采掘机械学习实用课件

,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章,煤岩破碎理论,采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。,煤岩破碎理论,是研究机械破落煤岩过程中，刀具与煤、岩体相互作用的有关能量转换、破碎机理和受力分析等问题的一门学科。研究煤岩破碎理论，对设计、制造和使用采掘机械起着理论指导作用。,第一节 煤岩的物理机械性质,煤岩是非均质、非连续和各向异性的脆性物质，赋存地下的煤岩体内部还受地应力的作用。,第二章 煤岩破碎理论 采掘机械的工作对象是煤和,1,一、煤岩的物理性质,密度、孔隙度、含水量、松散性、稳定性、导电性、传热性等，与采掘机械的工作密切相关的性质有：,第一节,煤岩的物理机械性质,1,密度,单位体积煤岩在干燥状态下的质量。,在,1.3,1.45t/m,3,变化，计算时取,1.35 t/m,3,。,2,湿度,煤岩的湿度用其含水率表示。含水率指在煤岩的缝隙中存留的水的质量与煤岩固体质量之比。,含水率高的煤岩体，结构被弱化，强度明显降低。开采时功率消耗会明显降低，粉尘也将减少。但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。,一、煤岩的物理性质第一节 煤岩的物理机械性质,2,第一节,煤岩的物理机械性质,3,松散性,煤岩被破碎后其容积增大的性能。,破碎后与破碎前煤岩的容积之比,松散比,(,或松散系数,),。,4,稳定性,煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。,二、煤岩的机械性质,煤岩体受到机械施加的外力时所表现的性质。,在破碎煤岩时，借助于煤岩的机械性质选择对煤岩体作用力的形式、破岩工具的种类和形状。,煤岩的机械性质主要包括弹性、塑性、脆性、强度、硬度、坚固性、截割阻抗、磨砺性等。,第一节 煤岩的物理机械性质 3松散性4稳定性,3,第一节,煤岩的物理机械性质,1.,强度,煤岩体在一定条件下受外力作用开始破坏时所具有的极限应力值。,y,：,j,：,l,=1,：,(0.1,0.4),：,(0.03,0.1),在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗。,层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；沿垂直层理方向的强度要高于平行层理方向的强度。,煤岩为非均质材料，各向异性，抗压、抗剪和抗拉强度关系：,第一节 煤岩的物理机械性质1.强度 y：j,4,第一节,煤岩的物理机械性质,2.,硬度,煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。,反映煤岩体在较小的局部面积上抵抗外力作用而不被破坏的能力，大小取决于煤岩体的结构、组成颗粒的硬度、形状和排列方式等。,硬度越大，截割、钻凿越困难。,3,接触强度,按实验测压头上的载荷值与压头下表面积之比计算,p,k,岩石接触强度，,MPa,；,P,i,岩石材料脆性破坏瞬间的压头载荷，,N,；,n,压头下压次数；,S,压头下表面积，,mm,2,。,第一节 煤岩的物理机械性质2.硬度3接触强度,5,第一节,煤岩的物理机械性质,接触强度在掘进机设计与使用中经常遇到。,前苏联根据接触强度值的大小，岩石分六类：松软，次中等坚固，中等坚固，坚固，很坚固和极坚固。,4,弹性、塑性与脆性,弹性、塑性与脆性反映煤岩受外力作用与其变形之间关系的性质。,弹性：,所受外力撤消后煤岩恢复原来形状的性能。破碎弹性较高的煤岩，消耗的能量较多，且由于弹性变形，破碎也比较困难。,塑性：,所受外力消失后煤岩不能恢复原来形状的性能。破碎塑性高的煤岩，消耗的能量较多。,脆性：,煤岩破碎时不带残余变形的性能。