掘進(jìn)機(jī)截齒破巖機(jī)理分析及截割試驗(yàn)研究

琚少杰

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城 048105）

1 引言

掘進(jìn)機(jī)截齒以一種螺旋線形式截割巖石，是掘進(jìn)機(jī)截割頭的重要構(gòu)件，截齒的截割效率、使用性能等決定了整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的性能。煤礦掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)作機(jī)能主要依靠單齒截割設(shè)備在各類試驗(yàn)中提取出來(lái)的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。截齒運(yùn)作的速度和使用時(shí)長(zhǎng)主要受參數(shù)選擇的影響，其余的影響因素主要還有煤層質(zhì)量、材料性能等。竹林山煤業(yè)巷道掘進(jìn)機(jī)是AS系列，該系列掘進(jìn)機(jī)截齒磨損情況如圖1所示。AS系列掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)不僅速度較慢，而且截齒嚴(yán)重破損，嚴(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)率。為了改變竹林山煤業(yè)掘進(jìn)機(jī)截齒損失嚴(yán)重問(wèn)題，本文分析煤礦井下掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)煤巖石的作用機(jī)理，采用材料為耐磨的截齒掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，查看該掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道后截齒磨損情況。通過(guò)掘進(jìn)機(jī)截齒破巖機(jī)理及截割試驗(yàn)研究，解決竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)截齒易損傷問(wèn)題。

圖1 AS系列掘進(jìn)機(jī)截齒磨損情況

2 掘進(jìn)機(jī)破巖機(jī)理

2.1 截齒截割巖石應(yīng)力分析

利用彈性力學(xué)知識(shí)，分析掘進(jìn)機(jī)在破巖時(shí)齒尖球面應(yīng)力情況[1]。掘進(jìn)機(jī)破巖截齒對(duì)巖石的施加力與巖石在截齒上的反向載荷是一對(duì)類反作用力，力的各分量中既有垂直載荷，也有水平方向的載荷力。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，掘進(jìn)機(jī)在破巖時(shí)截齒上的法向力大于切向力，但均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)向邊界力，為此，在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，可以忽略側(cè)向力。下面對(duì)截齒截割巖石受力計(jì)算、分析。

根據(jù)彈性力學(xué)、巖石力學(xué)、礦山壓力與巖層控制及壓頭靜力碎巖理論[1]，掘進(jìn)機(jī)的截齒截割巖石，巖石的面積較大，把截割接觸的巖石當(dāng)作是平面，截齒球面受力邊緣很小，而中心是其主要受力的點(diǎn)。那么巖石與掘進(jìn)機(jī)截齒接觸的球面齒尖半徑ra為：

式中：

ra-接觸面半徑，mm；

p1-壓頭泊松比，無(wú)量綱；

p2-巖石泊松比，無(wú)量綱；

E1-壓頭彈性模量，MPa；

E2-巖石彈性模量，MPa；

Rρ-球面曲率，mm-1；

F1-垂直載荷，kN。

截齒受巖石的最大壓應(yīng)力可以表示為：

式中：

σcmax-最大壓應(yīng)力，MPa。

掘進(jìn)機(jī)截齒與巖石的接觸邊界處，徑向最大拉應(yīng)力為：

式中：

σtmax-最大拉應(yīng)力，MPa。

在接觸面下方，會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力最大值：

式中：

τmax-最大剪應(yīng)力，MPa。

從上述公式中可看出，掘進(jìn)機(jī)截齒截割巖石，主要是齒尖對(duì)巖石產(chǎn)生拉、壓及剪切作用，當(dāng)巖石強(qiáng)度無(wú)法承受齒尖作用時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生破裂。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)一步的作用下，應(yīng)力不斷加大，拉壓剪切同時(shí)作用，致使巖石發(fā)生破損或者產(chǎn)生更大、更深的裂紋。

2.2 截齒破巖

采用躍進(jìn)式截割較為脆弱的巖石，截割力隨著截齒的深度增加而不斷變大，當(dāng)巖石無(wú)法承受截齒的切削作用力時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生斷裂或者崩落，此時(shí)截割力又瞬間降低。掘進(jìn)機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)截齒碰見穩(wěn)固巖石時(shí)，又開始加大作用力，在作用力加載下，巖石又會(huì)發(fā)生裂紋、破碎，整個(gè)過(guò)程往復(fù)循環(huán)，不斷向前破巖。圖2是掘進(jìn)機(jī)截齒截割巖石的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的法向應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力、切向力隨時(shí)間變化的分布情況。截齒在與巖石接觸初期，主要是壓入式破巖，在時(shí)間約為55ms后，主要是躍進(jìn)式破巖。

圖2 截齒破巖各載荷情況

3 截齒截割巖石損失分析

為了研究掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道時(shí)巖石對(duì)截齒的損傷，在旋轉(zhuǎn)截割裝置[2]上進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)截割巖石試驗(yàn)。掘進(jìn)機(jī)截齒在截割巖石時(shí)，由于沖擊載荷、摩擦等因素，截齒齒尖區(qū)域溫度會(huì)逐漸升高。在試驗(yàn)截割巖石過(guò)程中，截齒試驗(yàn)前后截齒質(zhì)量和高度的變化情況見表1。根據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，截齒前后質(zhì)量磨損量為2.1g，則截齒質(zhì)量損失率為0.01%；截齒在截割前后高度降低了1.31mm。截齒磨損前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前期截齒磨損較慢，磨損區(qū)域較小的主要是截齒有耐磨層的保護(hù)，但隨著截齒截割的進(jìn)行，耐磨層在逐漸脫落，進(jìn)而截齒磨損變大，磨損區(qū)域也在逐漸增大。

