掘進(jìn)機(jī)截齒破巖機(jī)理分析及截割試驗研究

琚少杰

（山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

1 引言

掘進(jìn)機(jī)截齒以一種螺旋線形式截割巖石，是掘進(jìn)機(jī)截割頭的重要構(gòu)件，截齒的截割效率、使用性能等決定了整個掘進(jìn)機(jī)的性能。煤礦掘進(jìn)機(jī)的運作機(jī)能主要依靠單齒截割設(shè)備在各類試驗中提取出來的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。截齒運作的速度和使用時長主要受參數(shù)選擇的影響，其余的影響因素主要還有煤層質(zhì)量、材料性能等。竹林山煤業(yè)巷道掘進(jìn)機(jī)是AS系列，該系列掘進(jìn)機(jī)截齒磨損情況如圖1所示。AS系列掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時不僅速度較慢，而且截齒嚴(yán)重破損，嚴(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)率。為了改變竹林山煤業(yè)掘進(jìn)機(jī)截齒損失嚴(yán)重問題，本文分析煤礦井下掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)煤巖石的作用機(jī)理，采用材料為耐磨的截齒掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場試驗，查看該掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道后截齒磨損情況。通過掘進(jìn)機(jī)截齒破巖機(jī)理及截割試驗研究，解決竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)截齒易損傷問題。

圖1 AS系列掘進(jìn)機(jī)截齒磨損情況

2 掘進(jìn)機(jī)破巖機(jī)理

2.1 截齒截割巖石應(yīng)力分析

利用彈性力學(xué)知識，分析掘進(jìn)機(jī)在破巖時齒尖球面應(yīng)力情況[1]。掘進(jìn)機(jī)破巖截齒對巖石的施加力與巖石在截齒上的反向載荷是一對類反作用力，力的各分量中既有垂直載荷，也有水平方向的載荷力。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計，掘進(jìn)機(jī)在破巖時截齒上的法向力大于切向力，但均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)向邊界力，為此，在計算應(yīng)力時，可以忽略側(cè)向力。下面對截齒截割巖石受力計算、分析。

根據(jù)彈性力學(xué)、巖石力學(xué)、礦山壓力與巖層控制及壓頭靜力碎巖理論[1]，掘進(jìn)機(jī)的截齒截割巖石，巖石的面積較大，把截割接觸的巖石當(dāng)作是平面，截齒球面受力邊緣很小，而中心是其主要受力的點。那么巖石與掘進(jìn)機(jī)截齒接觸的球面齒尖半徑ra為：

式中：

ra-接觸面半徑，mm；

p1-壓頭泊松比，無量綱；

p2-巖石泊松比，無量綱；

E1-壓頭彈性模量，MPa；

E2-巖石彈性模量，MPa；

Rρ-球面曲率，mm-1；

F1-垂直載荷，kN。

截齒受巖石的最大壓應(yīng)力可以表示為：

式中：

σcmax-最大壓應(yīng)力，MPa。

掘進(jìn)機(jī)截齒與巖石的接觸邊界處，徑向最大拉應(yīng)力為：

式中：

σtmax-最大拉應(yīng)力，MPa。

在接觸面下方，會產(chǎn)生剪應(yīng)力最大值：

式中：

τmax-最大剪應(yīng)力，MPa。

從上述公式中可看出，掘進(jìn)機(jī)截齒截割巖石，主要是齒尖對巖石產(chǎn)生拉、壓及剪切作用，當(dāng)巖石強(qiáng)度無法承受齒尖作用時，巖石就會發(fā)生破裂。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)一步的作用下，應(yīng)力不斷加大，拉壓剪切同時作用，致使巖石發(fā)生破損或者產(chǎn)生更大、更深的裂紋。

2.2 截齒破巖

采用躍進(jìn)式截割較為脆弱的巖石，截割力隨著截齒的深度增加而不斷變大，當(dāng)巖石無法承受截齒的切削作用力時，巖石就會發(fā)生斷裂或者崩落，此時截割力又瞬間降低。掘進(jìn)機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)截齒碰見穩(wěn)固巖石時，又開始加大作用力，在作用力加載下，巖石又會發(fā)生裂紋、破碎，整個過程往復(fù)循環(huán)，不斷向前破巖。圖2是掘進(jìn)機(jī)截齒截割巖石的試驗統(tǒng)計的法向應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力、切向力隨時間變化的分布情況。截齒在與巖石接觸初期，主要是壓入式破巖，在時間約為55ms后，主要是躍進(jìn)式破巖。

圖2 截齒破巖各載荷情況

3 截齒截割巖石損失分析

為了研究掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道時巖石對截齒的損傷，在旋轉(zhuǎn)截割裝置[2]上進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)截割巖石試驗。掘進(jìn)機(jī)截齒在截割巖石時，由于沖擊載荷、摩擦等因素，截齒齒尖區(qū)域溫度會逐漸升高。在試驗截割巖石過程中，截齒試驗前后截齒質(zhì)量和高度的變化情況見表1。根據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，截齒前后質(zhì)量磨損量為2.1g，則截齒質(zhì)量損失率為0.01%；截齒在截割前后高度降低了1.31mm。截齒磨損前后對比，發(fā)現(xiàn)試驗前期截齒磨損較慢，磨損區(qū)域較小的主要是截齒有耐磨層的保護(hù)，但隨著截齒截割的進(jìn)行，耐磨層在逐漸脫落，進(jìn)而截齒磨損變大，磨損區(qū)域也在逐漸增大。

