冲击式采煤的研究.pdf

冲击式采煤的研究 第六图书馆 提出了一种新的采煤作业方式-冲击式采煤。根据采煤工作面煤壁 受地压作用后煤体强度降低的特点,利用冲南叨具对煤壁进行 冲击劈裂,在回采工艺上实现了冲击式落煤研究了冲击力与煤体的相互作用关系,初步确定了冲击式采煤的主要工艺参数。为研制和发 行暗中式采煤机提供了理论依据。提出了一种新的采煤作业方式-冲击式采煤。根据采煤工作面煤壁 受地压作用后煤体强度降 低的特点,利用冲南叨具对煤壁进行冲击劈裂,在回采工艺上实现了冲击式落煤研究了冲击力与煤体的相互作用关系,初步确定了冲击 式采煤的主要工艺参数。为研制和发行暗中式采煤机提供了理论依据。采煤工作面 冲击式采煤 劈裂 破煤机理 采煤煤炭学 报田取珍 曹惠斌待 [1]太原理工大学 [2]太原重型机械集团设计研究院1998第六图书馆 第六图书馆 第 2 3卷第 6期 1 9 9 8年l 2月 煤 炭 学 报 J OuRNAL OF C HI NA COAL S 0CI E TY vd 2 3 No 6 D e c 1 9 9 8 ．I ， ／ 冲击式采煤的研究 哆 强 毒 摘 要提 出了一种 新的 采煤 作 业方 式 冲击 式采 煤 ．根 据采 煤 工 作面煤 壁 受地 压作 用后 煤体强度降低的特点，利用冲击刀具对煤壁进行 冲击劈 裂 ，在 回采工艺上 实现 了 冲 击式 落煤． 研 究了冲击力与煤体的相互作用关 系，初 步确定了冲击式采煤的主要工艺参数 ，为研制和改进 冲击 式采 煤机提 供 了理 论依 据 ． 关 键词 墨 苎三 圭 当 苤址 ， ． 中图分类号T D 8 2 3 ／ 破 煤 机 理 绨 合理而 有 效 的煤 岩破碎 方式 不仅 关 系到煤 岩 破 碎时 的能 耗 ，而且 关 系 到破 碎 后 的块 度及 其数 量 ⋯ ． 提高煤矿的生产效益除了要求提高劳动生产率和降低生产成本外 ，还必须提高产品的内在质量 ，从质量 上去获取更高的效益，同时保证矿井安全生产．对于无烟煤产品的矿区，如何提高采煤工作面的块煤率 及 降 低机 械化采 煤 过 程中 的煤 尘 产生 量 ，寻求 合 理 的破 煤 方 式 ，这不仅 关 系到 该类 矿 区煤 矿生 产企 业 的 经济效益 ，而且影响到矿井的安全生产、作业环境质量和工作人员的身体健康 ．本 文提出的冲击式采 煤 ，就是 针对 上述 问题 研究 了 冲击破 煤 的可行 性 ，并 给 出了 冲击 破煤 的作业 方 式 和主要 技术 参 数 ． 1 滚 筒破煤机理 的分析 目前 ，国内外井工开采煤矿的采煤机械主要为滚筒式采煤机．长期 以来 ，采矿工程技术人员针对采 煤过程中提高块煤率和降低产尘率做 了大量的研究和实践工作．在滚筒式采煤机上采用大截距 、慢转 速 、大截齿的滚筒 ，以求通过改变切削速度和切削厚度来提高块煤率和降低产尘率 ；在滚筒的截齿排列 分布及其形状方面也进行了大量 的试验与研究 ，试 图通过改变截齿的分布和形状达 到上述 目的 实 质 上，滚筒式采煤机是借助采煤机牵引力使滚筒造成对煤壁的挤压力再通过滚筒旋 转来实现采煤的，其破 煤机理为铣 削式破煤，滚筒在旋转铣削破煤过程 中截齿截人煤体的深度仅取决于滚筒的转数 、采煤机的 牵引速度和同一截体 上的截齿数 ，其关系为 一 ， 式中， 一 为截齿的最大截人深度，m m； 为采煤机的牵引速度，m ／ m i n ； 为滚筒的转数，r ／ m i n ； m 为 同一截线 上 的截 齿数 ，个 ． 显然 ，通过降低滚筒的转数 n、减少截线上的截齿数 m 和提高牵 引速度 可以使截人深度 h增加 ． 截人深度的加大可使块煤率提高而使产尘率下降 ，但截人深度的增加使采煤机的截割功率成倍增加 ，因 此过分强调增加截人深度 h将使破碎 比能增 加，提高 开采成本_ 2 J ．又因为滚筒旋转时每一截齿 的截 割 收稿 日期 1 9 9 8 0 6 2 6 * 国隶 自然辩学基金项 目 批 准号5 9 5 7 4 0 0 8 及攥 炭部 重点项 目 编号 0 1 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 煤 炭 学 报 1 9 9 8 年第2 3 卷 过程中截入深度均是由 0开始逐渐达到最大深度 ，然后又由最大深度逐渐减小至 0，截点随滚筒每 转一 圈铣削煤体 的痕迹近似月牙形 ，在月牙形的两端不会形成大尺度的块煤 ．至于采用大截齿或改变截 齿形状等技术措施虽能在提高块煤率和降低能耗方面有一定的作用，但其侵入煤体 的过程和运动轨迹投 有不 同，铣削式破煤机理未曾改变 ，在提高块煤率的效果上并不理想 ． 