采掘机械第篇章

采掘机械第篇章第1页，共41页，2023年，2月20日，星期四第二章煤岩破碎理论

采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。

煤岩破碎理论是研究机械破落煤岩过程中，刀具与煤、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题的一门学科。研究煤岩破碎理论，对设计、制造和使用采掘机械起着理论指导作用。第一节煤岩的物理机械性质

煤岩是非均质、非连续和各向异性的脆性物质，赋存地下的煤岩体内部还受地应力的作用。第2页，共41页，2023年，2月20日，星期四

一、煤岩的物理性质密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：第一节煤岩的物理机械性质

1．密度单位体积煤岩在干燥状态下的质量。在1.3～1.45t/m3变化，计算时取1.35t/m3。

2．湿度煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。第3页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质

3．松散性煤岩被破碎后其容积增大的性能。破碎后与破碎前煤岩的容积之比——松散比(或松散系数)。4．稳定性煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。

二、煤岩的机械性质煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。第4页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质1.强度煤岩体在一定条件下受外力作用开始破坏时所具有的极限应力值。

y：

j

：

l=1：(0.1～0.4)：(0.03～0.1)

在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗。层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；沿垂直层理方向的强度要高于平行层理方向的强度。煤岩为非均质材料，各向异性，抗压、抗剪和抗拉强度关系：第5页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质2.硬度煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。反映煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的硬度、形状和排列方式等。硬度越大，截割、钻凿越困难。3．接触强度按实验测压头上的载荷值与压头下表面积之比计算

pk岩石接触强度，MPa；Pi岩石材料脆性破坏瞬间的压头载荷，N；n压头下压次数；S压头下表面积，mm2。第6页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质

接触强度在掘进机设计与使用中经常遇到。前苏联根据接触强度值的大小，岩石分六类：松软，次中等坚固，中等坚固，坚固，很坚固和极坚固。4．弹性、塑性与脆性弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之间关系的性质。

弹性：所受外力撤消后煤岩恢复原来形状的性能。破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变形，破碎也比较困难。

塑性：所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。

脆性：煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。第7页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质5．坚固性表示煤岩破碎难易程度的综合指标，是煤岩体抵抗拉压、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。坚固性系数(普氏系数)表示煤岩的坚固性大小。①捣碎法测量坚固性系数②根据煤岩的极限抗压强度(MPa)近似确定

f<4为煤，f=4～8为中等坚固岩石，f≥8为坚固岩石。煤分三级，软煤f<1.5，中硬煤f=1.5～3，硬煤f>3。第8页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质6．截割阻抗

截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。

截割阻抗：单位截割深度作用于刀具上的截割阻力，A(kN/m)表示。1，9-立柱；2-刀杆；3-卡紧器；4-刀具；5-测力传感器；6-记录仪；7-电动机；8-绞车Ż-刀具截割阻力平均值，kNh-截割深度，m第9页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质

为得到工作面的A值，在工作面接近顶板、底板、截高中间处，以及沿煤层倾斜方向不同部位进行多次测量，取其平均值作为该工作面的A值。

煤层按截割阻抗分：

A≤180kN/m的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是脆性煤层适于刨煤机；

A=180～240kN/m的煤为中硬煤，其中韧性煤适合用采煤机，脆性煤适于滑行刨煤机；

A=240～360kN/m的煤为硬煤，韧性煤须用大功率采煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。截割阻抗与坚固性系数关系：A=150f

统计资料，也存在A=100f第10页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质7．磨砺性刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损，引起截割阻力和生产费用增加，使采掘机械工作性能和开机率降低。煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力——磨砺性(研磨性)。煤岩的磨励性与其石英含量、石英核直径和抗拉强度有关。表征煤岩磨砺性参数：①磨蚀系数ω

②磨砺性指标α

第11页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质8．破碎特性指数在碎煤总量中块度分布服从统计分布规律W——直径不超过d(mm)的碎煤占试样总量的百分比；λ——由截割方法和参数决定的破碎程度参数；m——破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为0.4～1.3，与截割工况无关。

