掘進(jìn)機(jī)截齒截割煤巖破壞過程模擬分析

魏生喜

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

引言

在進(jìn)行煤炭開采的過程中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)成為主要的開采設(shè)備，可以進(jìn)行煤巖巷道的快速掘進(jìn)，具有較好的機(jī)動(dòng)性和靈活性[1]。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行煤巖截割的過程中，針對(duì)截割過程進(jìn)行研究，不僅可以分析不同煤巖構(gòu)造對(duì)掘進(jìn)機(jī)的載荷作用，還可以進(jìn)行截齒參數(shù)及截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)高效快速的掘進(jìn)，提高礦井開采的效率[2]。

1 截齒截割離散元模型的建立

離散元法是采用分子動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行數(shù)值分析的方法，是進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)分析的有力工具，針對(duì)巖石等非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為進(jìn)行分析。在煤礦開采中，煤巖的破碎過程是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基礎(chǔ)，煤巖的破碎不僅與煤巖的物理性質(zhì)有關(guān)，且與掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性及運(yùn)動(dòng)參數(shù)相關(guān)[3]。對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割過程進(jìn)行模擬，針對(duì)煤巖及截割頭進(jìn)行物理模型的建立。

煤巖的動(dòng)態(tài)破壞過程主要是煤巖顆粒的接觸及從巖體上脫落，顆粒之間的作用力通過相互接觸來傳遞，基于煤巖內(nèi)部的離散性，建立煤巖提的簡(jiǎn)化模型。將煤巖的模型看作具有一定形狀和質(zhì)量的顆粒集合體，其力學(xué)性質(zhì)為各向同性材料，顆粒間可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸特性為軟接觸，在任意時(shí)刻煤巖顆粒的作用力與自身及相接觸的顆粒有關(guān)。采用重力沉積法生成煤巖顆粒樣本，煤巖顆粒的大小服從正態(tài)分布，建立煤巖的離散元模型[4]。

依據(jù)實(shí)際使用的截割頭的屬性進(jìn)行截割頭離散元模型的建立，在建模時(shí)，進(jìn)行一定的模型簡(jiǎn)化，以縱軸掘進(jìn)機(jī)為載體進(jìn)行研究，考慮進(jìn)行靜態(tài)截割的過程。截割頭進(jìn)行煤巖截割的過程是動(dòng)態(tài)的三維過程，將其進(jìn)行二維平面的轉(zhuǎn)化，選取截割頭平均直徑的剖面作為目標(biāo)平面進(jìn)行截割頭的二維離散元模型，此時(shí)的平均直徑?jīng)Q定了掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)率及截割能力，建立噴嘴截割頭的離散元模型如圖1所示[5]，由此進(jìn)行截割過程的模擬分析。在模擬過程中，設(shè)定截割頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速為30～100 r/min；橫切速度為0.8～3 m/min；切屑厚度為10～100 mm；由此進(jìn)行截割煤巖動(dòng)態(tài)過程的仿真分析。

圖1 截割頭的離散元模型

2 截割煤巖截割過程的仿真分析

采用離散元法對(duì)截割過程進(jìn)行仿真分析，建立截割頭的分析模型，根據(jù)離散元法進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)工作截割頭與煤巖顆粒之間及煤巖顆粒相互之間的作用力、速度及位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬仿真，依據(jù)不同的接觸模型計(jì)算煤巖顆粒的受力及運(yùn)動(dòng)情況，分析結(jié)果通過圖形的方式進(jìn)行輸出，依據(jù)動(dòng)態(tài)的結(jié)果顯示，直觀地觀測(cè)截割過程中的煤巖顆粒的變化情況及斷裂破碎過程，從而判斷截割方案的合理性。

依據(jù)所使用的掘進(jìn)機(jī)截齒截割模型，對(duì)煤巖動(dòng)態(tài)的速度變化進(jìn)行仿真，得到截齒截割角度為45°時(shí)的截齒前端的速度變化圖形，選取借此截割的局部圖形如下頁(yè)圖2—圖4所示，其中，煤巖顆粒的速度矢量采用帶有箭頭的直線段來表示，箭頭的方向表示了速度的方向，直線段長(zhǎng)度表示速度的大小值。

圖2 時(shí)間步為5 000時(shí)的速度場(chǎng)的分布狀態(tài)圖

圖3 時(shí)間步為20 000時(shí)的速度場(chǎng)的分布狀態(tài)圖

圖4 時(shí)間步為40 000時(shí)的速度場(chǎng)的分布狀態(tài)圖

從圖2—圖4的變化中可以看出，在進(jìn)行截割的過程中，隨著時(shí)間步的變化，截齒前端的速度場(chǎng)區(qū)域范圍比較小，但其增加的速度較快，大部分煤巖顆粒的速度具有向上的趨勢(shì)，且自身的速度較大，剩余少部分煤巖顆粒的速度呈現(xiàn)向前的趨勢(shì)同時(shí)具有較小的速度值；在截齒截割擠壓的作用下，部分煤巖顆粒沿著截齒的前后方向向上增加，存在少部分的擾動(dòng)煤巖顆粒沿著下層煤巖產(chǎn)生滑移作用，隨著截割過程的進(jìn)行，煤巖的裂縫沿著初始的裂隙方向進(jìn)行逐漸的擴(kuò)展[6]。

從圖4中可以看出，隨著截割作用將部分煤體從煤巖中剝離，其落在截齒的前方位置處且呈現(xiàn)向下的速度，由此可知，煤巖崩落的軌跡呈拋物線形狀，與實(shí)際的煤巖運(yùn)動(dòng)相符。通過對(duì)截齒截割煤巖速度場(chǎng)的分布狀態(tài)可知，截齒對(duì)煤巖的擾動(dòng)作用主要是由截割作用造成的，截齒與煤巖的接觸發(fā)生在較小的范圍內(nèi)，對(duì)煤巖的擾動(dòng)區(qū)域較??；煤巖在未積滿截齒的前端之前，其主要作用是進(jìn)行鏟切煤巖，使得煤巖顆粒沿著截齒面逐漸向上；另有產(chǎn)生的煤巖顆粒從截齒的前端面排出，使得煤巖的破碎范圍不斷增加，從而與煤巖體產(chǎn)生分離，形成煤巖的剝落。

3 結(jié)論

針對(duì)截齒截割的破壞過程進(jìn)行離散元仿真分析，建立煤巖及截割頭的離散元模型，從煤巖的動(dòng)態(tài)破壞速度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在進(jìn)行截割的過程中，煤巖顆粒的速度范圍較小，具有較高的增加速度，在初始階段，主要是截齒對(duì)煤巖體產(chǎn)生鏟切作用，使得煤巖顆粒沿著截齒面產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，且沿著截齒的前端面排出，產(chǎn)生煤體的破碎，形成截煤過程。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割的過程中，依據(jù)煤巖的性質(zhì)確定合適的截齒截割的參數(shù)，從而可以優(yōu)化截割過程，提高掘進(jìn)的效率。