鎬型截齒對含不同分布夾矸層煤巖的截割過程研究

， ，，

(1.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

綜合機械化采煤設備已普遍應用于不同厚度煤層的開采，而煤層中的夾矸層對于綜采設備，尤其是采煤機滾筒上的截割刀具具有較大威脅，夾矸層內的炭質砂巖以及硫化鐵結核，會導致鎬型截齒快速磨損，大幅增加其更換率[1-2]，進而影響采煤的效率與成本。據多年的研究和實際開采經驗，當夾矸層厚度不大，且不穩定時，一般采用直接機割的開采方式提高開采效率[3]。因此，采煤機鎬型截齒對含不同分布夾矸層煤巖的截割過程研究，對提高鎬型截齒的使用壽命、降低鎬型截齒損耗以及鎬型截齒的選型設計均具有重要意義。

關于鎬型截齒截割性能的研究，目前諸多學者已采用理論分析、試驗及模擬仿真的方法做了大量研究。Evans[4]基于拉碎理論，認為煤巖破碎是由鎬型截齒楔入煤巖時的拉應力超過煤的抗拉強度所造成，建立了鎬型截齒截割力模型。G?ktan等[5-6]對Evans截割力公式中，當鎬型截齒半錐角為0°時的截割力進行了修正。劉晉霞等[7]基于Evans理論及采煤機截割工況，提出一種鎬型截齒旋轉截割力模型，并計算了鎬型截齒幾何參數、安裝角以及截割參數對煤巖截割過程的影響情況。KANG等[8]研制了鎬型截齒直線截割模擬實驗臺，進行截割煤巖實驗，并在ANSYS中模擬實驗臺工作情況，模擬的鎬型截齒受力精確度達96.74%。MEZYK等[9]與ROJEK等[10]分別使用有限元法與離散元法研究鎬型截齒等厚度、旋轉截割煤巖條件下的截割力變化情況。張鑫等[11]分析單個截齒的受力模型，對鎬型截齒鉆進工況的載荷規律進行了模擬研究。LIU等[12]、ZHANG等[13]以及張艷林等[14]利用LS-DYNA分別針對鎬型截齒不同截割角和安裝角、不同煤巖硬度以及不同截割速度下的截割煤巖過程進行模擬研究。關于含夾矸層煤巖對鎬型截齒截割性能的影響研究并不多見，從有限的文獻來看[15-16]，該方面研究以試驗方法對鎬型截齒磨損失效及合金頭崩落情況為主，而關于鎬型截齒對含夾矸層煤巖截割過程的研究則未有報道。

本研究在分析采煤機鎬型截齒截割煤巖過程及旋轉截割力模型的基礎上，考慮夾矸層的分布特征，以含夾矸的薄煤層為例，假設夾矸層的厚度、層數、在煤巖中的位置等特征參數，建立含不同分布夾矸層的煤巖模型，并采用LS-DYNA軟件動態模擬鎬型截齒截割煤巖過程，對鎬型截齒截割含夾矸層煤巖過程中截割載荷的變化規律展開研究。

圖1 采煤機鎬型截齒截割煤巖示意圖Fig.1 Cutting coal diagram of conical pick

參數截割半徑R/m滾筒轉速ω/(rad·s-1)牽引速度v/(m·s-1)安裝角γ/(°)取值0.757.550.1345

1 鎬型截齒截割煤巖的過程

1.1 鎬型截齒截割煤巖過程分析及截割參數

采煤機截割煤巖過程中，鎬型截齒以安裝角γ安裝于滾筒上截割煤巖，如圖1所示，其中，R為截割半徑，鎬型截齒在采煤機牽引速度v以及滾筒旋轉角速度ω帶動下截割煤巖，O和O1點分別為鎬型截齒開始截入煤巖和截割煤巖結束時的滾筒軸心位置，1、2分別為截齒截割前后形成的截割長幅擺線式截割軌跡，兩軌跡所圍區域即為截割過程的截割厚度變化，hmax為截割過程中最大截割厚度。式(1)為鎬型截齒截割軌跡公式，其中，t∈(kT～kT+T/2)，T=2π/ω，k=0，1 …。采用的相關截割參數見表1[17]。

(1)

1.2 鎬型截齒旋轉截割煤巖的力學模型

采煤機鎬型截齒在截割煤巖時，形成旋轉截割工況，其截割力Z的形成與鎬型截齒的半錐角α、安裝角度γ、采煤機牽引速度v、滾筒轉速ω以及煤巖的抗拉強度σt、抗壓強度σy有關，其力學模型為[7]：

(2)

其中h為截割厚度。由式(2)可知在半錐角α、安裝角度γ一定的情況下，鎬型截齒截割力Z與截割煤巖的抗拉強度σt、截割厚度h呈二次函數關系，而與抗壓強度σy成反比關系。