破碎特性指数是确定脆性程度指数的基础，也用于煤层煤尘生成能力的分级。第12页，共41页，2023年，2月20日，星期四第一节煤岩的物理机械性质10．截割可碎性指标用于评价截割时煤层的可破碎性。

kW·h·cm/m3

指标与截割的工况和参数无关，仅取决于煤层的截割阻抗和脆性，综合反映煤层在稳定的工况参数下破碎的可能性。按照截割可碎性指标，原苏联将煤层分七类，极软0～4，软4.1～9，中硬9.1～16，超中硬16.1～25，硬25.1～36，极硬36.1～49，特硬>49。9．脆性程度指数:第13页，共41页，2023年，2月20日，星期四第二节煤岩破碎理论

钻孔爆破：机械破碎：滚筒采煤机、刨煤机、掘进机等都是用刀具采用切削方法截割破碎煤岩。

切削破岩；冲击破岩。一、切削破岩机理

楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说和剪切变形说等。1．楔裂说英国学者埃文斯提出。

澳大利亚学者洛克包洛夫通过实验证实，楔裂说适用于切削砂岩、石灰岩和硬石膏的过程。第14页，共41页，2023年，2月20日，星期四第二节煤岩破碎理论2．剪裂说日本学者西松裕一建立的切削破岩模型，认为岩石的切削破落遵守库仑—莫尔准则。3．密实核说

拉伸和剪切联合作用的切削破煤(岩)机理学说，以俄罗斯别隆为代表。第15页，共41页，2023年，2月20日，星期四第二节煤岩破碎理论二、冲击破岩机理

凿岩机活塞往复运动产生冲击力，使钎头侵入岩体，形成破碎坑，又由于钎头的转动，使破碎坑扩展成孔眼，并逐渐形成一定深度的钻孔。第16页，共41页，2023年，2月20日，星期四第二节煤岩破碎理论岩体脆性破碎形成破碎坑步骤：①压碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕；②岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；③钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体；④粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；⑤重复循环上述过程，最终形成破碎坑。第17页，共41页，2023年，2月20日，星期四第二节煤岩破碎理论

载荷与钎头侵入岩体深度关系曲线：钎头凿岩的过程一般是脆性破碎。AB段形成粉碎体。在B点出现脆性崩裂，在BC段因崩出碎块而粉碎体缩小，载荷随着降低。CD段和EF段重复AB段的情况，在DE段和FG段重复BC段的情况，直至在FG段形成破碎坑。某些条件下，凿岩过程中岩石呈塑性破碎。在AB段形成粉碎体，在BC段粉碎体破裂，在CD段卸载形成破碎坑。整个过程比较平缓。第18页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具第19页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具刀具截割破碎煤岩。

采掘机械应用于截割煤岩的刀具——截齿。截齿的结构型式和几何参数要适应煤岩机械性质和截割机构的形式。截齿应具有足够的强度和耐磨性，且固定简单可靠，以减少更换截齿的时间。截齿是易损件，应便于批量生产，便于修磨复用，以减少生产费用。截齿参予截割的部分几何形状要兼顾强度、耐磨性和比能耗的要求。截齿组成：齿体和硬质合金头。齿头和齿柄。第20页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具

齿体：截齿不包含硬质合金头的母体部分。齿头：截齿头部伸出齿座的部分，顶部焊接(或镶嵌)硬质合金头。齿柄：截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。第21页，共41页，2023年，2月20日，星期四

截齿是用来截割煤体的刀具，其几何形状和质量直接影响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增大切削深度，可以提高煤的块度，降低煤尘。按截齿安装方式分径向截齿和切向截齿。第三节截割刀具第22页，共41页，2023年，2月20日，星期四

径向截齿齿体轴线基本通过掘进机截割头横截面的中心或沿采煤机滚筒径向安装；

切向截齿以齿体轴线与采煤机滚筒或掘进机截割头横截面的圆周切线成锐角安装。第三节截割刀具第23页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具

截齿齿柄固定在齿座中。常用30～35CrMnSi、30～35SiMnV或40Cr优质合金钢制造，并经调质。齿头接触煤岩体，为提高耐磨性，镶嵌硬质合金片或核。适用于截割中硬和硬煤岩的截齿，硬质合金片或核用YG8或YG8C制作；适用于截割含坚硬夹杂物的煤层的截齿，宜用YG11C或YG13C(钨，钴，钴含量，粗粒度)。第24页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具径向截齿几何参数：

