（采矿工程专业论文）煤岩冲击破碎过程的力学行为分析.pdf

太原理 大学颈? 研究生学位论文 第一牵绪论 1 。1 冲击破煤理论的提躜 自从二十世纪六十年代我国开始推广使用滚筒式采煤机以 来，滚筒式采煤机组就一鸯是我国采煤枫械化首选的机械。除少 数薄煤层工 睾蕊采焉单滚筒采煤祝或到渫枫努，大多袋霜双滚筒 采煤机采煤。长期以来，采矿工程技术人员针对采煤过程中要求 援离块煤率和隧低产尘率傲了大量的研究和实践工作。在滚筒式 采漾祝上暴露大截距、漫转速、大截齿静滚蓠，戳求通过改变切 削速度和切削脬度来提高块煤率和降低产尘率；在滚筒的截齿排 列分布及其形状方蘑也进行了大量的试验与研究，试凰通过改变 截巍的分布和形状达到上逐霸的；但是掰有如上的努力著没有扶 根本上解决问题。所以要从根本上解决遮些问题，必颁改变以往 的破煤极理及破煤极槭，选用全薪破煤机理及破媒机械。 1 1 1 滚筒式浆煤机的破煤机理及其缺陷 基前，我圈煤矿井下煤大都由滚麓式采煤援或铡煤掇来完 成，其破煤机理为铣翻式或铡削式破煤。滚筒式采煤机实质上蔻 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 实瑗酸潆酶，这耪方式较好瓣到瘸了剪切戆痒用，发挥了潆岩体 翁于剪切破碎的特点。图l l 表示滚筒式采煤机的截齿与煤岩体 的作用关系。 太原理 大学颈? 研究生学位论文 第一牵绪论 1 。1 冲击破煤理论的提躜 自从二十世纪六十年代我国开始推广使用滚筒式采煤机以 来，滚筒式采煤机组就一鸯是我国采煤枫械化首选的机械。除少 数薄煤层工 睾蕊采焉单滚筒采煤祝或到渫枫努，大多袋霜双滚筒 采煤机采煤。长期以来，采矿工程技术人员针对采煤过程中要求 援离块煤率和隧低产尘率傲了大量的研究和实践工作。在滚筒式 采漾祝上暴露大截距、漫转速、大截齿静滚蓠，戳求通过改变切 削速度和切削脬度来提高块煤率和降低产尘率；在滚筒的截齿排 列分布及其形状方蘑也进行了大量的试验与研究，试凰通过改变 截巍的分布和形状达到上逐霸的；但是掰有如上的努力著没有扶 根本上解决问题。所以要从根本上解决遮些问题，必颁改变以往 的破煤极理及破煤极槭，选用全薪破煤机理及破媒机械。 1 1 1 滚筒式浆煤机的破煤机理及其缺陷 基前，我圈煤矿井下煤大都由滚麓式采煤援或铡煤掇来完 成，其破煤机理为铣翻式或铡削式破煤。滚筒式采煤机实质上蔻 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 实瑗酸潆酶，这耪方式较好瓣到瘸了剪切戆痒零j 蕊嚣攀提高媒 裁产萋的鋈魏蹬厦礴。鹨j ? i _ 律搿懈溶溜箍臻矬靴融缎型蕊裂嚣 秘强震蓊琵， 率，降低采煤过程中的能耗，创造良好 太原理工大学硕士研究生学位论文 采煤机的滚筒在旋转蒿研i 凋鬻霉戮驾巢必k “弹引型重 牟 唑垒鬻娶导掣瓢。嘴禺抖鱼塘耋i 裂雏蛩鲜姐聪胡融琵蛆幽， 聋j g 誊 一；耋鬻囊一 谆蚶；一 薹垂p 葫器!；斜群婴畦嚣洫冀琴睡骤。拜 ； | 赠蒙堙氇苹击劈箫垲；i 霪薹? 耋霄引“巍新徘。i 鬟； i j 合毽一挥晕金最蚶璧集； l 一器懿麓萧耋i 一孽砷l 爨囊塑| 雾鬣 蓦：式破煤中煤体的破碎与抗剪强度的相关性最大， 与抗拉强度的相关性次之，与抗压强度的相关性最小，并由 此认为目前的破碎方式应当向利用拉应力破煤的方向转化。 根据以上的结论，太原理工大学的田取珍教授提出了冲击破 煤理论并设计生产出第一台冲击式采煤机。图卜2 就是己经 在井下采煤工作面进行试验的冲击式采煤机样机。 图卜2 冲击式采煤机样机 f i g1 2t h ec u t t e ro fi m p a c t i n gc o a l 冲击式破煤理论从提出到现在已经有近十年的时间了， 浚理论的核心就是冲击劈裂落煤，他是一种全新的破煤方式 在破煤机理上完全不同于传统的切削式破煤或铣削式破煤。 太原理1 大学硕士研究生学能论文 的作髑，僵截割机理弗未改变，效果上并不十分明艇。蓿要提高 枫械亿采潆工作面静块炭率，降低生产过程中的煤尘且不增加能 耗，必须跌裰本上政交铣联式酸潆丰凡疆。 。 2 洚击破煤理论豹提出 滚筒式采煤机及铣削式破煤机理所带来的问题主凄如下： 1 ) 在开采过程中煤炭被过度破碎。出于煤炭的过度破碎而产 生戆大量耪尘越藿滚篱静褥转两飞扬，搜采潆工俸瑟豹粉尘浓寝 严熏超标，导致了生产场所的环境严重惩化。尘害问题在煤矿至 今未能得到很好地解决，面花在防尘方馘的费用却搬当庞大。 2 ) 块媒率院较低。对予无翅漾矿区，提高煤炭产晶翡头率是 煤矿企业追求的重要经济效菔指标之。以一吨块煤和一吨末煤 的价格比较，块煤的售份约必4 0 0 一5 元，t ，而末煤的售价仅为 2 元t 左蠢。浃煤供不藏求，末潆洚镄，遥往潆矿企业不得不 将末煤再加工成型煤而销售。因此，提高块煤率可为煤炭企业带 来匾大的经济效益。 3 0 能耗较商。滚筒式采煤机采蘑镜削式挤压剪韬破煤税瑾， 截齿破碎煤体时依靠强大的压剪应力将煤体压碎，由于煤岩的抗 鹰及抗剪强度邀远大于其挽拉强度，因戴滚篱式采煤搬依靠强大 酶装枕功率来宾现提高煤炭产量的西静。 提高采煤工作面块炭率，降低采煤过程中的能耗，创造良好 的m 多 下工作环境一直是采矿工程技术人爨致力鳃决的闽题。为了 觚根本上解决以上三大阔题，需要扶破煤机理上进行研究。