高壓水射流輔助掘進機截齒截割實驗研究

李 烈，江紅祥

（1.東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189；2.中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州 221000）

1 引言

煤炭在我國的能源結構中占有重要地位[1]，煤炭的開采和供應關系到我國制造業的發展，影響著我國能源安全。掘進機作為煤礦巷道掘進的主要設備，對煤炭開采效率有重要影響[2]。現有的掘進機單純依靠截齒截割，截割力大、噪音大、粉塵多、截齒磨損快、易產生火花，既不利于安全生產也不利于提高掘進效率。采用水射流輔助截割技術，能在一定程度上緩解甚至解決上述問題。高壓水射流能輔助截齒破碎硬巖、提高截齒截割能力、避免截齒和煤巖干摩擦、降低粉塵并能消除火花，是提高掘進機截割效率的有效手段。文獻[3]指出高壓水射流輔助掘進機截割硬巖是快速掘進的發展趨勢。文獻[4]設計了一種旋轉磨料水射流截齒，噴嘴和截齒設計為一體式結構，并通過Fluent 軟件進行了流場分析，驗證了所設計截齒的可行性。文獻[5-7]對高壓水射流的掘進機水系統進行了設計，繪制了水路控制圖，指出高壓水射流輔助截割的設計重點在于機械結構設計、旋轉密封設計和噴嘴設計。文獻[8-9]研究了鎬形截齒和煤巖的作用機理，對水射流輔助截齒截割進行了有限元仿真，指出了水射流輔助截割的可行性。目前，關于高壓水射流輔助截割的研究主要集中在截齒和射流的配置方式上，且多為定性研究和仿真研究，缺少定量的實驗研究，將高壓水射流技術應用到掘進機上，對高壓水射流輔助掘進機截齒截割進行實驗研究。

2 實驗臺搭建

2.1 平臺搭建

建立高壓水射流輔助截齒截割實驗平臺，如圖1 所示。截割動力由平臺尾部的液壓油缸提供，平臺底部設有夾緊油缸，可以對巖樣進行固定，位移傳感器可以檢測截齒位移，利用位移傳感器的數據可以對截齒截割行程進行控制，液壓缸尾部裝有壓力傳感器，可以檢測截割力。

圖1 高壓水射流輔助截齒截割實驗平臺Fig.1 Test Bed of Pick Cutting with High Pressure Water Jet

2.2 截齒設計

考慮到截割頭上安裝空間的限制，選取前置式、后置式和中心式射流配合截齒截割，根據相關學者研究[10-11]，選取截齒截割角為45°可以起到最佳的輔助截割效果，為了使截齒均勻磨損，截齒均帶有自旋轉設計，對于中心式射流，需要加裝旋轉密封件。設計的三種截齒三維圖，如圖2 所示。

圖2 不同水射流配置方式的掘進機截齒Fig.2 Picks with Different Jet Configurations

2.3 巖樣配置

配置巖樣的材料為：水泥、沙子和石膏（體積比2：6：1），外觀尺寸長600mm 寬400mm 高160mm。為了得到巖樣的力學性能，在巖樣上鉆取高徑比為2:1，直徑為50mm 的圓柱體巖樣，如圖3所示。在壓力機上進行壓縮實驗，得到巖樣的力學特性，如表1 所示。

圖3 單軸抗壓實驗Fig.3 Uniaxial Compressive Experiment

表1 巖樣參數Tab.1 Parameters of Rock Sample

3 截割實驗與分析

作為對比依據，如圖4 所示。先在無水射流輔助工況下進行截割實驗，截割深度為10mm，測得的截割力曲線，如圖5 所示。

圖4 無水射流輔助破巖實驗Fig.4 Rock Breaking Experiment without Water Jet

圖5 無水射流輔助截齒截割力Fig.5 Cutting Force of Pick without Water Jet

可見，截割力整體比較穩定，但在微觀上呈現出無規律的波動現象[12]，這是因為截割過程伴隨著不同塊度的巖樣剝落，塊度的不可預測性導致了這種波動現象。值得注意的是，雖然每個時刻的截割力無法精準預測，但可以通過一段時間截割力的平均值反應水射流的輔助效果，并可以通過求取截割力方差研究截齒載荷的波動情況。通過計算得到無水射流輔助工況下截割力均值為4051N，方差為5713N2。針對三種不同截齒，在水壓分別為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa 的情況下進行水射流輔助截齒截割實驗，前置式、后置式和中心式截齒的截割力曲線，如圖6～圖8 所示。

