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1、第二章煤岩破碎理论,1、煤和岩石都是非均质的物质，内部还含有多种杂质； 2、被层理和裂缝（节理）等分割，具有明显的脆性； 3、上述原因表现为煤、岩的各项异性。煤岩的破碎过程具 有随机性和较大的动载；至今还没有一种理论可以用来 研究和计算采掘机械的载荷； 4、只能主要是实验和数理统计的方法研究煤、岩的破碎问题；,从四个方面扼要介绍煤岩破碎方面的一些情况,1、了解煤、岩力学特性； 2、煤、岩破碎理论和截割过程； 3、截割刀具与截割阻力； 4、截槽形状与截割参数。,第二章 煤岩破碎理论,采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。 煤岩破碎理论是研究机械破落煤岩过程中，
2、刀具与煤、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题的一门学科。研究煤岩破碎理论，对设计、制造和使用采掘机械起着理论指导作用。,一、煤岩的物理性质 密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：,第一节 煤岩的物理机械性质,1密度 单位体积煤岩在干燥状态下的质量。 在1.31.45t/m3变化，计算时取1.35 t/m3。,2湿度 煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。 含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。,
3、第一节 煤岩的物理机械性质,3松散性 煤岩被破碎后其容积增大的性能。 破碎后与破碎前煤岩的容积之比松散比(或松散系数)。,4稳定性 煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。,二、煤岩的机械性质 煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。 在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。 煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。,第一节 煤岩的物理机械性质,1. 强度 煤岩体在一定条件下受外力作用开始破坏时所具有的极限应力值。, y： j ： l=1：(0.10.4)：(0.030.1),在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切
4、破坏，以减少刀具受力和能耗。 层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；沿垂直层理方向的强度要高于平行层理方向的强度。,煤岩为非均质材料，各向异性，抗压、抗剪和抗拉强度关系：,第一节 煤岩的物理机械性质,2. 硬度 煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。 反映煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的硬度、形状和排列方式等。 硬度越大，截割、钻凿越困难。,第一节 煤岩的物理机械性质,接触强度在掘进机设计与使用中经常遇到。 前苏联根据接触强度值的大小，岩石分六类：松软，次中等坚固，中等坚固，坚固，很坚固和极坚固。,4弹性、塑性与脆性 弹性、
5、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之间关系的性质。 弹性：所受外力撤消后煤岩恢复原来形状的性能。破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变形，破碎也比较困难。 塑性：所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。 脆性：煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。,第一节 煤岩的物理机械性质,5坚固性 表示煤岩破碎难易程度的综合指标，是煤岩体抵抗拉压、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。,坚固性系数(普氏系数)表示煤岩的坚固性大小。 捣碎法测量坚固性系数,根据煤岩的极限抗压强度(MPa)近似确定,f3。,第一节 煤岩的物理机械性质