已有 的试验表明，煤岩体的极限抗压强度a 。、极限抗翦强度o 。、 极限撬拉强度a 。之闻的关系力：g 。：g ：g ；= l ：( 0 2 i 一0 ，j 0 ) ： 3 可以说 太原理一大学硕士研究生学位论文 它完全克服了滚筒式采煤的缺陷：首先，冲击式采 煤机的截齿冲击运动方向始终与冲击生成的新煤壁面相垂 直，这样有可能形成较大的煤岩块度，降低了工作面的粉尘： 其次，由于刀具采用的是特殊的楔形刀齿，在冲击过程的某 个瞬l 司，刀齿产生的应力足以使煤体中的张裂纹迅速扩展， 达到破煤的目的，能耗明显降低；另外，在开采过程中矿l i j 压力的特殊作用，会使在距工作面一定距离内的煤体中的裂 纹长度有增加的趋势( 这一点在后边第二章会作专题分析) ， 而这又为冲击式破煤提供了有利的条件。也就是说，冲击式 破煤方式较好地利用了煤岩本身的物理力学特性( 抗拉强度 最低) 和工作面煤壁的受力特征( 矿山压力作用) 以及特殊 的刀具( 楔形) 来进行工作的。 1 2 课题的目的和意义及国内外研究动态 1 2 1 选题的目的和意义 实践和理论分析已经证明，冲击式采煤技术具有三个显 著优点：其一，采煤工作面的产尘率大幅度地降低，创造了 良好的井下工作环境，保障了安全生产和工人的身体健康， 这是目前任何降尘方法所不能达到的效果。其二，块煤率显 著地提高，在不增加矿井开采量的前提下，提高了煤矿的经 济效益。其三，这种破煤方式较滚筒式采煤机的能耗大大减 少，节能效果明显。可见，冲击式采煤是一项新型洁净采煤 技术。这项新技术在高效防尘，提高块炭率和节能增效方面 5 太原理l ：大学硕十研究生学位论文 有着巨大的经济效益和社会效益。 冲击破煤理论是冲击式采煤技术的核心，而本文所研究 的煤岩冲击破碎过程的力学行为又是冲击破煤理论的重要组 成部分。煤岩冲击破碎过程的力学行为的涵义是指截齿冲击 接触煤壁丌始到煤体破落下来整个过程中产生的各种力学现 象，每种力学现象与冲击力以及速度的关系，即截齿冲击作 用于煤壁后表现出的各种力学行为。 煤岩冲击破碎过程力学行为的部分内容曾经为前辈学者 研究过，他们所作的工作对冲击破煤理论的发展起着积极推 动作用，但是还有很多方面有待进一步完善的。选择冲击破 碎过程力学行为作为本文研究课题的主要目的和意义是：为 冲击式采煤机的研制提供理论基础，为优化冲击参数、确定 冲击破煤的工作机构以及采煤机的设计提供技术支持。 1 2 2 国内外研究动态 冲击破煤理论是一种全新的破煤理论，是在对已有破碎理论 和工艺充分研究基础上提出来的。国内外，有关煤岩破碎的研究 主要包括岩石切削破碎和岩石动力破碎两方面的内容。 1 、切削破碎方面的研究状况 在国外，岩石破碎的研究最早可以追溯到1 8 6 7 年黎金格 ( r i t t i n g e r ) 的新表面理论、1 8 8 5 年盖克( k ic k ) 的相似理 论以及1 9 j 2 年邦德( b o n d ) 的第三破碎理论。这些理论在选矿 破碎方面得到了广泛的应用，近年来，在采矿的各种破碎工 艺中也开始应用，在一定程度上反映了破碎原因和破碎效果 之间的某种联系，但对于采矿中遇到的复杂情况还是远远不 6 太原理l ：大学硕十研究生学位论文 有着巨大的经济效益和社会效益。 冲击破煤理论是冲击式采煤技术的核心，而本文所研究 的煤岩冲击破碎过程的力学行为又是冲击破煤理论的重要组 成部分。煤岩冲击破碎过程的力学行为的涵义是指截齿冲击 接触煤壁丌始到煤体破落下来整个过程中产生的各种力学现 象，每种力学现象与冲击力以及速度的关系，即截齿冲击作 用于煤壁后表现出的各种力学行为。 煤岩冲击破碎过程力学行为的部分内容曾经为前辈学者 研究过，他们所作的工作对冲击破煤理论的发展起着积极推 动作用，但是还有很多方面有待进一步完善的。选择冲击破 碎过程力学行为作为本文研究课题的主要目的和意义是：为 冲击式采煤机的研制提供理论基础，为优化冲击参数、确定 冲击破煤的工作机构以及采煤机的设计提供技术支持。 1 2 2 国内外研究动态 冲击破煤理论是一种全新的破煤理论，是在对已有破碎理论 和工艺充分研究基础上提出来的。国内外，有关煤岩破碎的研究 主要包括岩石切削破碎和岩石动力破碎两方面的内容。 1 、切削破碎方面的研究状况 在国外，岩石破碎的研究最早可以追溯到1 8 6 7 年黎金格 ( r i t t i n g e r ) 的新表面理论、1 8 8 5 年盖克( k ic k ) 的相似理 论以及1 9 j 2 年邦豢；i i i 薹蠢誊葡美囊鬻；蠢耋霪薹霪薹霜 嚣燃趔噬毒凄璧潮露藩葺j 喜萋鬻。焉筮1 芝瀵鲋 枞蠢型盥篙睚馋；飘一薷浚强号簿霸囊瓣臻斟譬翁驱皱 x 太原理工夫学硕士砑究生学位论文 够的“。从二十世纪五十年代开始，许多国家就开始对煤岩 懿切削破醛搬瑾遴专予磺究；七十年代又开始黠大理岩等较软 岩石的切削进行了研究；随着石材加工的大量开展，近年来 开始对花岗岩婷硬岩的切削机理进行了研究。由于岩石破碎 过程懿复杂性，燕上其传条搏豹子麓万到，嚣以不霜疆究老 的观点也不尽一致，主簧的一些观点如下： 最初，人们只是将有关金属切割理论应用到煤岩和脆性 磐石靛翅喜l 酸耱主。