2冲击式 采煤的提 出 各种破碎煤 岩的方法都将消耗一定的能量，而得到的是不 同粒度 的一定数量的煤岩块 ．能耗和煤岩 块 数量 、粒 度之 间 的关 系 ，是衡 量 破碎 效果 的一 个基 本 问题[ ． 煤体是非均 质的固体 ，它既不是弹性体 ，也不是塑性体，结构较 复杂 ，一般具有较 明显的脆性_ 3 ] ． 煤在原始沉积过程中形成层理面 ；在地壳运动的构造应力作用下产生构造裂 面 即节理 ；在采煤工作 面，当受蓟工作面开采影响后 ，在支承压力的作用下，产生了压裂 冲击式破煤正是充分利用 了煤壁 自由面，并将 刀具平行于该 自由面 图2 冲击劈裂破煤力学模型 排列 ，在冲击力 作 用下 刀具侵入煤体后产生较大的张拉应 力 d ，从 F i 2 Me d ． d d o f t h e 而将煤从煤壁上劈落下来达到冲击采煤的 目的． p t i t t i I l g o 。 d c mi l I g 冲击力有别 于静力 ，其 明显 的特征便 是它在很短的时间内，作用力 1 一 冲击刀具； 2 一 攥体； 发生急剧的变化⋯ ．冲击破煤的关键 问题是确定冲击力 的大小、冲劈厚 一自由面 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 6期 田取珍 等 冲击式 采煤 的研究 度 、冲击频率等参数 2 ． 1冲击 力 的确定 冲击力 的大小 决定 了采 煤 机 的截 割 功率 和 牵 引力 ．合理 的 冲击力 既 要使 煤从 煤 壁上 劈 落下 来 ，又要 与采煤 机 的牵 引力 相适 应 在 机械传 动系统 中 ，冲击力 的大 小 取决 于刀 具 的冲击 速度 和冲击 传 动系 统 的 运 动惯 量 ，这 些都 是设 计采 煤 机 的重要 参数 ．在 冲击 载荷作 用 下 ，煤 体 的破 坏 强度 和侵 入硬 度 均 比静载 下 有所 提 高 ，前人 曾用相 似材 料做 过材 料 的断 裂强度 试 验 ，其 结果 为 R1 ／ [ n rai n ／ s ] ， 式 中 ，R 为材 料 的断 裂强 度 ；a ，m 为材 料 常数 ； 为载 荷作 用 时 间 ． 加载 时 间 0 1 s 与 2 4 h相 比 ，材 料强 度 提 高 1 ． 5至 2 ． 4倍 ． 当考虑 了煤 壁煤 体 的力 学强 度 特征 和 自 由面及其 冲击 刀 齿 的作 用 顺序 后 ，确定 每 一刀 齿 的 冲击作用 力 为 C RS ， 式 中 ，F． 为单 个 刀齿 的冲击 作 用力 ，k N；C 为 冲击 系数 ；S 为刀 齿前 端作 用 面积 ，c 2 ． 2 冲 劈厚 度 的确定 冲劈 厚度 d是指 冲 击刀架 上 刀齿侵 入 煤体 的截 线 至煤 壁 自由面 的距 离 ． 冲劈 厚 度直 接 关 系 到块 煤粒 度 和 冲人 阻力 的大小 ，冲劈厚 度增 加 虽可 提 高块 煤粒 度 ，但 由于煤 体 的 内聚力 和摩 擦力 很 可能 导致 不能把煤劈落下来；减小冲劈厚度可降低冲人阻力 ，相应的块煤粒度将减小 ，二者之间的最佳匹配关系 尚需 进一 步研 究 ．试 验所 采用 的冲劈 厚 度 考 虑 了煤 体 冲击 劈 落 时产 生 的摩 擦 阻力 和 E l 前 的采 煤 工 艺方 式 ，并 与现 行 的采煤 工艺 相配 套 ，确定 每 刀 的冲劈 厚 度为 3 0 0 ～3 5 0 mm，以 取得较 为理想 的块 度效 果 ． 2 ． 3 冲 击频 率 的确 定 冲击频率是冲击式采煤的一个重要参数 ，它与刀架的冲击速度 、冲击行程 和采煤机牵 引速度相关． 它 的高低关系到冲击落煤 的效果．当刀架 的冲击速度 设定后 ，冲击频率 应 与刀架 的冲击行程 b和 采 煤机 的最 大牵 引 速度 a x 相 匹 配 ，即 ， 式中， 为刀架的冲击频率，0 ／ m i n ； 为采煤机的牵引速度，m ／ rain ；b为刀架的有效冲击行程， m． 在 确定 冲 击行 程时 ，应 考虑 冲击 传动 机构 的最大 施力 点与 煤 体 的相 互作 用 位置 关 系 3冲击 式采煤 机的研制与试 验 根 据所 确 定的 冲劈厚 度 和拟 达到 的破 煤效 果 ，为与现 行 的采煤 工 艺配套 ，所设计 的冲击式 采 煤机 是 两排 纵 向排列 的 交 替运 动 的冲击 工作 机构 ．该 工 作机 构在 原 动机 的 驱动下 使 刀 架连 同安装 其上 的刀齿 对煤 壁进 行 轮番 交替 冲击 ．