表1 截齒試驗(yàn)前后對(duì)比

對(duì)收集的受力數(shù)據(jù)整理分析，截齒截割巖石每截割兩刀，就對(duì)載荷分量的平均值做線性擬合，法向力、切向力和側(cè)向力擬合曲線如圖3所示。法向力對(duì)截齒磨損最為嚴(yán)重，其他兩分量對(duì)截割齒尖影響較小。

圖3 平均截割力隨截割次數(shù)變化情況

從截齒所受載荷各分量來(lái)看，截齒的平均法向力隨著進(jìn)刀次數(shù)的增加先是逐漸減小后又慢慢增大，平均側(cè)向載荷和切向載荷則是隨著截齒進(jìn)刀次數(shù)的增加而整體趨于平穩(wěn)狀態(tài)。從統(tǒng)計(jì)和圖3中可以看出在截齒進(jìn)刀35次前，截齒在截割巖石時(shí)齒尖磨損比較輕微，主要是切削深度對(duì)截齒截割影響，隨著截齒截割巖石深度的增加截齒所受法向載荷不斷減小；在截割次數(shù)超過(guò)35次以后，隨著進(jìn)刀次數(shù)的增加截齒所受法向載荷不斷增加，截齒磨損也會(huì)不斷變嚴(yán)重。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

若截齒是合金鋼材料，因合金鋼具有耐磨性差、硬度低等缺點(diǎn)，該截齒受高溫影響必然造成截齒加快損壞。根據(jù)礦井的實(shí)際運(yùn)用反饋[3]，截齒在截割巖石時(shí)，截齒表面的硬質(zhì)合金受溫度影響不斷脫落，進(jìn)而使得截齒失效損壞。為了避免這種失效，改善截齒使用性能和使用壽命，EBZ260W掘進(jìn)機(jī)采用堆焊工藝技術(shù)，截齒不僅采用性能優(yōu)良的合金鋼，而且還在截齒表面堆焊鎳基耐磨涂層，耐磨涂層能夠用起到對(duì)合金鋼截齒保護(hù)作用。

竹林山煤業(yè)采用了截齒表面堆焊鎳基耐磨涂層EBZ260W掘進(jìn)機(jī)，在該礦的全巖巷進(jìn)行了4個(gè)月的掘進(jìn)試驗(yàn)。掘進(jìn)巷道斷面為拱形，掘進(jìn)斷面積為10.2m2。巖層位于太原組，裂隙涌水量較小，處于單斜層狀構(gòu)造中，主要是粉砂巖、泥巖，局部夾有石英砂巖、黑色炭質(zhì)泥巖。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，巖樣平均單軸抗壓強(qiáng)度91MPa。在掘進(jìn)期間，每天記錄掘進(jìn)時(shí)間、掘進(jìn)進(jìn)尺、截齒損壞情況以及掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行情況等，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)掘進(jìn)進(jìn)尺與截齒消耗量的統(tǒng)計(jì)情況詳見表2所示。平均消耗截齒為0.07把/m3，AS系列掘進(jìn)機(jī)截齒消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)量。

EBZ260W掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)該巖巷時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)、分析了其累計(jì)掘進(jìn)進(jìn)尺與瞬時(shí)截割率關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)EBZ260W掘進(jìn)機(jī)的性能曲線如圖4所示，圖中A點(diǎn)為整個(gè)統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)最佳瞬時(shí)生產(chǎn)率。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，EBZ260W掘進(jìn)機(jī)截齒在采用堆焊工藝技術(shù)后，與竹林山煤業(yè)原先采用的AS系列掘進(jìn)機(jī)相比，該型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)可以顯著提高掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巖巷的瞬時(shí)掘進(jìn)率，截割頭強(qiáng)度高，破巖能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)的截齒布置合理，明顯降低了掘進(jìn)機(jī)的截齒損失。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)掘進(jìn)進(jìn)尺與截齒消耗統(tǒng)計(jì)表

圖4 掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)進(jìn)尺的瞬時(shí)截割率

5 結(jié) 論

針對(duì)竹林山煤業(yè)現(xiàn)今采用的AS系列的掘進(jìn)機(jī)截齒易被磨損，阻礙了掘進(jìn)效率，嚴(yán)重制約了竹林山煤業(yè)的發(fā)展問(wèn)題，論文主要從應(yīng)力分布、截齒碎巖過(guò)程分析了掘進(jìn)機(jī)的破巖機(jī)理及截齒被磨損原因、損失情況。為了提高掘進(jìn)率，改善掘進(jìn)機(jī)截齒損失，把礦井原有的AS系列的掘進(jìn)機(jī)更換成截齒具有堆焊技術(shù)的EBZ260W掘進(jìn)機(jī)，并把該掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)踐，得出了以下結(jié)論：

（1）掘進(jìn)機(jī)截齒在破巖過(guò)程中，主要是躍進(jìn)式破巖，截齒在破巖過(guò)程中會(huì)受到巖石對(duì)其的法向作用力、剪切作用力和側(cè)向力，其中法向作用力產(chǎn)生主導(dǎo)作用，截齒在破巖過(guò)程中，截齒質(zhì)量、高度會(huì)受到巖石阻礙作用造成損失。

（2）EBZ260W掘進(jìn)機(jī)截齒表面采用了堆焊鎳基耐磨涂層，工業(yè)性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該掘進(jìn)機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，顯著改善了截齒被磨損情況，提高了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。