采煤機截齒截割角度不同對煤巖破碎率的影響分析

賀 龍，李治毅

（晉能控股煤業集團北辛窯礦，山西 忻州 036700）

引言

采煤機作為綜合機械化采煤的關鍵設備，其截割性能對于采煤作業的效率具有直接的影響。滾筒式采煤機具有功率大、產量高的優點，是廣泛使用的采煤機類型[1]。在滾筒式采煤機作業的過程中，截割部是進行煤巖截割作業的機構，截齒作為直接的接觸零件，其工作環境惡劣，截齒與煤巖接觸時的楔入截割角度的不同，對于煤巖造成的破壞作用不同，從而影響到采煤作業的破碎率不同。基于離散元分析的方式，對不同楔入截割角度的截齒工作過程進行模擬，探尋截割角度對破碎率的影響規律，從而選擇最優的截割角度參數，提高采煤機的作業效率[2]。

1 截齒不同截割角度截割模型的建立

在截齒進行煤巖截割的過程中，楔入截割角度的不同影響到截割阻力的不同。截齒不同的楔入截割角如圖1所示，在楔入截割角為0°時（圖1-1），截齒的齒尖可以較為容易地切入煤巖，但在實際應用中，這種方式會造成截齒與煤巖的劇烈摩擦，截齒的磨損劇烈，煤層受到較大的拉伸及剪切作用，產生較大的粉塵。此時產生較大的截割阻力，截割比能耗增加。為了減小截齒的磨損，常采用楔入截割角β>截齒半錐角α的設計（圖1-2），此時進行截割作業時，截齒通過擠壓形成煤巖的裂紋，通過剪切及拉伸作用對煤巖造成破壞，減小了截割阻力及截割比能耗。當楔入截割角β>90°-α時（圖1-3），此時截齒與煤巖的作用力指向巖層內部，造成截割阻力、粉塵量較大。在使用過程中，應盡量在圖1-2的范圍內，選擇最優的角度進行截割作業[3]。

圖1 不同的楔入截割角截割作業示意圖

采用離散元分析的方式對截齒截割的過程進行模擬，煤巖作為非均質材料，破煤的過程作為動態破裂過程，采用離散元法進行分析，不僅可以計算彈性連續階段的變形，還能計算破裂過程中的不連續階段，適用于對煤巖的破裂進行分析。采用三維建模軟件建立煤巖的模型尺寸為50 cm×30 cm×50 cm（長×寬×高），設定模型的半徑為0.5 mm。同時，采用ANSYS建立截齒模型，對煤巖的破碎進行分析，不分析截齒的受力及變形問題，對截齒的結構進行簡化處理，并進行網格劃分處理。采用的截齒半錐角為40°，選定截齒的楔入截割角為0°~50°六種角度均布，設定截割頭的轉速為60 r/min，由此對不同的截齒楔入截割角破碎率進行分析[4]。

2 截齒不同截割角度下煤巖破碎率的模擬分析

對不同楔入截割角時的煤巖的破碎率進行分析，設定分析步為1 000步，當楔入截割角為40°時的模擬過程如圖2所示，對煤巖破碎的體積進行統計，在煤巖截割過程中的破碎率變化如下頁圖3所示。

圖2 截齒進行煤巖截割的過程模擬

圖3 截齒楔入截割角為40°時的破碎率變化曲線

分別對六種不同截齒楔入截割角時的截割過程進行模擬，統計各角度下的最大破碎率及平均破碎率的變化，得到如圖4所示的不同截齒楔入截割角破碎率的變化圖。從圖4中可以看出，在截齒楔入截割角為0°時的破碎率最高，此時煤巖是理想的應力狀態，截齒的受力均勻，保持較好的自銳性[5]。在實際的應用中，截齒楔入截割角不能為0°，當截齒楔入截割角度變化時，如圖4中所示，截齒楔入截割角為10°時，煤巖的破碎率顯著下降，然后隨著截齒楔入截割角度的增加，破碎率呈現緩慢上升的趨勢，在達到半錐角40°時，破碎率達到最大值。這是由于當截齒楔入截割角度小于截齒半錐角時，截齒受到的壓應力在錐體上呈橢圓形的分布趨勢，此時截齒進行截割受到的截割阻力較大，煤巖的脫落概率小。當截齒楔入截割角等于半錐角時，破碎率達到最大值，此時截齒對煤巖的作用力指向煤巖的自由面，通過擠壓作用使得煤巖的內部形成裂紋，通過剪切和拉伸應力的作用，造成煤巖的脫落，此時的截割阻力和截割比能耗較小，形成的塊煤率高[6]。當截齒楔入截割角繼續增加時，則破碎率開始減小，此時截齒齒身與煤巖的接觸面較大，相互干涉，形成摩擦作用，對煤巖的作用力越過自有表面指向煤巖的內部，此時的擠壓作用強烈，沒有有效的拉伸及剪切作用，使得煤巖的破碎率減小，并且此時的截割阻力及截割比能耗較大，并形成較大的粉塵量，不利于煤炭的開采。

圖4 不同截齒楔入截割角時的破碎率變化

3 結論

當截齒楔入截割角等于半錐角的角度時，此時的破碎率最高，當截齒楔入截割角小于半錐角的角度時，破碎率較低，此時提高截齒楔入角度能提高煤巖的破碎率，當截齒楔入截割角大于半錐角的角度時，破碎率較低，此時不利于截割過程的進行。因此，在進行截齒的截割角度選擇時，應盡量讓截齒楔入角度等于截齒的半錐角，從而提高煤巖的破碎率及塊煤率，提高截齒截割的效率。