6、,6截割阻抗,截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。,截割阻抗：单位截割深度作用于刀具上的截割阻力，A(kN/m)表示。,第一节 煤岩的物理机械性质,为得到工作面的A值，在工作面接近顶板、底板、截高中间处，以及沿煤层倾斜方向不同部位进行多次测量，取其平均值作为该工作面的A值。,煤层按截割阻抗分： A180kN/m的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是脆性煤层适于刨煤机； A=180240kN/m的煤为中硬煤，其中韧性煤适合用采煤机，脆性煤适于滑行刨煤机； A=240360kN/m的煤为硬煤，韧性煤须用大功率采煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。,截割阻抗与坚
7、固性系数关系：A=150f 统计资料，也存在A=100f,第一节 煤岩的物理机械性质,7磨砺性 刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损，引起截割阻力和生产费用增加，使采掘机械工作性能和开机率降低。 煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力磨砺性(研磨性)。 煤岩的磨励性与其石英含量、石英核直径和抗拉强度有关。,表征煤岩磨砺性参数：,磨蚀系数,磨砺性指标,第一节 煤岩的物理机械性质,8破碎特性指数,在碎煤总量中块度分布服从统计分布规律,W直径不超过d(mm)的碎煤占试样总量的百分比； 由截割方法和参数决定的破碎程度参数； m破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为0.41.3，与截割工况无关。,破碎特
8、性指数是确定脆性程度指数的基础，也用于煤层煤尘生成能力的分级。,第一节 煤岩的物理机械性质,10截割可碎性指标,用于评价截割时煤层的可破碎性。,kWhcm/m3,指标与截割的工况和参数无关，仅取决于煤层的截割阻抗和脆性，综合反映煤层在稳定的工况参数下破碎的可能性。 按照截割可碎性指标，原苏联将煤层分七类，极软04，软4.19，中硬9.116，超中硬16.125，硬25.136，极硬36.149，特硬49。,9脆性程度指数:,第二节 煤岩破碎理论,钻孔爆破： 机械破碎：滚筒采煤机、刨煤机、掘进机等都是用刀具采用切削方法截割破碎煤岩。 切削破岩；冲击破岩。,第二节 煤岩破碎理论,2剪裂说 日本学者
9、西松裕一建立的切削破岩模型，认为岩石的切削破落遵守库仑莫尔准则。,第二节 煤岩破碎理论,二、冲击破岩机理,凿岩机活塞往复运动产生冲击力，使钎头侵入岩体，形成破碎坑，又由于钎头的转动，使破碎坑扩展成孔眼，并逐渐形成一定深度的钻孔。,第二节 煤岩破碎理论,岩体脆性破碎形成破碎坑步骤： 压碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕； 岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹； 钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体； 粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片； 重复循环上述过程，最终形成破碎坑。,第二节 煤岩破碎理论,载荷与钎头侵入岩体深度关系曲线： 钎头凿岩的过程一般是脆性破
10、碎。AB段形成粉碎体。在B点出现脆性崩裂，在BC段因崩出碎块而粉碎体缩小，载荷随着降低。CD段和EF段重复AB段的情况，在DE段和FG段重复BC段的情况，直至在FG段形成破碎坑。,某些条件下，凿岩过程中岩石呈塑性破碎。在AB段形成粉碎体，在BC段粉碎体破裂，在CD段卸载形成破碎坑。整个过程比较平缓。,第三节 截割刀具,第三节 截割刀具,刀具截割破碎煤岩。,采掘机械应用于截割煤岩的刀具截齿。 截齿的结构型式和几何参数要适应煤岩机械性质和截割机构的形式。 截齿应具有足够的强度和耐磨性，且固定简单可靠，以减少更换截齿的时间。截齿是易损件，应便于批量生产，便于修磨复用，以减少生产费用。截齿参予截割的部
11、分几何形状要兼顾强度、耐磨性和比能耗的要求。,截齿组成：齿体和硬质合金头。 齿头和齿柄。,第三节 截割刀具,齿体：截齿不包含硬质合金头的母体部分。 齿头：截齿头部伸出齿座的部分，顶部焊接(或镶嵌)硬质合金头。 齿柄：截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。,按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。,截齿是用来截割煤体的刀具，其几何形状和质量直接影响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。 经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增大切削深度，可以提高煤的块度，降低煤尘。,按截齿安装方式分径向截齿和切向截齿。,第三节 截割刀具,径向截齿齿体轴线基本通过掘进机截割头横截面的中心或沿采煤机滚筒径