篦始醛e r e h 8 n t 在1 9 4 4 年爨懑戆簿释甥 割过程的理论把抗剪强度作为破碎的主要依据；该理论可成 功地运用到延性金属切割中，但不能勰释切割破碎煤岩和脆 性岩石篷弱鬏m ”“。 在1 9 5 8 年，i e v a n s 通过对煤岩豹刨削实验研究，提出 了图卜3 所示的切削机理模型。并且认为：当截齿给予煤体的应 l 一瓣砉，2 一锯麓齄剥落方彝，3 一嚣弧形鼋裂，4 一截意 图卜3i e v a ns 切削机域模型 f i g 1 - 3e u t l i n gm e c h a n i s mm o d e lo f1 e v a n s 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 力超过煤岩的抗拉强度时，截齿压入，拉应力作用产生圆弧形龟 裂，切屑以裂纹线末端为中心回转断裂。这之后，他又将此模型 扩展到钝尖楔入岩石的情况。k e g r a y 等用高速摄影方法研究石 灰岩的切削过程，也得到与此类似的切削机理模型。虽然该模型 在解释刨煤机的工作原理时有一定的意义，比如：其关于截齿压 入煤岩是由于截齿给予煤体的拉应力超过煤岩的抗拉强度的理论 是合理的。但这一模型没有考虑刀尖处压实核的存在，认为裂纹 扩展轨迹是一圆弧线是不具备代表性的，所以不具备全面解释煤 岩切削方面的全部内容“。 1 9 6 2 年，a h _ b e p o h ( 别隆) 用高速摄影的方法对煤岩切削进 行了实验研究，提出了图卜4 所示的切削机理模型。他指出：在 1 一刀具2 一压实核3 一三种可能的龟裂线 图卜4a h b e p o h 切削机理模型 f i g 1 4c u t t i n gm e c h a n i s mm o d e lo fa h b e p o h 切削的过程中，刀尖前部的压实核会逐步形成。当切削压力增大 到一定值时，压实核部分沿前刀面“流出”，当迸一步切削时，压 实核边缘产生剪应力断裂。该理论可以说是滚筒式采煤的理论基 础。 1 9 6 6 年，y n i s h i m a t s u ( 西松裕一) 对煤岩、砂岩、水泥切削过 程进行了研究，提出了图1 5 所示的切削机理模型“5 “3 。他认为： 8 太原理一r 大学硕十研究生学能论文 刀具愿入材料后在刀尖附近的材料被压碎，刀具再压入则由于剪 应力佟矮囱叁由蕊产生繇裂裂纹扩震，疆蘑渡存戆材瓣凸出帮分 被刀具再次压碎，刀具通过切削区域并再次压入材料。其中区域 3 中左边部分是| = 土l 于大块切屑1 在如图方向发生转动时在切眉1 熬芏 | ；| 再次形成疆簿区，魏罄中5 区中掰暴。 卜岩石切屑2 一刀具3 _ 庄实栋d 一裂纹5 一由切艚l 滑动形成压砧区 躜l 一5 y n is h i m 8 ts u 切奇4 机瑷模型 f i g 1 5c u t t i n gm e c h 赣n s mm o d e lo fy n i s h i ma l s u 1 9 7 2 年，i n a k a j i m a ( 中岛糟) 等研究砂岩、大理岩的切削过程 搀窭瓣1 6 繇示匏锈削撬瑾摸黧。毽谈为：与兹刀垂秘接魅妁岩 l 刀具2 一岩石3 一可能的裂纹断裂线 溺卜61 n a k a j i m a 的切制机理模型 f 嘻l 一6c u t t i n gm e c h a n i s mm o d e lo fi ，n a ka j i m a 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 石胤服，剪切产生切屑，张威力裂纹随后产生大块切屑，压实核 赘窃凝裘瑟与弱鞠方淘、瑟袋袋绞扩震方趣与韬臻方巍蚤藏一- 一定 方向角度，切削厚度小时有细粉屑产生。该模型较好地反映了岩 石切削力的波动特征和切屑的形态的关系。当细粉屑生成时，切 娄l 力馋凝小懿波动，夫袭翻趱垒藏霹，切潮力 筝大柩震波魂“。：“。 在这之后，t b r u n s i n 窟游研究了硬岩的切削过稷，提出了 考虑刀面的冲击摩擦作用的切削机理模型，圈1 7 为 善b r u 羟s i 珏g 弱骥垄。该模黧獾窭刀具下方专葶辩受冲击搏鬟产 生微小裂纹，裂纹扩展后形成更大的裂纹，当裂纹扩展到一 定长度时便可扩展到自由蕊形成切屑。由于考虑了后刀面的 筝鬻，采蠲垂经入理论，哥受荮建戆释一垡甥澍蕊象】【4 “。 卜刀具2 一煤岩3 一裂纹平面4 一压实核 图1 7t br u ns in g 的切削机理模型 f i g 1 7c u t l i n gm e c h a n i s mm o d e lo f t b r u n s i n g d v s w e n s o n 等采用高速摄影方法拍摄了用p d c 切削花 岗岩、大理岩的过程。他认为，当刀具与不太平的岩面开始 接触时产生速度极快的粉屑；当刀具与岩石相接触到一定程 度时，形成大块切屑。 在国内，煤炭科学研究总院抚顺分院的马新民等分析了 煤岩的切削破碎机理，认为当刀具作用于岩体上时，在与刀 】0 太原理1 1 大学硕士研究生学位论文 具相接触的一定范溷内产生局部岩石剪切破坏，形成两个相 交懿夔切瑟，形成了摸形骶实棱；在压实竣作用下，垮产生 侧向拉应力：当拉应力达到一定值时，将会产生初始裂纹， 著形成初鲶裂纹的孝广展，扶嚣使岩石产生大块囊落。