在實際截割過程中，截割厚度h呈先增大后減小的變化趨勢，且在達到最大截割厚度hmax前后，截割厚度變化速度不一致。截割厚度h隨采煤機牽引速度v、滾筒旋轉角速度ω、截割半徑R以及截割時間t變化關系如式(3)所示。

(3)

其中，m為滾筒上同一截線的截齒數，此處研究單齒截割的情況，m=1。

2 鎬型截齒-含夾矸煤巖模型的建立

2.1 夾矸層在煤巖中的分布假設

較薄夾矸層在煤層中呈層狀不均勻的分布規律，層數不等，其夾層厚度在0～0.4 m之間。為分析不同分布、厚度的夾矸層對鎬型截齒破煤過程的影響，此處假設煤層厚度為1.5 m，且含有不同厚度、不同位置、不同層數的共7種夾矸層分布形式，如圖2所示。

圖2 煤巖夾矸層分布形式Fig.2 The distribution of coal seam with parting

圖3 鎬型截齒幾何結構Fig.3 The geometry structure of conical pick

2.2 鎬型截齒-煤巖模型的建立

2.2.1 鎬型截齒的幾何結構及參數

鎬型截齒主要由合金頭、齒身、齒柄三部分組成，其主要幾何參數有鎬型截齒長度L、齒尖夾角αjj(αjj=2α)等，如圖3所示，鎬型截齒模型的建立選用型號為JZA89/43-U170-H的鎬型截齒，其幾何參數見表2。

2.2.2 煤巖模型的幾何參數

為較真實地反映鎬型截齒與煤巖間的作用力，防止鎬型截齒與煤巖邊界在截割過程中受到過分擠壓，原則上煤巖應為無限大或鎬型截齒截割煤巖位置盡可能遠離邊界約束位置，此處建立煤巖模型時，將其厚度適當放大，取煤巖模型的長度a、厚度b與高度c分別為1.5、0.2與1.84 m，且截割表面由表1中的截割參數代入式(1)后，所得鎬型截齒截割軌跡來確定，進而創建此參數時的煤巖模型。

表2 鎬型截齒尺寸參數Tab. 2 The size parameter of conical pick

圖4 鎬型截齒-含夾矸煤巖模型Fig.4 The model of conical pick and coal seam with parting

參數夾矸煤巖密度/(g·cm-3)2.181.4體積模量/MPa3 560690剪切模量/MPa3 250650粘聚力/MPa5.83.07內摩擦角/(°)45.534.3抗拉強度/MPa0.60.27抗壓強度/MPa4.32.73

2.2.3 鎬型截齒-煤巖模型的構建

在Pro/E中分別建立鎬型截齒及煤巖的三維幾何模型，導入ANSYS后，對煤巖模型進行平面切割，分別獲得圖2中各夾矸層的煤巖中分布情況。分別采用自由網格劃分與映射網格劃分方法將鎬型截齒與煤巖、夾矸層劃分為四面體和六面體網格。為提高計算速度，應限制截割模型的總網格數量，將煤巖和夾矸層網格粗大化，但為避免模擬過程中出現刺穿現象，此處設置煤巖和夾矸層網格小于鎬型截齒網格，分別形成類似圖4所示的鎬型截齒-含夾矸煤巖模型。

2.3 材料模型及相關參數設定

鎬型截齒的材料設置為MAT-RIGID，材料的密度為7.8 g/cm3，彈性模量為2.70×105MPa，泊松比為0.3。由于夾矸與煤巖具有非均質特性，難以準確描述，選用適合于大應力、變形的MAT-JOHNSON-HOLMQOIST-CONCRETE模型模擬夾矸和煤巖，不同地區的夾矸與煤巖材料屬性大不相同，選用夾矸與煤巖材料屬性見表3[18-19]。

2.4 接觸模型及邊界的設定

鎬型截齒在截割含夾矸煤巖過程中，要截入煤巖和夾矸層表面，因此定義鎬型截齒和煤巖、夾矸層的接觸類型為面面接觸，定義鎬型截齒表面為Contact，煤巖和夾矸層表面定義為Target表面。

在煤巖的有限域表面施加無反射邊界條件來模擬煤巖的無限大空間，并分別對煤巖的底部、背面及頂部施加全約束，鎬型截齒保留繞滾筒軸心旋轉的自由度。

3 仿真求解與結果分析

3.1 仿真求解

根據煤巖與夾矸材料模型與參數，對LS-DYNA生成的K文件進行修改，再導入LS-DYNA軟件中，對鎬型截齒截割過程進行仿真求解。

在后處理器模塊LS-PREPOST中，整理鎬型截齒截割含各種夾矸層分布的煤巖，進行模擬仿真試驗，其截割力變化如圖5所示。圖5中各分圖分別與圖2中各分圖夾矸層分布形式相對應，其中實線與虛線分別表示截齒截割到煤巖與夾矸層時的截割力曲線變化情況。

