截齒間距對掘進機破巖效果的影響分析

葉海濤

（晉能控股煤業集團云岡礦，山西 大同 037017）

引言

在掘進過程中，掘進機是重要的破巖掘進設備，掘進機的截齒直接作用于巖層上，對于巖層的破碎起到截割作用[1]。截齒間距是截齒重要的參數，不同的截齒間距具有不同的巖層破碎效果，合理選擇不同的截齒間距參數，對于截齒的壽命、截割載荷及截割比能耗等至關重要[2]。通過離散元仿真分析的方式，對不同截齒間距時的截割效果進行分析，從而探討截齒間距變化時對截割性能的影響規律，為截齒間距的合理選擇提供依據。

1 不同截齒間距截齒截割模型的建立

截齒作用于煤巖的過程，相當于對煤巖進行切割作業，截齒間距的合理選擇對于破巖效果具有重要的影響。截齒截割過程的受力如圖1 所示，截齒的受力與切削深度d 有重要的關系，因此截齒間距s的選擇與切削深度d 不可分割，采用兩者之間的比值s/d 作為影響參數進行分析[3]。

采用PFC3D 離散元分析的方式對不同的截齒間距作用進行分析，PFC3D 是研究顆粒與顆粒間接觸的軟件，可以模擬顆粒之間的運動及相互作用，適用于對煤巖的破碎過程進行分析。建立截齒截割的巖層模型，設定模型的大小為40 mm×120 mm×180 mm，巖層顆粒與截齒的作用模型如圖2 所示。設定分析過程中的切削深度d 為4 mm，截齒間距s為6～30 mm 等不同的取值，兩者之間的比值s/d 為1.5～7.5 之間，對不同的截齒間距作用進行模擬[4]。截割比能耗表示進行單位體積的巖石截割所消耗的能量，常與巖石的性質、旋轉速度及刀具的形狀有關，是確定掘進機截割效率的重要參數。在進行模擬的過程中，對作用于截齒上的作用力進行記錄，并對發生破碎的顆粒進行追蹤，獲得截割完成后的總的破碎顆粒體積，從而可以作為破碎的巖層的總體積[5]。

圖2 不同截齒間距作用的巖層截割模型

2 不同截齒間距截齒截割破巖效果的分析

截齒間距對破巖效果具有重要的影響，依據不同的截齒間距采用三維離散元分析的形式記錄產生的破碎顆粒的體積與受到的作用力數據，從而可以計算得到截割過程中的截割比能耗[6]。依據截割過程中得到的破碎顆粒的體積即可得到相應的巖層質量，在截割距離變化的過程中，得到的不同截齒間距下的巖層斷裂顆粒的質量變化如下頁圖3 所示。從圖3 中可以看出，在截齒間距為6 mm 時，此時產生的斷裂顆粒的質量最小，在截齒間距為20 mm、25 mm 時，此時產生的斷裂顆粒的質量最大，在截齒間距在16～25 mm 之間變化的過程中，斷裂顆粒的質量增加的加速度較快，而在截齒間距為30 mm 及6～10 mm 之間變化時，斷裂顆粒的質量增加的加速度較慢。由此可知，在選定的切削深度為4 mm 時，截齒間距的最優選擇范圍是16～25 mm，此時截割斷裂顆粒的質量最大且增加的速度較大，此時的截齒間距與切削深度的比值為4～6.25 之間。

圖3 不同截齒間距下斷裂顆粒質量的變化曲線

依據模擬過程中得到的切削力數據，可以得到不同截齒間距時的截割比能耗的變化，如圖4 所示為截割比能耗隨截齒間距與切削深度比值（s/d）的變化曲線。從圖4 中可以看出，截割比能耗曲線呈現拋物線的形式。在截齒間距與切削深度比值（s/d）變化的過程中，截割比能耗首先呈下降的趨勢，在比值為4～6 之間時達到最小值，隨著比值的繼續增加，則截割比能耗也呈上升的趨勢。這與圖3 中所得到的斷裂顆粒的質量變化結果是一致的，表明最佳的截齒間距與切削深度比值（s/d）為4～6 之間。

圖4 截割比能耗隨截齒間距與切削深度比值的變化曲線

采用PFC3D 離散元分析的方式對不同截齒間距的截割效果進行分析，設定的巖層的顆粒模型具有均勻性及各向同性，所獲得模擬結果較為清晰。對于均勻性和各向同性的巖層，可以準確地進行截齒間距的模擬，從而選擇合理的參數。在實際的煤礦開采掘進中，巖層的分布具有一定的復雜性，且不同巖層的性質各不相同，對于截齒間距的合理選擇要結合實際的巖層條件進行綜合分析，從而選擇最優的截割條件，提高掘進效率。

3 結論

選擇不同的截齒間距與切削深度比值采用PFC3D 離散元仿真的方式對截割效果進行分析。結果表明，在截齒間距與切削深度比值為4～6.25 之間時，得到的巖層斷裂顆粒的質量最大且此時增加的速度較大，比值為4～6 之間時，得到的截割比能耗最低，說明此時具有較好的掘進效果，具有較高的掘進效率。在進行煤巖實際的截割過程中，由于巖層分布的復雜性及巖層性質的不同，對于截齒間距的選擇要綜合考慮巖層的分布及切削厚度的選取，從而選擇最優的截齒間距參數，提高煤礦的掘進效率。