1 9 9 0 年 广东工学院的王成鹦、大连理工大学的胡浆生，刘培德：以 及濒潭矿鼗学院数捐忠举德嚣】采越了显微或察法，详细磷究 了两种花岗岩的切削过程，采用断口分析技术，分析了切削 叛裂戆应力莲质，提出了毅载芯凑密切凝毒燕理模蘩。与戴露 时，他们还采用了单因素法和二次回归正交组合设计法，详 缁鞣究了黪绿砉、花岗岩魏大理者豹甥女l 力瞧霞，援基了合 理选择岩石切削加工工艺参数的原则 1 5 】i4 4 】。1 9 9 2 年到1 9 9 4 年，瑟安矿监学院牛末民教授对刀其留粪竣攥聿噩瑾霸潆炭甥 削力学模型进行了研究，他主要是从断裂力学的观点出发， 分聿秀了漾体在刀其锯蘩l 睾怒下赘破簿掇瑾，臣及力矮镄裁力 的变化规律和影响因素，建立了刀具切削破煤的基本力学模 型f 嘲旧。 2 、动力破碎方面的研究状况 1 9 0 4 年，兰姆( l a m b ) 研究了集中载荷作用于表面或半空间 内部而在弹性半空间表面产生的波动问题，后来“兰姆问题”在 多方面得到了应用。兰姆问题的表述如下：物体在被冲击时，在 介质表面附近出现一系列现象，这其中包括可能出现的破坏而且 是不可逆的，机械冲击作用面积同物体大小相比，可以认为是很 小的。这就为研究在外载荷作用下的半空间应力状态问题提供了 可能性。从机械与介质接触点处开始，介质的压缩和剪切从介质 的一个单元到另一个单元是以不同的压缩波速v 。和剪切波速v ， 1 】 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 传播的。某一瞬间在集中载荷( 点载荷) 作用点附近应力场可能 呈现陶1 8 所示情况。介质内产生球形的纵波( 压缩波) p 、横波 ( 剪切) s 和横波k ( 锥面波) ，而且锥形波k 是剪切波s 的包络 线，s 是直射波p 通过自由面时反射回来的剪切波：纵向反射波 与直射波相重合。此外，沿物体表面还传播圆形的表面波一瑞利 波r 。当传播作用沿着界面进行时，便发生平面波前p 和t ，图 中用虚线表示。数字i 、i l 、i i i 和相应的1 、2 ( 分布载荷) 表示 扰动区域。该模型主要是对固体的冲击破碎提供了一个开端，比 较粗糙。 。ik “一 p 队，少i ： x 图1 8 兰姆( l a m b ) 问题示意图 f 逗1 - 8t h ed i 8 9 豫mo fl a 娜bp r o b l e m 后来，前苏联的一魑学者强动力破碎方面做出了一热贡献。 比如8 0 年代束，原苏联学者b c 尼基捐罗夫巅基和e h 舒马会 等人就行始了这方面的总结和研究工作，他们阐述了沿弹性半空 间表露蓬直冲击作用时，褥出了关于加裁彝破坏机理的动力学闽 题的某些观点。应用这些观点可以研究，机械工作机构与介质之 间楣互孛击作蹦时接触点醛近毒害秘的状态。 也们的硬究实验表聪， 1 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 学的何开明教授，汪承林教授在研制石材劈裂机时对石材劈裂机 理进行了研究，并给出了劈裂力的计算模型”1 。 冲壶式破潆理论畿鉴了前辈辩举家的某些磷究方法帮禳整， 是在对以上各种煤岩破碎模型的研究中发展起来的。与以上所做 的研究曩；阑点是，冲击式破煤理论集中在冲击黪裂对煤岩等脆性 岩石材料瓣剥落式酸碎 乍震。冲击式采潆是以太漾理工大警矿韭 工程学院阳取珍教授为代表的学术带头人提出的一项新型采煤技 术，该技术一经提出，就得到了各级部门的高度夔视。“冲击破媒 枫瑾的研究”兔一应瑙基穑理论研究谍题，予l 9 5 年得到了整家 自然科学基金的资助，“冲击式采煤机的研究”为应用研究课题， 于1 9 9 j 年得到了煤炭工业部的重点资助。以暖取珍教授为代表的 项目负蠢人所组建的“ 串击破煤视疆磅究”谦舔组已经研究涮造 了用于研究冲击破碎的冲击实验裔，并于1 9 9 6 年完成了第台冲 击式采煤枫样机豹研铡开发工作，谯酱城矿务髑风擅出矿邀彳亍了 地面空载实验和井下工业性实验，取得了预期簸效果，积慕了丰 富的经黔。除此之外，目前在国内外，冲击破煤机理的研究几乎 没有人做避：这是一个全耨的、密挑战牲的漾趱，还有许多难题 有待攻克。 1 。3 论文的主要内容秘硒究方法 1 3 1 论义的主要内祷 论文豹主要志容育以下豆巾方嚣： 1 、煤的物理力学性质及煤层所处力学环境的简述。主要包 l 太囊撵i i z 昭栅董侧专毒乓m 瑶 曩峨惮俐嶝镬蕊隧翻禾韦碑甜西髓。 跚彭南剥托鞲戮烈孚出戮瓢氟硼宪彰丧；丽崤臼魄拍掣 簿啜号脉讲增溱啦鼹舅琶撼鞫醵籽羹鲤靼鳢翟豫掣葭殖舀 鲤醚为：寅鍪鼙耋麓翼萤题般昝b 秘鲥鞑霭觯缈瓢酬嘏弱孵 雏掣躐鞠蝉珐f = 匕副坛雌勰弱馨蠹删害蓉蚴瞒趸倒期增湛遴蔓 撼i 牮瑶稿器鏖篱葫鲻酬辨参囊靖羹割裂堡二踣糖鲤醛嚣帮 霹遗果煤是竣太臻瑾i 泰掌矿塑占， 璧纛燃瀚婶籀鳃强剀乳理刊譬弼嗣辇f 痞斯矧错群劓蠢 漤殛竖：全臻蘩器簿蕊冁憨竖蔫珏臻塑薪蕤弱醛辩鬃坚搿 箨豁箱；巍糍戮殛姿碟嗜溢勰凄臻一漆濠淄：鲻蓉荔焉哕 南警鍪蓑雕鞋融蓉翔稻鳓麓击式粟煤j | j 1 ：斩蚕遂瞳终揩坩；裂 珏偻掣表塑军镥鞫萋剩燃l 蝰弱翻i 焉蕊盔鼎型丽嚣。谖凛 海臻漆辫澎肇溱滴绥誊淄滋爿巍溅灌溺礴墨瞧懑。 l 。苇萎蓊憋翮簪薹 刊f m 就悄奇幽一州槲帅哥斟勤并jf 测移r 甄型离瑟嗣 掣痞蕊磐燃搿滋黼嘤罐乏攀黩。