即外侧 刀 架先 进行 冲 击 ，在其 回程过 程 中 ，内侧 刀架 向煤 体进 行 冲 击 。外 侧刀 架 冲击 后在煤 壁上 给 内侧 刀架 创造 了 自由 面每 排 刀 的冲劈 厚度 d 为 3 0 0 ～ 3 5 0 mm，两排 刀 的 截 深 总 冲 劈 厚度 为 6 0 0 ～7 0 0 mm． 图 3为 冲击式 采煤 机 的破煤 原理 图 ． 冲击刀具 以冲击速度 7 3 冲 向煤 体后 ，刀齿 与煤体接触 部位产生很高的冲击应力 ，在煤体中形成 冲击波和劈裂拉伸 图 3 冲击式采煤机破煤 原理 F i g 3 P r i n c i p 1 e 0 f t h e i mp a c t ma c h i n e c u t t i n g l _攥 壁 自由面；2 外倒 刀架 ；3 内懈 刀集 4 冲击 刀齿 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 煤 炭 学 报 1 9 9 8 年第2 3 卷 应力 d 在冲击波和拉伸应力的共同作用下使煤俸劈落 ．由于煤壁处煤体本身的应力定量解释还不十 分清楚，受冲击力作用后的应力应变规律还需进一步研究， 所 研 制的 冲击式 采煤机 采用 曲柄 连杆 机构驱 动破 煤工 作机构 ，曲柄连 杆机 构将原 动机 传递来 的旋转 运 动 变 为往复运 动 ，在 啦柄 转 动一 冠的过 程中 ，刀架 的冲击速 度 按 下式 规律 变化 ，即 s i n s i n 2 m t ， 式中，m为角速度，r a a ／ s ；R为曲柄半径，m； 为连杆长度，m；t 为时间，s 显然 ，刀架 的冲击 速度 随时 间 z的变化 作周 期性变 化 ，所 以其 冲击 力也是 随 时间变 化 的 对 速度求 导后得刀架的加速度 0为 口 ；一R c 0 s m t 。 。 s 2 ∞ ￡ ． d￡ ￡ 冲击劈裂破煤的能量来 自于刀架运动时产生 的冲击动能和储能机构蓄积的能量 ，即 E Ek E。 ， 其 中 ，Ek 和 E 分别 为刀架 的冲击 动能和储 能 机构 蓄积 的惯性能 在冲击刀齿接触煤体的瞬间 ，刀齿受 到煤 体阻 力 后产 生减 速 ，这 时 刀架 运 动 机构 所 产 生 的 动能 和 储能机构蓄积的能量瞬时作用 于煤体，使煤体受冲 击力作用后劈裂 开来并落下 ．由于这种传动机 构运 动规 律 的周 期 性 。所 以 要求 冲击 刀 架 冲 向煤 体 时 的 最小冲击力不低于某一值． 笔者和晋城矿务局合作研 制的第一台冲击式采 煤机 的样机 如 图 4所示 ．该 样机 的主要 技术 参 数 为 适应采高 1 ． 5 ～3 ． 5 m；截深 6 0 0 ～7 0 0 mm；冲击行 程 3 0 0 mm；理论 冲击 力 小于或 等 于 3 0 0 k N； 冲击 频 率小于或等于8 0次／ mi n i 冲劈厚度 3 0 0 ～3 5 0 m m； 采煤机牵引速度小于或等于 1 2 m ／ rain 图 4冲击式采煤机样机 F i g 4 P r o t o t y p o f t h e l mB a “ ma e n e 样机于 1 9 9 6年 l 2月 ，在凤凰山矿 2 3 1 9 下综采工作面进行了冲击采煤试验．试验工作 面采高 1 ． 8 --2 ． 4 m，煤层硬度 f3 ，工作面长 1 3 0 i n ．试验表明，在晋城矿务局 3号煤层条件下 ，采 用冲击 式采煤 ，块煤率可达到 8 0 ％以上 ，采煤工作面产尘率可降低 8 5 ％，分别 比滚筒式 采煤饥提高 3 0 ％和降 低 6 0 ％，达到了预期 的破煤效果． 4结束语 冲击式采煤是一项新型采煤技术 ，从它 的产尘率来看 ，属于一项清洁开采技术 ，具有良好的应用前 景 ．理论 分析 和实践证 明，冲击 式采 煤具有 3个 显 著的优 点 1 采煤时的产尘率大幅度降低 ，为井下创造了良好的工作环境 ，保障了安全生产 和工人的身体健 康 ，节约了防尘灭尘费用． 2 提高了块煤率，对于无烟煤矿区 ，在不增加矿井开采量的情况下 ，提高 了矿井的经济效益． 3 降低了能耗 ，研究表明，破碎产物的粒度越细，所消耗的功也越多 ，采用冲击式破煤 由于块煤 率 的显著 提高 而具有 明显 的节 能效果 ． 因此 ，在采煤工作面采用冲击式破煤不仅技术上可行 ，而且具有 良好的经济效益和社会效益． 