葉海濤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云岡礦，山西 大同 037017）

引言

在掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)是重要的破巖掘進(jìn)設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)的截齒直接作用于巖層上，對(duì)于巖層的破碎起到截割作用[1]。截齒間距是截齒重要的參數(shù)，不同的截齒間距具有不同的巖層破碎效果，合理選擇不同的截齒間距參數(shù)，對(duì)于截齒的壽命、截割載荷及截割比能耗等至關(guān)重要[2]。通過(guò)離散元仿真分析的方式，對(duì)不同截齒間距時(shí)的截割效果進(jìn)行分析，從而探討截齒間距變化時(shí)對(duì)截割性能的影響規(guī)律，為截齒間距的合理選擇提供依據(jù)。

1 不同截齒間距截齒截割模型的建立

截齒作用于煤巖的過(guò)程，相當(dāng)于對(duì)煤巖進(jìn)行切割作業(yè)，截齒間距的合理選擇對(duì)于破巖效果具有重要的影響。截齒截割過(guò)程的受力如圖1 所示，截齒的受力與切削深度d 有重要的關(guān)系，因此截齒間距s的選擇與切削深度d 不可分割，采用兩者之間的比值s/d 作為影響參數(shù)進(jìn)行分析[3]。

采用PFC3D 離散元分析的方式對(duì)不同的截齒間距作用進(jìn)行分析，PFC3D 是研究顆粒與顆粒間接觸的軟件，可以模擬顆粒之間的運(yùn)動(dòng)及相互作用，適用于對(duì)煤巖的破碎過(guò)程進(jìn)行分析。建立截齒截割的巖層模型，設(shè)定模型的大小為40 mm×120 mm×180 mm，巖層顆粒與截齒的作用模型如圖2 所示。設(shè)定分析過(guò)程中的切削深度d 為4 mm，截齒間距s為6～30 mm 等不同的取值，兩者之間的比值s/d 為1.5～7.5 之間，對(duì)不同的截齒間距作用進(jìn)行模擬[4]。截割比能耗表示進(jìn)行單位體積的巖石截割所消耗的能量，常與巖石的性質(zhì)、旋轉(zhuǎn)速度及刀具的形狀有關(guān)，是確定掘進(jìn)機(jī)截割效率的重要參數(shù)。在進(jìn)行模擬的過(guò)程中，對(duì)作用于截齒上的作用力進(jìn)行記錄，并對(duì)發(fā)生破碎的顆粒進(jìn)行追蹤，獲得截割完成后的總的破碎顆粒體積，從而可以作為破碎的巖層的總體積[5]。

圖2 不同截齒間距作用的巖層截割模型

2 不同截齒間距截齒截割破巖效果的分析

截齒間距對(duì)破巖效果具有重要的影響，依據(jù)不同的截齒間距采用三維離散元分析的形式記錄產(chǎn)生的破碎顆粒的體積與受到的作用力數(shù)據(jù)，從而可以計(jì)算得到截割過(guò)程中的截割比能耗[6]。依據(jù)截割過(guò)程中得到的破碎顆粒的體積即可得到相應(yīng)的巖層質(zhì)量，在截割距離變化的過(guò)程中，得到的不同截齒間距下的巖層斷裂顆粒的質(zhì)量變化如下頁(yè)圖3 所示。從圖3 中可以看出，在截齒間距為6 mm 時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的斷裂顆粒的質(zhì)量最小，在截齒間距為20 mm、25 mm 時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的斷裂顆粒的質(zhì)量最大，在截齒間距在16～25 mm 之間變化的過(guò)程中，斷裂顆粒的質(zhì)量增加的加速度較快，而在截齒間距為30 mm 及6～10 mm 之間變化時(shí)，斷裂顆粒的質(zhì)量增加的加速度較慢。由此可知，在選定的切削深度為4 mm 時(shí)，截齒間距的最優(yōu)選擇范圍是16～25 mm，此時(shí)截割斷裂顆粒的質(zhì)量最大且增加的速度較大，此時(shí)的截齒間距與切削深度的比值為4～6.25 之間。

圖3 不同截齒間距下斷裂顆粒質(zhì)量的變化曲線

依據(jù)模擬過(guò)程中得到的切削力數(shù)據(jù)，可以得到不同截齒間距時(shí)的截割比能耗的變化，如圖4 所示為截割比能耗隨截齒間距與切削深度比值（s/d）的變化曲線。從圖4 中可以看出，截割比能耗曲線呈現(xiàn)拋物線的形式。在截齒間距與切削深度比值（s/d）變化的過(guò)程中，截割比能耗首先呈下降的趨勢(shì)，在比值為4～6 之間時(shí)達(dá)到最小值，隨著比值的繼續(xù)增加，則截割比能耗也呈上升的趨勢(shì)。這與圖3 中所得到的斷裂顆粒的質(zhì)量變化結(jié)果是一致的，表明最佳的截齒間距與切削深度比值（s/d）為4～6 之間。

圖4 截割比能耗隨截齒間距與切削深度比值的變化曲線

采用PFC3D 離散元分析的方式對(duì)不同截齒間距的截割效果進(jìn)行分析，設(shè)定的巖層的顆粒模型具有均勻性及各向同性，所獲得模擬結(jié)果較為清晰。對(duì)于均勻性和各向同性的巖層，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行截齒間距的模擬，從而選擇合理的參數(shù)。在實(shí)際的煤礦開(kāi)采掘進(jìn)中，巖層的分布具有一定的復(fù)雜性，且不同巖層的性質(zhì)各不相同，對(duì)于截齒間距的合理選擇要結(jié)合實(shí)際的巖層條件進(jìn)行綜合分析，從而選擇最優(yōu)的截割條件，提高掘進(jìn)效率。

3 結(jié)論

選擇不同的截齒間距與切削深度比值采用PFC3D 離散元仿真的方式對(duì)截割效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在截齒間距與切削深度比值為4～6.25 之間時(shí)，得到的巖層斷裂顆粒的質(zhì)量最大且此時(shí)增加的速度較大，比值為4～6 之間時(shí)，得到的截割比能耗最低，說(shuō)明此時(shí)具有較好的掘進(jìn)效果，具有較高的掘進(jìn)效率。在進(jìn)行煤巖實(shí)際的截割過(guò)程中，由于巖層分布的復(fù)雜性及巖層性質(zhì)的不同，對(duì)于截齒間距的選擇要綜合考慮巖層的分布及切削厚度的選取，從而選擇最優(yōu)的截齒間距參數(shù)，提高煤礦的掘進(jìn)效率。