霉萎黉j 婴链麓雪蛰警喾乳餮 筝土挚壁篆墼瑟鬟型孳$ 纛拦g 泰糟弱强烈懿跽璧簦。 l ：醚瓣强列翼鞭甜跪涮斟掣 昆鬈露；罢醑爨葡蒯铂蚓规秣掷酢稿期门i i j 堡荤硷镪 ；i ；二i ；i i ；j 篱醴臻霹瓣。i l l l 韩鞠瓣薹| = l i 簧菇惫囊 筹摆诺；i 女i 量奏豢；i i i 薹蠢誊葡美囊鬻；蠢耋霪薹霪薹霜 嚣燃趔噬毒凄璧潮露藩葺j 喜萋鬻。焉筮1 芝瀵鲋 枞蠢型盥篙睚馋；飘一薷浚强号簿霸囊瓣臻斟譬翁驱皱 太原理j 火学硕士研究生背乏位论文 括： 1 ) 煤岩体中魏损伤裂纹系统及其影响； 2 ) 煤岩豹物瑷力学性质及参数描述； 3 ) 爨爱蹶处工程缝臻力学玮凌瓣分褥。 2 、漾岩冲击酸薅过程力学露必努据e 主鬓整攥： 1 ) 冲壹皴赡模型的建立和分援； 2 ) 冲击破碎过程中压实核的形成机理、破坏过程及其作 埔分析； 3 ) 冲击破碎过程中冲击应力波的产生、传播及破坏作用 鲍分析； 3 、漂磐冲击破碎鹃数值摸孝彗。对实际工 擘羧况进行模拯， 分析煤体破碲过程中的应力分布规律及其与理论分析对比。 l ，3 。2 论文戆磅究方法 论文主骚对煤岩冲击破碎过程所产生的力举行为进行了 理论分析帮计算枫数毽模拟。本文主要采用了以下磅究方法； l j 评价破碎奔质。酸碎的对象为媒体，煤体褫为脆往材料， 它的抗冲击破碎强度、脆性强度、粉榨性能以及煤岩体的损伤裂 纹系统等因豢都决定着煤髂雏破碎效聚。骄以需簧对煤体本身潍 物理力学瞧旗加以详细的讨论。 2 、力学行为分析。主疆是利用连续介质力学和弹性动力学的 方法来分板漾老破碎过程中戆受力情墩。由于是搀煤岩番作各囱 同性均质材料，与实际条件不符合，而且煤在破碎之前已经不满 足弹性假设；但是可以通过力学分析获得煤岩破碎之前的应力状 悉，在冲击皴薅过程( 嚣从施力到玻秘豹全过程) 中发生了薅赎 i 5 太原理一f ：火学预士研究生学俄论文 力学现象，每种规象与力的关系，用以对破碲范围和程度做出一 些定性弱裁甑。 3 、计算机数值模拟。根据工作面煤岩冲击破碎过程的现实状 况，将煤岩看作理想简化的物理模型材料，建立计算机数学几何 摸璧，进葶亍骞隈元匏数篷模毅计算，分褥诗算结采。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章煤岩的性矮疆究 在现代采燃工艺当中，煤岩破碎过糨是最重要和最基本的过 纛，潆老酸碡过程中各静力誉行为翡磁究是为采漾梳猿豹设计和 参数的优化提供基本的理论依据。煤岩破碎过程是个复杂的多 因素共同作用的过程，不仪与采煤机本身的机构性能有关，而且 与所酸餮余震溱岩靛耪理力学往囊强及煤爱赋存条件譬诸多因素 有关。因此，对冲击破煤过程进行全面分析之前，酋先应该研究 煤岩的物质组成结构系统、物理力学性质、工程地质特征及煤层 所处主龟覆力学环境，这对挣毒破潆瑾论豹研究有着 # 常重要豹意 义。本章就从以下几个方面对煤岩的性腠进行综述。 2 。 媒岩体审的撰伤裂纹系统及彰晌 煤岩由有机物质和无机物质组成，属有机沉积糟类，有机物 溪主要有繇( e ) 、氢( ) 、氧( 0 ) 、氮( n ) 等露释元素，无税 质有磷( p ) 、硫( s ) 和锗( g e ) 、镓( g a ) 等稀有元素。在长期 复杂的地质史演变过程中，矿物成分随机组合及化学变质程度的 藏算决定了漾麓是一释嚣均覆各肉弄槛分震；无论驮宏蕊、缀麓、 或微观的角度来考察，煤岩中都存在着器种缺陷或裂纹如裂隙、 空漏、层理、节理，这些缺陷或裂纹无疑会对煤岩的劫、静态破 龋过程产生或多或少兹影镝。 1 7 太原理1 大学硕士研究生学谯靶毫 l 二；一j 峨旧矧鉴津毋翳麓黯蛰 马跬描坐捉缎稿褪始描为拍器醒钙辩辁芊罕薹噬弱j 开端世蔷 烈警妣掣 誊烈巍净蚤要鲣繇繁狻囊筝童鎏蔫懿笙委繇蠹慧；鬟 辇髯襞鬃磁管葬舞甜笮女疆； ；i 辉岩破碎模犁丽砩毵：蠹碡曜浅海潞鉴b 黼孤。龋稀宥篓 勰乳鬻嚣菇殍颡甄蓼一罾辍弦氮中；封掣二辫朔篓妥嚣照磷篓薏； 蠹喇鞠群骚是荔戮蹦喜裂鼍睡。；崧理 工大警矿韭 工程学院阳取珍教授为代表的学术带头人提出的一项新型采煤技 术，该技术一经提出，就得到了各级部门的高度夔视。“冲击破媒 枫瑾的研究”兔一应瑙基穑理论研究谍题，予l 9 5 年得到了整家 自然科学基金的资助，“冲击式采煤机的研究”为应用研究课题， 于1 9 9 j 年得到了煤炭工业部的重点资助。以暖取珍教授为代表的 项目负蠢人所组建的“ 串击破煤视疆磅究”谦舔组已经研究涮造 了用于研究冲击破碎的冲击实验裔，并于1 9 9 6 年完成了第台冲 击式采煤枫样机豹研铡开发工作，谯酱城矿务髑风擅出矿邀彳亍了 地面空载实验和井下工业性实验，取得了预期簸效果，积慕了丰 富的经黔。除此之外，目前在国内外，冲击破煤机理的研究几乎 没有人做避：这是一个全耨的、密挑战牲的漾趱，还有许多难题 有待攻克。 1 。3 论文的主要内容秘硒究方法 1 3 1 论义的主要内祷 论文豹主要志容育以下豆巾方嚣： 1 、煤的物理力学性质及煤层所处力学环境的简述。主要包 l 太原理1 大学硕士研究生学谯论文 2 1 1 煤岩的微结构特征分析 煤岩的微观结构状态决寇了煤岩的琢始损伤状态，也彩确着 在衙裁作用下这些原始损伤的演化发展方向与扩展分布范围。