上述研究仅是初步的，对于冲击应力在煤体 中的传播规律，煤壁上煤体受冲击力作用后的微观破坏 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 6期 田取珍等 冲击 式果煤 的研究 特 征 、煤 体 与刀 齿 间的作 用 机理 以及 冲击 系统 的可 靠性 等 问题 有待 进 一 步深人 细致地 研 究 参考文献 1 徐小荷 ，余静岩石破碎 学．北 京 煤炭工业出版社 ，1 9 8 4 2方慎权煤矿机械徐 州中国矿业大学 出版杜 ，1 9 8 6 3 信札 田，何翔 ，苏敏强冲击 载荷下岩石 的力学性质岩土工程学报 ．1 9 9 6 ，1 8 6 5 9 4 谭学术 ，鲜学福 ，郑道访等复 合岩体力学理论及其应用北京 煤炭工业出版杜 ，1 9 9 4 5 裴党 民，吕祖珩裂隙岩体非连 续变形的静力 和动力分析方 法．岩土工程学报 ，1 9 9 6 ，1 8 6 4 6 作者简介 田取珍 ，男 ，教授 1 9 7 8年毕业于 山西 矿业 学院 ，长期从事采矿工程 的教学与科研工作 在 煤炭学 报 等 刊物 发 表论文 2 0 余 篇 ，编写专著教材 7部 ，研究 成果获煤炭工业部科 技进 步二 等 奖 1项 ．山西省 太原市 太原理 工大 学采矿 工 程 系 ，邮 政 编 码 0 3 0 0 2 4 刘混 举 ，男 ，硕士 ，副教授1 9 8 2年毕业于 山西矿业学院 ，主要从 事矿 山机械 的教学 与科研 工作 ．发表论 文 1 0案 篇 山西 省太原市太原理工大学机 械电子工程系 ．邮政编码 0 3 0 0 2 4 ． S TUDY 0F I M PACT C0AL CUTTI NG Ca o Hu i b i n T a i y u a n Un i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y T a i 3 m a n Gr o u p o fH e a v y - Du y M Ab s t r a c t I mp a c t c o a l c u t t i n g a s a n e w wa y o f c o a l c u t t i ng h a s b e e n a d v a n ced．B a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s ． t i c s i n t h e s t r e n g t h o f c o a l s e a m u n d e r t h e a c t i o n o f t h e g r o u n d p r e s s u r e ，t h e i mp a c t c o a l c u t t i n g i s a c h i e v e d i n t h e coat wi n n i n g t e c h n i q u e b y u s i ng t h e i mp a c t c u t t i n g t o o l t o i mp a c t ，s p l i t a n d c u t t h e coat o n t h e c o a l wa l l Th e r e l z , t i o n s h i p o f i n t e r a c t i o n b e t we e n t h e i mp a c t f o r c e a n d c o a t ma s s i s a l s o d i s c u s s e d，t h e ma i n t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r s o f t h e i mp a c t c oa l c u t t i n g are p r e l i mi n a r y d e t e r mi n e d ，a n d t h e t h e o r y b a s i s i s p r o v i d ed t o f u r t h e r d e v e l o p a nd i mp rov e t h e i mp a c t c o a l c u t t i n g ma c h i n e ． Ke y wo r d s c o a l f a c e，i mpa c t coat c u t t i ng ，s p l i t ，c oa l b r e a k i n g me c h a n i s m 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