脆性高的煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。,第一节 煤岩的物理机械性质 接触强度在掘进机设计,6,第一节,煤岩的物理机械性质,5,坚固性,表示煤岩破碎难易程度的综合指标，是煤岩体抵抗拉压、剪切、弯曲和热力等作用的综合表现。,坚固性系数,(,普氏系数,),表示煤岩的坚固性大小。,捣碎法测量坚固性系数,根据煤岩的极限抗压强度,(,MPa,),近似确定,f,4,为煤，,f,=4,8,为中等坚固岩石，,f,8,为坚固岩石。,煤分三级，软煤,f,3,。,第一节 煤岩的物理机械性质5坚固性坚固性系数(普氏系,7,在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗。,表征煤岩磨砺性参数：,脆性高的煤岩，容易破碎，消耗的能量也较小。,单位体积煤岩在干燥状态下的质量。,第二节 煤岩破碎理论,煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力磨砺性(研磨性)。,第三节 截割刀具,二、煤岩的机械性质,采掘机械应用于截割煤岩的刀具截齿。,N1和N 2-作用在两侧面上的法向力；,粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；,用于评价截割时煤层的可破碎性。,齿头和齿柄。,层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；,一、煤岩的物理性质,用于评价截割时煤层的可破碎性。,第三节 截割刀具,煤岩暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。,切削深度：截齿截割煤岩体的深度,煤岩的磨励性与其石英含量、石英核直径和抗拉强度有关。,第一节,煤岩的物理机械性质,6,截割阻抗,截割阻抗比普氏系数更能确切地反映煤的可截割性能，作为采掘机械设计和选型的主要技术参数。,截割阻抗：,单位截割深度作用于刀具上的截割阻力，,A,(kN/m),表示。,1,，,9-,立柱；,2-,刀杆；,3-,卡紧器；,4-,刀具；,5-,测力传感器；,6-,记录仪；,7-,电动机；,8-,绞车,-,刀具截割阻力平均值，,kN,h-,截割深度，,m,在设计采煤机械时，应尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和,8,第一节,煤岩的物理机械性质,为得到工作面的,A,值，在工作面接近顶板、底板、截高中间处，以及沿煤层倾斜方向不同部位进行多次测量，取其平均值作为该工作面的,A,值。,煤层按截割阻抗分：,A,180kN/m,的煤为软煤，适合用各种刨煤机特别是脆性煤层适于刨煤机；,A,=180,240kN/m,的煤为中硬煤，其中韧性煤适合用采煤机，脆性煤适于滑行刨煤机；,A,=240,360kN/m,的煤为硬煤，韧性煤须用大功率采煤机，脆性煤可用滑行刨煤机。,截割阻抗与坚固性系数关系：,A,=150,f,统计资料，也存在,A,=100,f,第一节 煤岩的物理机械性质 为得到工作面的A值，,9,第一节,煤岩的物理机械性质,7,磨砺性,刀具在截割过程中接触煤岩而被磨损，引起截割阻力和生产费用增加，使采掘机械工作性能和开机率降低。,煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力,磨砺性,(,研磨性,),。,煤岩的磨励性与其石英含量、石英核直径和抗拉强度有关。,表征煤岩磨砺性参数：,磨蚀系数,磨砺性指标,第一节 煤岩的物理机械性质7磨砺性表征煤岩磨砺性参数,10,第一节,煤岩的物理机械性质,8,破碎特性指数,在碎煤总量中块度分布服从统计分布规律,W,直径不超过,d,(mm),的碎煤占试样总量的百分比；,由截割方法和参数决定的破碎程度参数；,m,破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为,0.4,1.3,，与截割工况无关。