煤 岩的徽蕊结构具有以下特，证： 1 ) 由于媒崧在微观结构+ t 是由诸多矿物晶粒组成。煤的成岩 过程本身决定煤糟是一种非均质异性体，即使紧密结合与充填， 出会不霹程度魄存在各萃孛孔溆。2 ) 矿秘瑟粒所缝成致形态是子差 万剐的。晶粒的排列为不规则点状俸，有不同状态、不同粗细粒 度的条状体、有不规则的块状体，构成了定形状的矿物晶体。3 ) 这麓不同影态鲍矿物鑫髂在缀始形残过程中鳃物理纯攀疆素、逑 质作用过程、当时的外界条件下随机组合与连接，组合形态是千 奇酉态的。4 ) 矿物晶体之间广泛分布着微孔隙及微裂纹，其分却 在微鼹上无一定袈捧，毽然滚瑷统计上鬈，其徽孔骧形态主要毒 似翻状、条带状、片状和放射状班及它们的各种组合形态。 由于这些微孔隙的存在，必然削弱煤糟强度，矿物晶体的受 力笈杂，连结点瘦力集孛，鞭嚣在嘉霎载菇鬟交澎，易遮残局部玻 断。由于煤岩舆有上述微结构，因而煤糟在加载过程中其变形及 损伤破断过程就复杂得多，鼹著不同于众属类材料。 2 。1 2 煤岩体审损伤裂纹系统及影晌 煤岩体中存在着大量的贯通或不贯邋的、断续及连续的裂纹 或袈骧，这些袈绞静缀攘交爨，澎残了独特豹裂纹系统。漾砉终 中不同成因的裂纹及其几何结构形态对煤辫体的物理力学性质的 影响程度不同。地质工作者们按其成因、存在状态和分布情况， 1 8 太原理l ：大学硕士研究生学位论文 将煤卷体中的裂隙分为层理磺、内生裂隙、外生裂隙、次生裂隙 和孔隙等五种。由于无烟煤的孔隙率很小，对我们研究的问题影 响不大，因此这犀主凝分析前圆科t 。 1 ) 垂理面潆瘸予帮誊惩沉积岩，与大多数的就凌岩石一 样，菠中一定存在眈较镄莲静原生结构一层瑗蕊，媒岩体 中憋屡理嚣是在或燃过毯中影成鲶各琴孛煤岩成分瓣分赛秀。 屡理馘虽然没有直接使煤体颧裂开柬，却馒煤体沿屡理面方 向产生了一个弱丽，煤体受到载菰时，极霄可能沿这个弱蕊 断裂开来。由于不同的层理缀历了不同的沉积作用过程，有 时它们酶矿彩缀分也不尽鞠冠，蹬藤器屡理嚣间以及沿屡璞 和瓣直层理方向的物理力举特性会有所差别。已脊的力学性 质测定的统计资料表明：一般地，垂赢层理方向的抗压强度 要比平行星瑗方彝的撬压强度大终大1 0 1 0 0 ，最大可达 到2 0 0 ；平行层理方向上的抗拉强度要比垂直滕理方向的 抗于立强度约大2 0 1 0 0 ，最大可达到1 5 0 ；垂崴层理方向 静摭葵强度也簧篦乎嚣予蔟理方霆懿绞骜强度终大2 0 6 0 ，最大可达到1 0 0 。作为一个整体来考虑时，煤岩体较 为明显的表现为物理力学性质上的各向异性，从我们所要研 究豹冲击破碎润题寒考虑，潆壹囊爱与屡璎囊熬稳对方自熬 不嗣会有不同的破碎效果。因此这是一个需考虑重骚的因素。 2 ) 内生裂隙内生裂隙是在成煤过糨中，成煤物质( 特别是 基璇器霞 奉) 受蘩蘧轰遗浚灏压力戆影灞，落菝浚续产生戆内应 力而形成的裂隙。内生裂隙筒平坦而光滑，常呈不规则的龟板状裂 纹，也可环绕坚固的矿物颗粒四周生成裂纹，或局部有机物质被坚 磺鹃矿甥矮粒毯滔瑟潆体本巍毂缭生或裂绞。葸| l 冬来说，臻砉嚣孛 】9 太原理工大学硕士研究生学位论文 内生裂隙的发育程度随煤的变质程度呈有规律的变化。 3 ) 外生裂隙外生裂隙是煤层形成后受到一次或多次的 地壳构造应力作用而产生的裂隙，这种裂隙可产生于各种煤 岩成分或各种煤岩体中，外生裂隙常成组出现，方向性明显， 裂隙面较直，延伸较长，可切入各种煤岩成分。其中的节理 面是由于地壳的运动而在煤体内产生的一种外生裂隙面。节 理是煤岩体断裂的一种，一般不经过错动或很少错动，它使 煤岩体丧失连续性，强度降低，变形增大，具有明显的各向 异性。作者所试验研究的煤体内节理的发育及特点具体为： ( 1 ) 不论在层面上或在剖面上，节理都有正交的特性；( 2 ) 煤体多为不等厚的岩体，其内的节理，在剖面上多是不贯通 的；( 3 ) 节理发育具有等距性的特点，统计表明，节理间距 与煤层厚度之比介于l 2 5 之间。 4 ) 次生裂隙次生裂隙是由于采矿过程中围岩卸荷、巷 道掘进和开采过程中的机械力破坏作用造成。井下工作面的 煤体由于受巷道开挖和开采扰动的影响，在应力发生较大变 化的情况下，一般都要形成发育程度不同的裂隙面。它属于 次生结构面，且多数为张裂隙，结构面不平坦，产状不规则， 多为不连续，延展性不大。由于次生裂隙存在的普遍性，次 生朔罄冀麴尽虿贵堂步压缩才能使其迸秀乱琛碹。氍舞串勤 葭黝杌剐翻秦得骝骚器殁箍餐髯j 蓉蒴蓼硝越蕊围亳妻秸中 茸则蠢娃静g 黼攀；币幸覆低镰揠弱始 x 太原理： 大学硕士研究生学位论文 岩体的机械强度有不同程度地弱化，有利于煤块从煤体上破 落下来，同时也绘研究冲击破煤产生不确定性因素。 2 。2 煤岩的物理力学性质概述 2 2 1 煤岩体的变形、损伤断裂机制 煤岩体的冲击破碲过糨就是煤体变形破坏的过程，是敦 蠹都损穆麓生、扩疑帮汇合；童程，怒萁雨郝大量裂纹懿藏祓、 扩展延伸至最终贯穿而导致宏观力学性能劣化乃至失效破坏 豹道程。 l 、煤岩的压缩变形破坏过程1 从国内外采用刚性实验机对煤岩进行单轴和三轴试验得到的 煤岩应力一应变过程曲线来看。可以从煤岩全程曲线峰值后的特性 把煤岩分为两大类：i 类，即弹脆性型，其对应的应力一应变过程 曲线如图2 1 所示。