谱隐含着煤岩破碎性信息以及截齿与煤岩作用的机理,辨识出采煤机滚筒破碎煤岩的截割阻力,提出了基于单截齿截割阻力试验谱、截齿截割规律及工作参数来确定滚筒瞬时截割阻力的新方法,建立滚筒截割阻力试验-理论综合模型,给出了截割阻力模型的3种算法。模拟结果表明：截割阻力的特征和量值均有很好的复合度,反映出了煤岩破碎内在的规律。     

基于Evans截割模型的镐型截齿峰值截割力的计算

为了能对镐型截齿在平面截割截槽对称条件下的峰值截割力进行较为准确的预测,基于Evans的截割模型,通过分析截割时齿头的锥形表面因岩石的夹制效应而接触应力分布有所不同,理论推导出了一个新的峰值截割力计算公式以及公式应满足的截割边界条件。相比现有其他截割力计算公式,除了考虑截齿半锥角θ、煤岩抗拉强度σt及齿岩之间摩擦因数f等参数的影响,且将煤岩的脆性指数m引入其中,计算结果与试验值更为接近。公式所应满足的截割边界条件,可用截深h和加载位置与相邻自由边界垂直距离s比值的最低限值smin/h表示,且值大小受截齿半锥角θ影响较小,而主要与煤岩脆性指数m有关,当m介于5~15时,smin/h介于2~3,符合既有试验所得结果。所得公式和结论可为进一步分析和推导镐型截齿在实际采掘条件下包含更多参数的峰值截割力提供理论基础和指导。     

运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律

由于夹矸煤岩赋存条件的复杂性及滚筒截割煤岩过程载荷的非线性,得到滚筒截割煤岩的应力信息非常困难,因此很难从可靠性方面对运动学参数进行匹配。以煤岩截割机理和有限元理论为基础,利用LS-DYNA建立螺旋滚筒截割夹矸煤岩的耦合模型,分别对不同工况进行截割过程的动态模拟,以获取煤岩体、滚筒截齿相关组件的最大应力信息。采用曲面拟合技术分析滚筒转速及牵引速度对煤岩体、滚筒截齿相关组件最大应力的影响规律,建立了相关零件应力关于滚筒转速及牵引速度的规律方程。以采煤机生产率、截割比能耗为目标建立了采煤机滚筒运动学参数的优化方程,并得到了滚筒转速与牵引速度的最佳匹配值,研究表明:当滚筒转速为61. 63 r/min,牵引速度为4. 776 m/min时,采煤机生产率可达190. 64 t/h,截割比能耗仅为0. 868 9 kW·h/m3。截齿合金头、齿体、齿座、叶片的应力分别为:1 339. 4,887. 5,454. 7,105. 2 MPa,岩石和煤体最大应力分别为:59. 15,8. 799 MPa。     

采煤机截齿截割破岩能力分析研究

采煤机在煤矿生产中应用广泛,采煤机割煤的过程实质上就是截齿截割煤岩的过程。以镐形截齿为例分析了截齿截割煤岩体的过程,以及截割过程中截齿的受力情况。从截齿的磨损、截齿安装角度、截割厚度和截割速度角度方面分析影响截割性能的因素,发现合适的截齿安装角度、合理的截割厚度和截割深度是影响破岩效率的关键因素,较大的截割速度虽然会提高生产效率,但会加大截割阻力,加快截齿磨损。     

矿用截齿截割过程的数值模拟及磨损机理研究

采用ABAQUS软件及UMAT用户材料子程序对截齿截割煤岩过程进行了建模和有限元仿真,模拟了截齿截割煤岩过程中截齿在热力耦合作用下的变形过程。指出了截齿截割煤岩过程中,齿尖硬质合金刀头、截齿齿体前段外表面及合金刀头与齿体焊缝处为应力最大区域,截齿刀头和齿体前端表面温度较高,易造成截齿的高温氧化和热疲劳磨损。     

