掘進機截齒截割煤巖破壞過程模擬分析

魏生喜

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

引言

在進行煤炭開采的過程中，懸臂式掘進機成為主要的開采設備，可以進行煤巖巷道的快速掘進，具有較好的機動性和靈活性[1]。在掘進機進行煤巖截割的過程中，針對截割過程進行研究，不僅可以分析不同煤巖構造對掘進機的載荷作用，還可以進行截齒參數及截割運動參數的優化，實現掘進機高效快速的掘進，提高礦井開采的效率[2]。

1 截齒截割離散元模型的建立

離散元法是采用分子動力學原理進行數值分析的方法，是進行復雜機械系統分析的有力工具，針對巖石等非連續介質的力學行為進行分析。在煤礦開采中，煤巖的破碎過程是掘進機設計和優化的基礎，煤巖的破碎不僅與煤巖的物理性質有關，且與掘進機的結構特性及運動參數相關[3]。對掘進機的截割過程進行模擬，針對煤巖及截割頭進行物理模型的建立。

煤巖的動態破壞過程主要是煤巖顆粒的接觸及從巖體上脫落，顆粒之間的作用力通過相互接觸來傳遞，基于煤巖內部的離散性，建立煤巖提的簡化模型。將煤巖的模型看作具有一定形狀和質量的顆粒集合體，其力學性質為各向同性材料，顆粒間可以相對運動，接觸特性為軟接觸，在任意時刻煤巖顆粒的作用力與自身及相接觸的顆粒有關。采用重力沉積法生成煤巖顆粒樣本，煤巖顆粒的大小服從正態分布，建立煤巖的離散元模型[4]。

依據實際使用的截割頭的屬性進行截割頭離散元模型的建立，在建模時，進行一定的模型簡化，以縱軸掘進機為載體進行研究，考慮進行靜態截割的過程。截割頭進行煤巖截割的過程是動態的三維過程，將其進行二維平面的轉化，選取截割頭平均直徑的剖面作為目標平面進行截割頭的二維離散元模型，此時的平均直徑決定了掘進機的生產率及截割能力，建立噴嘴截割頭的離散元模型如圖1所示[5]，由此進行截割過程的模擬分析。在模擬過程中，設定截割頭的運動參數如下：轉速為30～100 r/min；橫切速度為0.8～3 m/min；切屑厚度為10～100 mm；由此進行截割煤巖動態過程的仿真分析。

圖1 截割頭的離散元模型

2 截割煤巖截割過程的仿真分析

采用離散元法對截割過程進行仿真分析，建立截割頭的分析模型，根據離散元法進行掘進機工作截割頭與煤巖顆粒之間及煤巖顆粒相互之間的作用力、速度及位置進行動態的模擬仿真，依據不同的接觸模型計算煤巖顆粒的受力及運動情況，分析結果通過圖形的方式進行輸出，依據動態的結果顯示，直觀地觀測截割過程中的煤巖顆粒的變化情況及斷裂破碎過程，從而判斷截割方案的合理性。

依據所使用的掘進機截齒截割模型，對煤巖動態的速度變化進行仿真，得到截齒截割角度為45°時的截齒前端的速度變化圖形，選取借此截割的局部圖形如下頁圖2—圖4所示，其中，煤巖顆粒的速度矢量采用帶有箭頭的直線段來表示，箭頭的方向表示了速度的方向，直線段長度表示速度的大小值。

圖2 時間步為5 000時的速度場的分布狀態圖

圖3 時間步為20 000時的速度場的分布狀態圖

圖4 時間步為40 000時的速度場的分布狀態圖

從圖2—圖4的變化中可以看出，在進行截割的過程中，隨著時間步的變化，截齒前端的速度場區域范圍比較小，但其增加的速度較快，大部分煤巖顆粒的速度具有向上的趨勢，且自身的速度較大，剩余少部分煤巖顆粒的速度呈現向前的趨勢同時具有較小的速度值；在截齒截割擠壓的作用下，部分煤巖顆粒沿著截齒的前后方向向上增加，存在少部分的擾動煤巖顆粒沿著下層煤巖產生滑移作用，隨著截割過程的進行，煤巖的裂縫沿著初始的裂隙方向進行逐漸的擴展[6]。

從圖4中可以看出，隨著截割作用將部分煤體從煤巖中剝離，其落在截齒的前方位置處且呈現向下的速度，由此可知，煤巖崩落的軌跡呈拋物線形狀，與實際的煤巖運動相符。通過對截齒截割煤巖速度場的分布狀態可知，截齒對煤巖的擾動作用主要是由截割作用造成的，截齒與煤巖的接觸發生在較小的范圍內，對煤巖的擾動區域較小；煤巖在未積滿截齒的前端之前，其主要作用是進行鏟切煤巖，使得煤巖顆粒沿著截齒面逐漸向上；另有產生的煤巖顆粒從截齒的前端面排出，使得煤巖的破碎范圍不斷增加，從而與煤巖體產生分離，形成煤巖的剝落。

3 結論

針對截齒截割的破壞過程進行離散元仿真分析，建立煤巖及截割頭的離散元模型，從煤巖的動態破壞速度進行分析，結果表明，在進行截割的過程中，煤巖顆粒的速度范圍較小，具有較高的增加速度，在初始階段，主要是截齒對煤巖體產生鏟切作用，使得煤巖顆粒沿著截齒面產生向上的運動趨勢，且沿著截齒的前端面排出，產生煤體的破碎，形成截煤過程。在掘進機進行截割的過程中，依據煤巖的性質確定合適的截齒截割的參數，從而可以優化截割過程，提高掘進的效率。