圖6 水射流前置式截齒截割力Fig.6 Cutting Force of Pick with Front Water Jet

圖7 水射流后置式截齒截割力Fig.7 Cutting Force of Pick with Rear Water Jet

圖8 水射流中心式截齒截割力Fig.8 Cutting Force of Pick with Inter Water Jet

對三種截齒的截割力均值和方差進行統計，如表2 所示。進一步繪制截割力減少率和方差隨水壓的變化曲線，如圖9、圖10 所示。可以看出，隨著水壓上升，三種工況下的截割力減少率都呈增大趨勢，但這種增大趨勢在低壓區并不明顯，水壓低于25MPa 時，相比于無水射流了工況，截割力減少率普遍低于5%，當水壓達到一定程度后，輔助截割效果才得到充分發揮，這說明高壓水的輔助截割存在閾值壓力，閾值壓力值約為煤巖抗壓強度的（2～3）倍。值得注意的是，對于前置式水射流截齒，在低壓區，甚至出現了截割力增大的現象，這是因為，當水壓較低時，射流的沖擊能不足以破壞煤巖，反而會在截齒前方形成壓力水層，壓力水層阻礙了截齒前方煤巖的剝落，導致截割力上升。

表2 三種射流配置方式下的實驗數據統計值Tab.2 Experiment Data under the Three Water Jet Configurations

圖9 截齒截割力減少率Fig.9 Cutting Force Reduction Rate

圖10 截齒截割力方差Fig.10 Cutting Force Variance

水射流壓力超過閾值壓力后，水射流輔助破巖效果得到明顯提升，尤其對于前置式和中心式射流，隨著水壓的上升，截割力減少率明顯上升，當水壓為40MPa 時，前置式和中心式射流可以使截齒截割力分別下降10.97%、13.67%。而對于后置式射流，輔助破巖效果差于前置式和中心式射流，這是因為，截齒后方安裝空間有限，后置式噴嘴靶距較大，射流沖擊能衰減較多，另外沖擊點距離截齒齒尖距離大，而截割產生的裂紋主要位于截齒前段，后置射流無法直接沖擊裂紋，因此無法達到理想的輔助破巖效果。

從截割力方差變化中可以看到，加入射流以后，截齒的載荷波動情況均有一定改善，其中，前置式截齒載荷波動降低最為明顯。與截割力減少率規律類似，當水壓超過一定閾值后，載荷波動降低速度加快，進一步驗證了輔助破巖效果存在閾值壓力的結論。

實驗過程中，有幾點現象值得說明：

（1）對于中心式截齒，在實驗過程中旋轉密封件容易失效，尤其當水壓超過20MPa 時，密封件很快失效漏水，因而在應用上，需要重點關注中心式截齒旋轉密封的可靠性設計。

（2）由于中心式截齒直接在截齒內部開孔，削弱了截齒的尺尖強度，三種截齒中，中心式截齒尺尖磨損情況最為嚴重，而且中心式截齒的加工成本最高，一旦磨損后，更換成本比較高。

（3）雖然后置式射流輔助破巖效果差于前置式和中心式，但后置射流方向落煤少，射流不受阻擋，截割完成后對截槽的破壞效果好，前置射流和后置射流對截槽的破壞情況，如圖11、圖12所示。容易看出，后置式射流形成的截槽更為破碎，破碎的煤巖可為后面截齒截割提供便利。

圖11 前置式射流形成的截槽Fig.11 Kerf Formed by Front Water Jet

圖12 后置式射流形成的截槽Fig.12 Kerf Formed by Rear Water Jet

4 結論

高壓水射流輔助掘進機截齒破巖存在閾值壓力，約為煤巖抗壓強度的（2～3）倍，當水壓低于閾值壓力時，高壓水輔助破巖效果并不明顯，當水壓超過閾值壓力后，截割力減少率和載荷波動均有明顯改善。對于前置式水射流截齒，在低壓區，會出現截割力增大的現象，在使用時需注意壓力選擇。

從輔助當前截齒來看，中心式射流輔助效果最好，但中心式射流截齒結構復雜，旋轉密封裝置容易失效，截齒容易磨損，截齒更換成本高，對于推廣應用，仍有許多技術問題需要解決。后置式噴嘴靶距較大，射流沖擊能衰減多，沖擊點距離截齒齒尖距離大，無法直接沖擊裂紋，無法達到理想的輔助破巖效果。

后置式射流雖然對于當前截齒的輔助效果不好，但對截槽破壞效果好，破碎的煤巖為后面截齒進一步截割提供了便利，后期應該進一步研究不同破碎程度的截槽對后一截齒截割力的影響規律。