径向截齿齿头由前面K、后面L、两个侧面M和截割刃N等构成。截齿以截割速度v和牵引速度vq截割出平面BB。前角β后角γ尖角α截角δ侧后角ε侧面夹角φ第25页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具

截割阻力Z随截角δ增大的趋势，在δ>90o时越显得急烈：齿头向下的挤压作用增强，破碎的煤岩块难以排出。截角大，刀头强度高：采煤机截齿δ=70o～75o，采含坚硬夹石层的煤层的截齿δ≈90o，截割硬岩的截齿δ>90o。零前角正前角负前角截角δ（o）对截割阻力Z的影响对截齿载荷和截割比能耗影响较大参数：

截角δ

、后角γ

、截刃宽度b第26页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具

后角γ对截割阻力Z和牵引阻力Y的影响：仅在小于10o时显著表现出来。后角小，截齿后面与煤岩体的接触面积大，后面上的摩擦力大，截割和牵引阻力同步增大——后角γ和侧后角ε小于10o不合理。为提高刀头强度，可适当小一些。第27页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具截刃宽度b对截割阻力和截割比能耗的影响规律：不论截割深度大小，随截刃宽度增大，截割阻力不断增大，截割比能耗先下降到最低值，再升至稳定值。与截割比能耗最低值对应的截刃宽度约为20～30mm截刃宽度b对截割阻力和截割比能耗HW的影响第28页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具

截齿径向外伸长度：对径向截齿来说是从截刃到齿座顶面的距离；对于切向截齿，必须考虑相对于滚筒径向的安装角度。截齿径向外伸长度限制了可能达到的最大截割深度。齿柄矩形截面的宽高比约为0.5～0.7，以保证抗纵向弯曲的截面模量足够大。截割岩石的截齿，除采用较大截角和整个前面覆盖硬质合金片外，齿柄常为圆形截面。第29页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具

切向截齿齿头形状有扁形和锥形

扁形截齿齿柄在齿座内不能回转。锥形截齿在截割过程中可在齿座内回转，自动磨锐齿尖。

切向截齿刀身轴线位于齿头阻力R作用方向的变化范围λmin～λmax→齿柄弯矩比径向截齿小，不易折断。

切向截齿工作时的截角较小，有利于降低比能耗，且形状简单，便于制作。但齿柄和齿座的长度限制截齿安装得较稀，且只能装在滚筒轴线的垂直平面内，而不宜装在滚筒端盘上。第30页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具滚压盘刀全断面掘进机对称型滚压盘刀采煤机非对称型滚压盘刀

第31页，共41页，2023年，2月20日，星期四第三节截割刀具

非对称型滚压盘刀装在滚筒螺旋叶片外缘。轴线垂直滚筒半径而平行滚筒轴线时，主要靠碾压和楔劈作用碎落煤，目前较多采用。轴线接近平行滚筒半径而垂直滚筒轴线时，主要作用是截割，适用于较软的煤层。处于两者中间状况时，兼有截割、碾压和楔劈作用。第32页，共41页，2023年，2月20日，星期四第四节截齿的截割阻力

第33页，共41页，2023年，2月20日，星期四截齿三向阻力变化曲线：截割阻力Z、推进阻力Y、侧向力X

第四节截齿的截割阻力

试验研究表明，靠近切削刃处的作用力最大，远离切削刃处将按双曲线规律急剧衰减——在实际计算中用集中力代替测出的分布力，然后沿坐标轴进行分解。第34页，共41页，2023年，2月20日，星期四第四节截齿的截割阻力

μN-作用在前刃面上的摩擦力；R-N和μN的合力；Y1-作用在后刃面上的法向力(近似沿Y轴的分力)；μY1-作用在后刃面上的摩擦力；N1和N

2-作用在两侧面上的法向力；X1，X2和Y’1，Y’2-N1和N

2沿X轴和Y轴的分力；μ(N1+N

2)-两侧面的摩擦力；γ-截齿的前角；θ-截齿前刃面与煤的摩擦角；v-截割速度；vq-推进速度(牵引速度)vq第35页，共41页，2023年，2月20日，星期四第四节截齿的截割阻力

Z，Y，Y/Z，Hw和h关系曲线

截割阻力平均值

Z=AhN推进阻力Y=aZ

a—极脆煤0.5，脆性煤0.6，韧性煤0.7

侧向力

X=(0