在应力达到峰值后，尽管实验机对试件不做 功或做功很小( 所做功的数值应当为图2 一l 中的阴影部分的面积， 也就是材料的应变能，从与图2 _ 2 的比较中可以发现其面积较 小) ，但试件所储蓄的变形能足以使破裂继续扩展，并使试件迅速 失去承载能力。这类煤具有强烈的冲击倾向性，在我国只占很小 的比例。u 类，即弹塑性软化型，其对应的应力一应变过程曲线如 图2 2 所示，该类型的特点是当应力达到峰值后，试件所储蓄的 变形能不能使试件的破裂继续扩展，只有再进一步压缩才能使其 进一步破坏，虽然试件承载能力降低了，但仍保持部分强度。这 类煤岩所组成的煤层无冲击倾向性或冲击倾向性很低，我国多数 2 l 太囊群l 望蓦匍蠹州霭曩峥难懂强 耄瓢烈臻 警斧霖翱斟寥斜藏飘名浦湛磁 j j 溱韬。 ? 抵裂静h 簖甜冕坛籀黎穗翠襄铿瑟r 筝窭霹氍颦 墼鏊萎茎冀萎囊耋羹巷蓠竖辇錾；墓羹羹霎霪黎蛀基静黼两 孙疆弹盔甄籍始翟岱有i 纛群霉掰鬻霉寿薹癣；藕篓本，窭搦i 潮瑚嗽童巍i 悬题蓊翟；蠹裂翱裂蠹型整誓莹。型麓瑟萋嚣 壁巍器螫蛭疑鍪瑟山老醐醵 = ! i 爨萋器幕程一筒尊鞍饔弼并。擎 收菇臻谨繁赛黼砸；一嗣彩鹜爱增墨嵝岿弛塑i 彬世 孙照拱孺欢目羹眵，邈i 片瑁! 糕掣 | ! j 堕? 辨葑蛩i 彳雏由车囊 置积j 试验得到暇爆毒厚塑骘鎏城骄州睦移鞭鞭她酬舅j i ! i 莹露器醚驯酗蚶酯飘孔鲶? ! 理啊饕业基萍茁诉睁 趔型朝奶驰拍蛳e 郧8 j 疆蓬孽彰删：蹭犁型磐 掣里磊既 掣 l ! i 徉潍瓣铸驻地拦吣e z 砰然；瑞滑恢；圳故办 翱嬲直1 鲥￥执驯莹g ：纠懿， g ：洲州错鼎筵行埘晶羹酬酲讣伫鲁冀能做澎；蓁 圳型孺攀誊驯露弦譬到航钟雠酏鞭明琶纠明i 豁媸h 姬糖鹳 罄奠委影惫嘲戎鹣聂# 氯懿瓣窝蓉：睡氇罐瞒懈悄茬 渤攀习追氆一邕圣电华篮州黑终蔓涌引善箱焘伉；捞瓷再 蔫黼篇等铱，曲船斡酚戡篙掂：装衙淆氛鹭蛔。拍钳“雏掣! l 辱嘱渲剧渺；值后搿州橱? 羹爨福萌骊晡影的科韪辫始? 翘 鹄朔罄冀麴尽虿贵堂步压缩才能使其迸秀乱琛碹。氍舞串勤 葭黝杌剐翻秦得骝骚器殁箍餐髯j 蓉蒴蓼硝越蕊围亳妻秸中 茸则蠢娃静g 黼攀；l l 覆低镰揠弱始 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤层属这类，尤其是在三向压缩状态，一般具有弹塑软化性。 4 0 = 兰 b 蔷2 0 o 12 应变( 10 2 ) 图2 1i 类煤样应力一应变全程曲线 一 皇 一 b 长 q 应变( 10 2 ) 图2 2i i 类煤样应力一应变曲线 据图2 2 ，弹塑性软化型煤体的变形破坏过程可由a 、b 、 c 、d 点分为以下5 个阶段： 们 曲 太原理工大学硕士研究生学协论文 1 ) 压密阶段：原裂隙被压密，构线呈上凹状，变形模缀 随应力增大诼增大；如图2 2 中o a 段； 2 ) 线弹性阶段：煤体发生弹性变形，应力一应变呈线性关系； 如图2 2 中a b 段； 3 ) 局部破裂阶段：应力达到极限强度前夕，煤体开始发生破 裂，变形搂燮= 下降；达到极辍强度时突然产生大量纵向裂隙，如 图2 2 中b c 段； 4 ) 塑性软化阶段：承载能力随破裂发展而急剧下降，变形模 量为负值，如图2 2 中c d 段； 5 ) 残余应力阶段：煤体最终破坏后，由于侧向压力作用及煤 体内部摩擦，仍能使其保持一定的残余强度，如图2 2 中d 点以 后的曲线段。 根据已有的煤体实验，可以将煤体应力应变全程曲线简 化为理想弹塑性软化模型，把变形过程分为弹性变形、塑性 变形和流动三阶段，其软化程度用软化角日。和软化模量m 。 表示：m 。- 增? o 。一般煤体呈i i 类，o 。0o ；对于理想弹脆 性体( i 类) ，e 。= 9 0 。；对于理想弹塑性体，e 。= 0 。，这是 金属材料的特性，煤体不属于这种类型。煤体的变形破坏准 则为： 1 ) 煤体屈服时满足摩尔一库仑准则( 以主应力形式表示 的) ： ( 2 1 ) 式中，呦为极限强度，p a ：= i 誓五；c 为岩石材料的内聚 2 3 太原理二 ：大学硕j ：研究生学位论文 力，p a ：。，为最小主应力，p a ；妒为内摩擦角，度；t 。为将 一般的摩尔一库仑准则转化为主应力形式表示的摩尔一库仑准 则时所带的系数。 2 ) 在软化阶段，内聚力c 明显降低，妒值变化不大，煤 体强度为： 口d = 女p d3 + 口c m 【 e ， ( 2 2 ) 式中，为塑性应变量。 3 ) 在流动阶段，煤体强度降低到残余值 盯d ：七，盯3 + j ： ( 2 3 ) 式中，蠢为单轴压缩时的残余强度，p a 。 2 、煤岩体拉伸断裂机制”儿州 正是基于煤岩的抗拉强度远小于抗压强度及煤岩脆性随 翻载遮率增热麓提高鹣特点，我们提爨了律癸粒律酸攥辊理， 这就要求不仅疆搞清煤岩在静载下压剪变形破坏机理，更有 必要石弄究渫老在动、静载蓊俸稻下静挝律酸羧辍稍。澡岩懿 拉伸应力应变曲线包含有线弹性、非线性强化、。应变软化等阶 段，郢程辩载薷达蚕承簸极限之髓，爨瓣会发生定程菠静应力 强化，但当外加载荷达到承载极限之后，煤岩将发生应力突然急 副下降和应力软诧瑗象，漾岩酶承载能力隧变形的增加两躐小这 是准脆性材料的显著特点。图2 3 是准脆性煤岩在加载条件下得 蓟的典型豹拉 牵应力应交瑟线。 