12、向安装； 切向截齿以齿体轴线与采煤机滚筒或掘进机截割头横截面的圆周切线成锐角安装。,第三节 截割刀具,第三节 截割刀具,截齿齿柄固定在齿座中。 常用3035CrMnSi、3035SiMnV或40Cr优质合金钢制造，并经调质。 齿头接触煤岩体，为提高耐磨性，镶嵌硬质合金片或核。 适用于截割中硬和硬煤岩的截齿，硬质合金片或核用YG8或YG8C制作；适用于截割含坚硬夹杂物的煤层的截齿，宜用YG11C或YG13C (钨，钴，钴含量，粗粒度) 。,第三节 截割刀具,径向截齿几何参数：,径向截齿齿头由前面K、后面L、两个侧面M和截割刃N等构成。截齿以截割速度v和牵引速度vq截割出平面BB。,前角 后角 尖
13、角 截角 侧后角 侧面夹角,第三节 截割刀具,截割阻力Z随截角增大的趋势，在90o时越显得急烈：齿头向下的挤压作用增强，破碎的煤岩块难以排出。 截角大，刀头强度高：采煤机截齿=70o75o，采含坚硬夹石层的煤层的截齿90o，截割硬岩的截齿90o。,零前角 正前角 负前角,截角（o）对截割阻力Z的影响,对截齿载荷和截割比能耗影响较大参数： 截角 、后角 、截刃宽度b,第三节 截割刀具,后角对截割阻力Z和牵引阻力Y的影响：仅在小于10o时显著表现出来。 后角小，截齿后面与煤岩体的接触面积大，后面上的摩擦力大，截割和牵引阻力同步增大后角和侧后角小于10o不合理。 为提高刀头强度，可适当小一些。,第三
14、节 截割刀具,截刃宽度b对截割阻力和截割比能耗的影响规律： 不论截割深度大小，随截刃宽度增大，截割阻力不断增大，截割比能耗先下降到最低值，再升至稳定值。 与截割比能耗最低值对应的截刃宽度约为2030mm,截刃宽度b对截割阻力和截割比能耗HW的影响,第三节 截割刀具,截齿径向外伸长度：对径向截齿来说是从截刃到齿座顶面的距离；对于切向截齿，必须考虑相对于滚筒径向的安装角度。 截齿径向外伸长度限制了可能达到的最大截割深度。 齿柄矩形截面的宽高比约为0.50.7，以保证抗纵向弯曲的截面模量足够大。截割岩石的截齿，除采用较大截角和整个前面覆盖硬质合金片外，齿柄常为圆形截面。,第三节 截割刀具,切向截齿齿
15、头形状有扁形和锥形 扁形截齿齿柄在齿座内不能回转。锥形截齿在截割过程中可在齿座内回转，自动磨锐齿尖。 切向截齿刀身轴线位于齿头阻力R作用方向的变化范围minmax齿柄弯矩比径向截齿小，不易折断。 切向截齿工作时的截角较小，有利于降低比能耗，且形状简单，便于制作。但齿柄和齿座的长度限制截齿安装得较稀，且只能装在滚筒轴线的垂直平面内，而不宜装在滚筒端盘上。,第三节 截割刀具,滚压盘刀,全断面掘进机对称型滚压盘刀,采煤机非对称型滚压盘刀,第三节 截割刀具,非对称型滚压盘刀装在滚筒螺旋叶片外缘。 轴线垂直滚筒半径而平行滚筒轴线时，主要靠碾压和楔劈作用碎落煤，目前较多采用。 轴线接近平行滚筒半径而垂直滚
16、筒轴线时，主要作用是截割，适用于较软的煤层。 处于两者中间状况时，兼有截割、碾压和楔劈作用。,第四节 截齿的截割阻力,截齿三向阻力变化曲线： 截割阻力Z、推进阻力Y、侧向力X,第四节 截齿的截割阻力,试验研究表明，靠近切削刃处的作用力最大，远离切削刃处将按双曲线规律急剧衰减在实际计算中用集中力代替测出的分布力，然后沿坐标轴进行分解。,第四节 截齿的截割阻力,N-作用在前刃面上的摩擦力；R-N和N的合力；Y1-作用在后刃面上的法向力(近似沿Y轴的分力)；Y1-作用在后刃面上的摩擦力；N1和N 2-作用在两侧面上的法向力；X1，X2和Y1，Y2- N1和N 2沿X轴和Y轴的分力；(N1+ N 2)
17、- 两侧面的摩擦力；-截齿的前角；-截齿前刃面与煤的摩擦角；v-截割速度；vq-推进速度(牵引速度),vq,第四节 截齿的截割阻力,Z，Y，Y/Z，Hw和h关系曲线,推进阻力 Y=aZ a极脆煤0.5，脆性煤0.6，韧性煤0.7,侧向力 X=(0.10.2)Z,A截割阻抗；h截割深度,第五节 截槽形状与截割参数,截割力与截槽断面面积成正比，截割力随自由面增加而降低。截槽两侧具有崩裂角，随煤质脆性增加而增大，随切削深度h增加而减小。,截割参数对截割过程影响也较大 截割参数： 截距：相邻截槽的间距 切削深度：截齿截割煤岩体的深度,截齿和一组截齿以主切削刃相对被破碎面的方位和截齿排列次序，形成各种截
18、槽形状。,第五节 截槽形状与截割参数,平面截槽,半封闭截槽,封闭截槽：,截割阻力和比能耗最大,截割阻力和比能耗最大,作为标准截槽评价其它截槽,第五节 截槽形状与截割参数,自由截槽,单边截槽,顺序截割及截槽,几个截齿按阶梯顺序进行截割，相邻截齿在牵引方向上没有超前切出，但截槽两侧有崩裂出现，切屑断面不对称，截齿受非自由面的侧向力较大。,截割阻力和比能耗最小,截下的煤太碎，比能耗增大,第五节 截槽形状与截割参数,交错(棋盘)截割及截槽,相邻截齿超前切出一前一后交错的截槽，切屑断面较对称，比顺序式切屑块度大，煤尘较少。截齿两侧侧向力基本平衡侧向力最小。 一般双头或四头螺旋滚筒采用棋盘式排列。,第五节 截槽形状与截割参数,合理确定截割参数：截割比能耗较小，截割阻力不过大，为截齿强度和截齿径向伸出长度所容许。,