截齿截割作用下煤体变形破坏规律研究

截齿截割作用下的煤体变形破坏规律研究是岩石力学及煤炭行业重 要的理论与实际课题,搞清截齿截割作用下煤体变形破坏规律对采掘机械 化程度的提高以及煤炭企业生产效益的提高都有重要意义。本文采用了模 拟实验、散斑测试、红外测温及数值模拟计算等方法,对采煤机截齿截割 作用下的煤体变形破坏规律进行了系统的研究,得到了一些新的结果。 在自制的截割实验台上进行了截齿截割煤体的模拟实验。改变截齿类 型、截割深度等,观察对煤体变形破坏的影响;采用自制的八角环测力仪 和多通道低频高精度信号拾取系统对截齿截割煤体过程中的截割力进行 了在线监测;采用高速摄影的办法拍摄截割过程,分析变形破坏的规律。 发现某一截深时截齿截割力、侧向力、牵引力的波动状态相似:相同截深 时镐齿截割力比刀齿截割力大;截齿截割时,崩落角随截深增加而下降; 截齿截割时,截槽面积随截深增加而增加;镐齿截割时,截深增加,直径 大于25mm的煤块百分比在增加;镐齿截割,截深增加,煤的块度增加; 镐齿截割,截深增加,吨煤电耗减小;截齿截入煤体,在刀齿凸脊及镐齿 齿尖与煤体接触处出现裂纹,随截齿截割前行,裂纹迅速扩展,裂纹扩展 方向与煤体的层理、节理有关。最终从煤体分离下来。 采用白光数字散斑相关的方法,观测截齿截割作用下的煤体变形破坏 情况。通过数字相关分析得到煤体表面最大剪应变图和位移矢量图。发现 截齿截割煤体过程中,煤体出现稳定的变形局部化带,且最终发展为宏观 裂纹;煤体变形局部化带为一个倾斜带;刀齿截割时,变形局部化发展较 慢,但产生变形局部化后,局部化带宽且带内应变值较高;而镐齿截割时, 变形局部化发展较快,但产生局部化后,局部化带窄且带内应变值不如刀 齿高。截齿截割作用下的煤体变形破坏主要是剪破坏。 对截齿截割煤体变形破坏过程的红外热像进行测量和研究,从而分析 研究截齿截割作用下煤体变形破坏规律。改变截齿类型、截割速度、截深、 测量方位等,测量煤体红外热像。发现刀齿截割时在垂直截割方向与刀齿 凸脊相应处出现条状高温区;镐齿截割时在齿尖附近出现点状高温区;截 辽‘i‘l一程技术人学溥十论文11 割速度越快热效应越明显;‘截齿截割煤体过程中,温度场中最高温度值与 截深及煤体力学性质有关,截深越深,温度场中最高温度越高,煤体的抗 拉强度、抗压强度、粘结力、内摩擦角越大,高温区的最高温度越高。 采用应变软化的模型,使用FLAC进行数值模拟计算,研究截齿截割 作用下煤体变形破坏过程。分析各种工况下不同参数对煤体塑性区、最大 位移、最大主应力、最大剪应力的影响,发现对不同煤体进行截割,产生 完全不同的截割效果;截深与塑性区大小成反比:截割角度与塑性区面积 关系密切,试验用煤体材料最佳截割角度为5“左右;截齿磨钝后会大大 减少塑性区面积;截割速度增加,塑性区面积在减小;通过分析截割动态 过程,得到位移矢量图,及剪应变等值线图,发现截割过程中煤体的破坏 是拉、剪联合作用的结果,以剪破坏为主。 将实验结果分析得出的结论,应用到实际截齿截割煤体中,提出.高效 截害lJ的概念及方法。 关键词:煤体,截齿,模拟试验,数字散斑相关方法,变形局部化,红 外成像,FLAC数值计算 Keywords:eoal body,Piek,digital sPeekle eorrelation method, deformation loealization,infrared imaging,FLAC numerieal caleulation