准脆性煤耢损伤的四个阶段： 1 ) 线弹饿阶段( o a ) 当教律应力a 。小予临界耘伟应力 a 。时，岩石内部没商损伤演化，所有微裂纹都只发生弹性 变形，不发生扩展。 2 4 太原理曩乐弘再街器妻若曩也m 聋臻鬯弦粥垡懦， 凋i j ：雌鄹事毒i 囊罐道娼 耄皇 孽囊馨耋 妻! 鍪露 j l 鼍蓑 嚣 囊葶毒羹 磊女t m p d 蕃营警委 i 而i u - j 耋餮霉 上i 3 i 重鋈f i i 6 塔j ： 謇 要蘸幕；二i g i ? 一i 一! ； ；j ! 一i ? ， ；l l = i ? 一j ji 、! 一f l j ? ；转；j ! i 。! 太原理：r 大学硕+ 研究生学位论文 裂纹只经历着弹性卸载，这意味着发生从连续损伤到损伤局 部化的过渡，材料的承载能力开始下降。 应力急剧下降阶段是由连续损伤和均匀应变向损伤局部 化和应变局部化过渡的宏观表现，其本质原因是微裂纹的二 次扩展，保持应变不变的条件下随着应力水平的下降，当微 裂纹体达到某一最低的能量状态时，微裂纹停止扩展，细观 结构达到暂时的稳定状态，对应于应力应变曲线中的c 点。 4 ) 应变软化阶段( cd ) 继续增大宏观应变时，己发生 二次扩展的部分微裂纹继续扩展，而其它的微裂纹继续发生 弹性卸载，即损伤和应变局部化进一步加剧j 随之应力水平 下降。因此，应变软化阶段是微裂纹损伤局部化的继续，也 是宏观裂纹萌生的开始。 从损伤力学的角度来看，准脆性煤岩变形的上述4 个阶 段分别对应于微裂纹的弹性变形、稳态扩展、失稳扩展和汇 合。 2 2 2 煤岩物邂力学憾质豹参数描述 融有统计资料表明，煤的容重为1 0 5 口1 8 9 c m 3 ，莫氏硬 度麓2 o 露4 o ，煤的琵踅和硬发取决予煤的矿秘戒分和交震程 度，以及煤中所含矿物杂质的成分和含量；由于煤糟微结构 的菲均质性，损伤裘 x 太原理：r 大学硕士研究生学位论文 6 0 1 0 0 咖的块煤从2 m 高处自由落下到舰定厚度的钢板上， 然焉缓大手2 i 黼兹块漾秀次藩下，螽戴狡醛三次，落酸磅后 大于2 5 衄的块煤占原煤样的质量百分数表示煤的抗碎强度 ( ) ，按下式计算： s s ( 1 。旦一。】o o ( 2 7 ) ”j 式中，s s 一煤的抗碎强度，：m 一落下试验后大于2 5i f i i n 块 煤的质量，k g ；m 一落下试验前块煤的总质量，蝇。 煤是结构不均匀且有裂纹和局部缺陷的块状多孔体，煤 体内还会有不同含量的矿物质，所以它的破碎过程受裂纹和 内部缺陷的大小、矿物含量的分布和多寡、以及多孔脆性材 料的抗断裂能力及孔结构分布的影响。因此在研究冲击破煤 之前把这些问题了解清楚是有必要的。 4 ) 煤岩的磨蚀性“” 煤岩的磨蚀性指的是煤岩对工具的的擦蚀和磨损。煤是 一种有机沉积岩，是在长期复杂的地质作用和化学变质作用 下而形成的物质，煤岩含有多种矿物晶体杂质，这些矿物晶 体杂质的性质、含量和分布影响了煤岩体对破碎机具的磨蚀。 煤岩是由许多不同硬度的组分组成，还会有不同硬度的杂质， 煤岩的硬度和矿物晶体杂质的硬度决定了煤对破碎机具的磨 蚀，如煤基质、方解石、云母和粘土等硬度( 莫氏硬度小于 4 ) 较小的矿物晶体对机具起着撩蚀作用，而石英和铁矿等硬 度( 莫氏硬度大于4 ) 较大的矿物晶体杂质对机具有磨损破 坏，后者也是煤岩磨蚀性主要方面。 研究冲击式采煤机械，弄清楚煤岩的磨蚀性，对我们减 少吨煤冲击截齿消耗量的有着重要的意义。所以冲击破煤本 2 8 太原理】：大学硕士研究生学位论文 身就是一个涉及多学科领域的谦题。冲击式采媒的研究涉及 到方方西砸的待解决的课题有很多。这也是冲蛊式采煤作为 新的破煤理论的个特点。 2 3 煤层所处的工程地质力学环境 地应力是引起井下采煤工作面围岩、煤体和顶板运动、 变形和破坏的根本作用力。与煤岩的物理力学性质等因素对 研究冲击破煤有重要作用一样，地应力作用也是一个重要的 影响因素。井下采煤工作面的煤层所处的工程地质力学环境 指的就是煤层受到地应力的作用。 地应力分为原始地应力和次生地应力两类。原始地应力 是存在于地层中未受到地下工程扰动的自然应力，它的形成 主要与地球的各种运动过程有关，比如地壳运动、地幔对流 热、地心引力和地球自转等，其中自重应力场和构造应力场 是地应力主要组成部分。井下开采会引起地应力重新分布， 原始地应力受到扰动，由此产生的新的应力场就是次生应力 场。 井下工作面煤层受力特征决定于煤岩的力学性质和煤层 所处的地应力场。井巷掘进和工作面破煤必然会引起煤层所 受原始地应力重新分布，形成次生应力场。图2 4 是采煤工 作面采场支承压力分布情况1 1 ”。 太原理一f ：大学硕士研究生学靛论文 第三章煤岩冲击破碎过程中力学行为的分析 煤岩冲击破碎过程指的是冲击截齿接触煤岩戗：开始到煤 块鼓滚壁酸落下袋整令过载，冲老式袋藻羲是这令过程稳瘸 而复始。显然，煤岩冲击破碎过程是冲击式采煤理论中最核 心的内容，对煤辫冲击破碎过程进行力学行为分析尤茭重要。 媒岩捧击酸磅过程懿力学行为分享厅静主要肉窑是：建立媒砉 冲击破碎过程力学模型；分析破碎过程中压实核的作用和冲 击应力波在煤体内作用过程及其影响范翻内应力应变趣律： 磷究媒岩俸悫帮损伤或裘淑麓结秘黯冷毒酸碡过程影鹃及其 产生的破碎效果。 3 1 煤岩冲击破碎模型 在冲击