3.2 結果分析

3.2.1 含夾矸層煤巖截割過程的總體分析

在圖5中，由于鎬型截齒在截割到煤巖和夾矸層的結合處時，齒尖開始截割夾矸層(或煤巖)，而齒體仍處于煤巖(或夾矸層)中，截割力曲線發生重合，實際的截割力應為兩部分疊加而成；又由于夾矸層的力學性質大于煤巖的力學性質，鎬型截齒截割夾矸層的截割力有大幅度增加；煤巖及夾矸均為各向異性，截割力在截割過程中表現出隨機性的不規則波動，總體趨勢隨截割厚度增加而增加。

將表1～3中相關參數代入式(2)與式(3)中，計算鎬型截齒截割圖2中不同夾矸層分布煤巖的截割力，平均值分別約為10 700、15 400、19 400、11 200、13 100、12 800和12 200 N，且截割煤巖部分截割力的數值范圍與文獻[7]的理論計算近似吻合，說明本研究所建立的鎬型截齒-煤巖模型可較為真實地反映煤巖的截割過程。

圖5 鎬型截齒截割含不同分布夾矸層煤巖的截割力曲線Fig.5 The force of picks during cutting different distribution of coal seam with parting

3.2.2 不同厚度夾矸層對鎬型截齒截割力的影響

圖5(a)～(c)分別為鎬型截齒截割煤巖中部位置處含有不同厚度夾矸層的截割力情況。由圖可知，截割力在截割夾矸層時均出現較大的隨機性波動，其波動幅值并不隨夾矸層厚度變化而明顯增大或減小。通過數值統計，整個截割過程中，圖5(a)～(c)的截割力平均值分別約為13 000、14 500、18 000 N與理論計算值10 700、15 400、19 400 N之間存在一定誤差但趨勢相同。由此可知，鎬型截齒平均截割力隨截割夾矸層的厚度增加而呈非線性增加。

3.2.3 不同位置夾矸層對鎬型截齒截割力的影響

圖5(b)、(d)、(e)為鎬型截齒截割煤巖不同位置處含有相同厚度夾矸層的截割力情況。同樣截齒截割力在截割夾矸層時出現較大隨機性波動，且其波動幅值不隨夾矸層位置的不同有明顯增大或減小。然而，夾矸層處于較高或較低位置時，其波動幅值局部會出現相對小的波動。統計圖5(b)、(d)、(e)整個截割過程截割力的平均值分別為12 500、14 500、13 500 N，理論計算截割力平均值分別為11 200、15 400、13 100 N，由此可知截割夾矸層的位置越靠近中部和底部，截割力越大，這是由于在截割過程中截割厚度h在靠近中部將達到最大值，而靠近底部相對較大而造成。

3.2.4 不同層數夾矸層對鎬型截齒截割力的影響

圖5(c)、(f)、(g)為鎬型截齒截割煤巖含總厚度一定，層數和所處位置不同的夾矸層的截割力情況，可以看出截齒截割力的變化與夾矸層厚度及所處位置均有較大關系。經統計，整個截割過程中截割力的平均值分別約為18 000、14 000、13 000 N，理論計算截割力平均值分別約為19 400、12 800、12 200 N，可知當夾矸層總厚度相同，層數越多、越分散時，鎬型截齒所受到的截割力越小。

4 結論

通過對采煤機鎬型截齒截割煤巖過程及旋轉截割力學模型分析的基礎上，假設含夾矸層煤巖分布情況，建立了能夠較為真實的反映鎬型截齒截割過程的鎬型截齒-含夾矸煤巖模型，并對夾矸層、煤巖、鎬型截齒材料以及基礎模型、邊界條件進行合理設定，利用LS-DYNA軟件對鎬型截齒截割含夾矸層煤巖進行模擬計算，統計模擬截割力結果與理論計算相比較。得出以下主要結論：

1) 對于含夾矸層煤巖，其夾矸層厚度、位置、層數對鎬型截齒截割力均有較大影響，并在整個截割過程呈現出一定規律：夾矸層厚度越大，截齒截割力越大；夾矸層總厚度一定的情況下，分布越分散，截齒截割力越小；夾矸層分布位置越靠近截割煤巖中部與底部，截齒截割力越大，且這些規律均為非線性變化。

2) 鎬型截齒截割力在截割夾矸層時將出現更大的隨機性波動，其波動幅值并不隨夾矸層厚度、位置與層數變化而明顯增大或減小；然而，夾矸層處于較高或較低位置時，其波動幅值局部會出現相對小的波動。