趙 磊

（晉能控股煤業(yè)集團忻州窯礦生產(chǎn)技術(shù)部， 山西 大同 037021）

引言

我國對煤炭的使用及需求占據(jù)所有能源形式需求總量的1/2 以上，提高煤炭開采掘進的效率是保證煤炭供應(yīng)量的重要措施。在我國煤礦開采中，采掘比的失調(diào)是長期困擾煤炭高效生產(chǎn)的因素[1]。在掘進機進行掘進的過程中，由于地質(zhì)條件的復雜多變及巖層的高硬度變化，相應(yīng)進行截割的掘進機截齒的截割方式不同。針對相關(guān)截割及非相關(guān)截割兩種不同的截割模式，采用模擬仿真的形式對截齒的切削效果進行分析[2]。

1 截齒截割模式的劃分及模型建立

在掘進機截割過程中，通過截齒作用于煤巖上進行煤巖的截割，依據(jù)相鄰截齒形成的裂紋是否能夠相交及延伸，將截齒的截割模式分為相關(guān)截割及非相關(guān)截割兩種模式[3]，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，在相關(guān)模式中，相鄰的截齒形成的裂紋相互貫通，相互影響，煤巖以截切失效的形式為主進行剝離，形成的落煤大小均勻一致；在非相關(guān)模式中，相鄰截齒的間距較大，相互之間形成的裂紋相對獨立，不能相互貫通生長，煤巖以擠壓失效的形式為主進行剝離，無法形成較大的落煤[4]。在掘進機進行截割的過程中，兩種不同形式的截割模式相對于巖層的性質(zhì)具有不同的截割效果，對于截齒的間距及切削深度應(yīng)尋找最佳的比值，從而選擇合理的截割模式進行掘進。

采用離散元法對截齒的截割效果進行分析，采用圓盤及圓球顆粒的基本單元進行模型的構(gòu)建，并采用墻單元進行邊界的約束[5]。設(shè)定截齒進行截割的切削深度為9 mm，為保證截齒的刀具模型與巖層至少接觸四個顆粒，選擇煤巖的顆粒半徑為0.58～0.62 mm，對截齒的刀具模型進行一定的簡化處理，僅保留安裝截齒外伸的部分，將模型導入到分析軟件PFC3D 中，得到如圖2 所示的截齒截割模型[6]。在截割模型中，兩個截齒之間的水平縱向距離為30 mm，保證第一個截齒截割完成后第二個截齒開始進入截割；水平橫向距離為27 mm，設(shè)定截齒的打擊角為55°，切削速度為0.25 m/s。在截割過程中，首先設(shè)定截齒以恒定的速度對煤巖進行截割，此時可看做非相關(guān)截割模式[7]，在進行到第二個截齒進入截割后，將第一個截齒刪除，此時第二個截齒開始進行截割，此時可看做相關(guān)截割模式[8]，由此對兩種模式的截割效果進行模擬仿真。

圖2 截齒截割模型

2 截齒截割模式切削效果的仿真分析

對兩種不同的截割模式的截割效果進行仿真研究，采用截割過程中產(chǎn)生的主切削力及失效顆粒的數(shù)量進行對比分析。在截割模擬的過程中，截齒模型依次以非相關(guān)模式及相關(guān)模式對煤巖進行截割，在兩次切削過程中，兩刀之間產(chǎn)生較小的巖脊。

2.1 不同截割模式切削力的對比分析

在截齒截割的過程中，受到巖體三個方向的作用力，分別為切向力、側(cè)向力及法向力，在三向切削力中，以切向力的數(shù)值最大，為主切削力，對截割過程中的切向力進行記錄并統(tǒng)計，如下頁圖3 所示。其中，黑色表示非相關(guān)模式，灰色表示相關(guān)模式。從下頁圖3中可以看出，非相關(guān)截割模式受到的切削力的波動及峰值要大于相關(guān)模式的波動及峰值，且統(tǒng)計的平均切削力非相關(guān)模式大于相關(guān)模式。由此說明，采用相關(guān)模式進行截割可以有效降低截齒的載荷大小及受到的沖擊作用。

圖3 切向力隨截割距離的變化曲線

2.2 不同截割模式失效單元的對比分析

截齒在進行截割的過程中，煤巖受到截齒的擠壓及切削作用，將產(chǎn)生法向和切向的黏接斷裂，隨著截割過程的進行，對拉伸失效及截切失效產(chǎn)生的斷裂單元的數(shù)量進行統(tǒng)計，得到如圖4 所示的變化曲線。從圖4 中可以看出，通過拉伸作用形成失效斷裂的單元數(shù)量是剪切失效單元數(shù)量的3 倍。對兩種截割模式的造成的斷裂單元的數(shù)量進行分析，并建立了響應(yīng)的數(shù)學回歸模型，結(jié)果表明，相關(guān)模式下產(chǎn)生的破壞斷裂的顆粒增長速度要小于非相關(guān)模式的斷裂增長速度。

圖4 斷裂單元數(shù)量隨截割距離的變化曲線

3 結(jié)論

1）建立了截齒截割的離散元模型，通過仿真分析顯示，通過相關(guān)模式進行截割破巖可以有效地降低截齒受到的載荷大小及波動，具有提高截割穩(wěn)定性的作用；

2）相關(guān)模式截割產(chǎn)生的破壞斷裂的顆粒增長速度要小于非相關(guān)模式的斷裂增長速度，失效產(chǎn)生的斷裂單元是截切產(chǎn)生的斷裂單元的3 倍。