表1 截齒試驗前后對比

對收集的受力數(shù)據(jù)整理分析，截齒截割巖石每截割兩刀，就對載荷分量的平均值做線性擬合，法向力、切向力和側(cè)向力擬合曲線如圖3所示。法向力對截齒磨損最為嚴(yán)重，其他兩分量對截割齒尖影響較小。

圖3 平均截割力隨截割次數(shù)變化情況

從截齒所受載荷各分量來看，截齒的平均法向力隨著進(jìn)刀次數(shù)的增加先是逐漸減小后又慢慢增大，平均側(cè)向載荷和切向載荷則是隨著截齒進(jìn)刀次數(shù)的增加而整體趨于平穩(wěn)狀態(tài)。從統(tǒng)計和圖3中可以看出在截齒進(jìn)刀35次前，截齒在截割巖石時齒尖磨損比較輕微，主要是切削深度對截齒截割影響，隨著截齒截割巖石深度的增加截齒所受法向載荷不斷減小；在截割次數(shù)超過35次以后，隨著進(jìn)刀次數(shù)的增加截齒所受法向載荷不斷增加，截齒磨損也會不斷變嚴(yán)重。

4 工業(yè)性試驗

若截齒是合金鋼材料，因合金鋼具有耐磨性差、硬度低等缺點，該截齒受高溫影響必然造成截齒加快損壞。根據(jù)礦井的實際運用反饋[3]，截齒在截割巖石時，截齒表面的硬質(zhì)合金受溫度影響不斷脫落，進(jìn)而使得截齒失效損壞。為了避免這種失效，改善截齒使用性能和使用壽命，EBZ260W掘進(jìn)機(jī)采用堆焊工藝技術(shù)，截齒不僅采用性能優(yōu)良的合金鋼，而且還在截齒表面堆焊鎳基耐磨涂層，耐磨涂層能夠用起到對合金鋼截齒保護(hù)作用。

竹林山煤業(yè)采用了截齒表面堆焊鎳基耐磨涂層EBZ260W掘進(jìn)機(jī)，在該礦的全巖巷進(jìn)行了4個月的掘進(jìn)試驗。掘進(jìn)巷道斷面為拱形，掘進(jìn)斷面積為10.2m2。巖層位于太原組，裂隙涌水量較小，處于單斜層狀構(gòu)造中，主要是粉砂巖、泥巖，局部夾有石英砂巖、黑色炭質(zhì)泥巖。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，巖樣平均單軸抗壓強(qiáng)度91MPa。在掘進(jìn)期間，每天記錄掘進(jìn)時間、掘進(jìn)進(jìn)尺、截齒損壞情況以及掘進(jìn)機(jī)運行情況等，現(xiàn)場試驗掘進(jìn)進(jìn)尺與截齒消耗量的統(tǒng)計情況詳見表2所示。平均消耗截齒為0.07把/m3，AS系列掘進(jìn)機(jī)截齒消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個量。

EBZ260W掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)該巖巷時，根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、分析了其累計掘進(jìn)進(jìn)尺與瞬時截割率關(guān)系，現(xiàn)場試驗EBZ260W掘進(jìn)機(jī)的性能曲線如圖4所示，圖中A點為整個統(tǒng)計的現(xiàn)場最佳瞬時生產(chǎn)率。工業(yè)現(xiàn)場試驗表明，EBZ260W掘進(jìn)機(jī)截齒在采用堆焊工藝技術(shù)后，與竹林山煤業(yè)原先采用的AS系列掘進(jìn)機(jī)相比，該型號的掘進(jìn)機(jī)可以顯著提高掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巖巷的瞬時掘進(jìn)率，截割頭強(qiáng)度高，破巖能力強(qiáng)，設(shè)計的截齒布置合理，明顯降低了掘進(jìn)機(jī)的截齒損失。

表2 現(xiàn)場試驗掘進(jìn)進(jìn)尺與截齒消耗統(tǒng)計表

圖4 掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場掘進(jìn)進(jìn)尺的瞬時截割率

5 結(jié) 論

針對竹林山煤業(yè)現(xiàn)今采用的AS系列的掘進(jìn)機(jī)截齒易被磨損，阻礙了掘進(jìn)效率，嚴(yán)重制約了竹林山煤業(yè)的發(fā)展問題，論文主要從應(yīng)力分布、截齒碎巖過程分析了掘進(jìn)機(jī)的破巖機(jī)理及截齒被磨損原因、損失情況。為了提高掘進(jìn)率，改善掘進(jìn)機(jī)截齒損失，把礦井原有的AS系列的掘進(jìn)機(jī)更換成截齒具有堆焊技術(shù)的EBZ260W掘進(jìn)機(jī)，并把該掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性實踐，得出了以下結(jié)論：

（1）掘進(jìn)機(jī)截齒在破巖過程中，主要是躍進(jìn)式破巖，截齒在破巖過程中會受到巖石對其的法向作用力、剪切作用力和側(cè)向力，其中法向作用力產(chǎn)生主導(dǎo)作用，截齒在破巖過程中，截齒質(zhì)量、高度會受到巖石阻礙作用造成損失。

（2）EBZ260W掘進(jìn)機(jī)截齒表面采用了堆焊鎳基耐磨涂層，工業(yè)性現(xiàn)場實踐表明，該掘進(jìn)機(jī)優(yōu)勢明顯，顯著改善了截齒被磨損情況，提高了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。