不同截割模式對掘進機截齒切削效果的影響分析

趙 磊

（晉能控股煤業集團忻州窯礦生產技術部， 山西 大同 037021）

引言

我國對煤炭的使用及需求占據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量的重要措施。在我國煤礦開采中，采掘比的失調是長期困擾煤炭高效生產的因素[1]。在掘進機進行掘進的過程中，由于地質條件的復雜多變及巖層的高硬度變化，相應進行截割的掘進機截齒的截割方式不同。針對相關截割及非相關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截割及非相關截割兩種模式[3]，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，在相關模式中，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具有不同的截割效果，對于截齒的間距及切削深度應尋找最佳的比值，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建，并采用墻單元進行邊界的約束[5]。設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，首先設定截齒以恒定的速度對煤巖進行截割，此時可看做非相關截割模式[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，采用截割過程中產生的主切削力及失效顆粒的數量進行對比分析。在截割模擬的過程中，截齒模型依次以非相關模式及相關模式對煤巖進行截割，在兩次切削過程中，兩刀之間產生較小的巖脊。

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、側向力及法向力，在三向切削力中，以切向力的數值最大，為主切削力，對截割過程中的切向力進行記錄并統計，如下頁圖3 所示。其中，黑色表示非相關模式，灰色表示相關模式。從下頁圖3中可以看出，非相關截割模式受到的切削力的波動及峰值要大于相關模式的波動及峰值，且統計的平均切削力非相關模式大于相關模式。由此說明，采用相關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生的斷裂單元的數量進行統計，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量是剪切失效單元數量的3 倍。對兩種截割模式的造成的斷裂單元的數量進行分析，并建立了響應的數學回歸模型，結果表明，相關模式下產生的破壞斷裂的顆粒增長速度要小于非相關模式的斷裂增長速度。

圖4 斷裂單元數量隨截割距離的變化曲線

3 結論

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，具有提高截割穩定性的作用；

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