基于多信息融合的采煤机采运参数协同优化研究

以煤岩的相关材料理论为基础,建立煤岩截割三维模型,利用有限元分软件ANSYS对该模型进行仿真。研究了转速和牵引速度与载荷波动系数、截割比能耗、截齿安全系数的关系,得到载荷波动系数、截割比能耗、截齿安全系数的关系式,通过fmincon函数得出结果:当转速为86.2 r/min、牵引速度为3.85 m/min时,采煤机运动参数达到最佳,此时载荷波动系数为0.271,截能比耗为0.785 kW·h/m³,截齿安全系数为2.4。     

截齿截割煤体变形破坏过程模拟试验

在自制的截割试验台上进行截齿截割煤体的模拟试验,对截割过程三向力进行在线监测,并对截割过程进行高速摄影,测量了截割物的粒度组成,并对能耗进行测试.试验结果表明：相同截深时锥形截齿截割力比扁型截齿截割力大;截齿截入煤体,在扁型截齿凸脊及锥形截齿齿尖与煤体接触处出现裂纹,随截齿截割前行,裂纹迅速扩展,裂纹扩展方向与煤体的层理、节理有关.     

截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究

为优化镐型截齿在截割头上的布置以提高掘进机截割效率, 借助PFC^3D颗粒离散元数值模拟软件构建了两把截齿顺次截割岩石的三维模型, 对不同截割深度和截线间距组合工况进行了模拟试验, 分析了镐型截齿顺次破岩机制和最优截线间距与截割深度的比值(s/h)。结果表明, 岩石在截齿作用下的破坏模式以张拉破坏占主导, 并伴随挤压和剪切的综合破坏; 截齿顺次截割时, 两相邻截齿之间存在明显的协同作用, 前刀在岩石内残留的裂纹使得岩石易于截割, 可以提高后刀的截割效率; 在模拟试验范围内, 随着s/h值增加, 比能耗呈先减小再增加的变化规律, 模拟结果表明最优s/h值约为3。该研究可为掘进机截割头排布设计提供参考依据。     

截齿破碎煤岩侧向载荷分布特性研究

为探求不同类型镐型截齿破碎煤岩侧向载荷分布规律,实现低能耗、高效破碎煤岩,利用多截齿参数可调式旋转截割实验台,采用锐齿、棱齿和钝齿分别开展破碎煤岩测试实验研究,应用概率论与数理统计分析方法,给出不同类型截齿破碎煤岩侧向载荷的分布特性。结果表明:在实验研究范围内,三种截齿侧向载荷呈正负交替的变化趋势均较显著。棱齿侧向载荷负向波动较为明显。侧向载荷统计特征服从正态分布规律,分布特点可表征煤岩体的崩落状况。     

镐型截齿截槽非对称的峰值截割力计算

为了能够对平面截割截槽非对称条件下镐型截齿垂直截割煤岩时的峰值截割力P_c'进行预测,基于截槽非对称模型,通过理论推导得到了截割孔半径r、截深h_1,h_2及煤岩左、右崩裂角Φ_1,Φ_2关系的一般表达式。提出了r相对截深h_1,h_2可忽略时截槽对称的峰值截割力P_c的新的计算公式;基于截槽非对称与截槽对称条件下的峰值截割力与表面接触半径的等效概念,即通过换算等效截深hequ,并利用截槽对称的峰值截割力P_c推导得出了截槽非对称的峰值截割力P_c'计算公式。所得到的截槽非对称(h_1h_2=h)的镐型截齿垂直截割的峰值截割力P_c',能够考虑截齿半锥角θ、煤岩抗拉强度σ_t、脆性指数m以及齿岩摩擦因数f等参数对其的影响;在保持h_2=h不变的条件下,得到P_c'与h_1/h_2的变化近似呈线性关系的结果。理论计算结果得到了试验结果的验证。     

定期更换截齿减少粉尘生成量

截齿磨损会给采矿作业带来以下问题:会降低采掘机械的生产能力;增加采掘工作面的生产费用。对截齿进行的大量研究工作都涉及到截齿在截割过程中所需要的工作能量以及为达到理想破碎作用时截齿的耗能量。机械截割都会生成粉尘,截齿磨损后,尤其是在磨损后的截齿重量比新截齿重量减少7％后继续截割时,会使生成粉尘的浓度大大增加。影响截齿磨损的三个因素是:采掘机械的工作参数、截割工作面的开采条件以及所开采的煤岩特性。采掘机械的工作参数,诸如     

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。