,破碎特性指数是确定脆性程度指数的基础，也用于煤层煤尘生成能力的分级。,第一节 煤岩的物理机械性质8破碎特性指数在碎煤总量中,11,第一节,煤岩的物理机械性质,10,截割可碎性指标,用于评价截割时煤层的可破碎性。,kWhcm/m,3,指标与截割的工况和参数无关，仅取决于煤层的截割阻抗和脆性，综合反映煤层在稳定的工况参数下破碎的可能性。,按照截割可碎性指标，原苏联将煤层分七类，极软,0,4,，软,4.1,9,，中硬,9.1,16,，超中硬,16.1,25,，硬,25.1,36,，极硬,36.1,49,，特硬,49,。,9,脆性程度指数,:,第一节 煤岩的物理机械性质10截割可碎性指标用于评价,12,第二节,煤岩破碎理论,钻孔爆破：,机械破碎：,滚筒采煤机、刨煤机、掘进机等都是用刀具采用切削方法截割破碎煤岩。,切削破岩；冲击破岩,。,一、切削破岩机理,楔裂说、剪裂说、密实核说、断裂力学说和剪切变形说等。,1,楔裂说,英国学者埃文斯提出。,澳大利亚学者洛克包洛夫通过实验证实，楔裂说适用于切削砂岩、石灰岩和硬石膏的过程。,第二节 煤岩破碎理论 钻孔爆破：一、切削破岩机理,13,第二节,煤岩破碎理论,2,剪裂说,日本学者西松裕一建立的切削破岩模型，认为岩石的切削破落遵守库仑,莫尔准则。,3,密实核说,拉伸和剪切联合作用的切削破煤,(,岩,),机理学说，以俄罗斯别隆为代表。,第二节 煤岩破碎理论2剪裂说3密实核说,14,第二节,煤岩破碎理论,二、冲击破岩机理,凿岩机活塞往复运动产生冲击力，使钎头侵入岩体，形成破碎坑，又由于钎头的转动，使破碎坑扩展成孔眼，并逐渐形成一定深度的钻孔。,第二节 煤岩破碎理论二、冲击破岩机理 凿岩,15,第二节,煤岩破碎理论,岩体脆性破碎形成破碎坑,步骤：,压碎钎头前岩石上的小突起，形成压痕；,岩体产生弹性变形并产生径向主裂纹；,钎头前的岩石被压碎，形成粉碎体；,粉碎体挤压周围岩体，使裂纹沿着剪切应力或拉伸应力的迹线延伸扩展到岩体自由面，崩落大的碎片；,重复循环上述过程，最终形成破碎坑。,第二节 煤岩破碎理论岩体脆性破碎形成破碎坑步骤：,16,第二节,煤岩破碎理论,载荷与钎头侵入岩体深度关系曲线：,钎头凿岩的过程一般是,脆性破碎,。,AB,段形成粉碎体。在,B,点出现脆性崩裂，在,BC,段因崩出碎块而粉碎体缩小，载荷随着降低。,CD,段和,EF,段重复,AB,段的情况，在,DE,段和,FG,段重复,BC,段的情况，直至在,FG,段形成破碎坑。,某些条件下，凿岩过程中岩石呈,塑性破碎,。在,AB,段形成粉碎体，在,BC,段粉碎体破裂，在,CD,段卸载形成破碎坑。整个过程比较平缓。,第二节 煤岩破碎理论 载荷与钎头侵入岩体深度关系曲线：,17,第三节,截割刀具,第三节 截割刀具,18,第三节,截割刀具,刀具截割破碎煤岩。,采掘机械应用于截割煤岩的刀具,截齿。,截齿的结构型式和几何参数要适应煤岩机械性质和截割机构的形式。,截齿应具有足够的强度和耐磨性，且固定简单可靠，以减少更换截齿的时间。截齿是易损件，应便于批量生产，便于修磨复用，以减少生产费用。截齿参予截割的部分几何形状要兼顾强度、耐磨性和比能耗的要求。,截齿组成：,齿体和硬质合金头。,齿头和齿柄。,第三节 截割刀具刀具截割破碎煤岩。采,19,第三节,截割刀具,齿体：,截齿不包含硬质合金头的母体部分。,齿头：,截齿头部伸出齿座的部分，顶部焊接,(,或镶嵌,),硬质合金头。,齿柄：,截齿可装入齿座的部分，形状有长方体、圆柱体。,按截齿齿头几何形状分,扁形截齿,和,锥形截齿,。,第三节 截割刀具 齿体：截齿不包含硬质合金头的母,20,截齿是用来截割煤体的刀具，其几何形状和质量直接影响采煤机的工况、能耗、生产率和吨煤成本。,经验证明，改进截齿结构，适当加大截齿长度，增大切削深度，可以提高煤的块度，降低煤尘。,按截齿安装方式分,径向截齿,和,切向截齿,。,第三节,截割刀具,截齿是用来截割煤体的刀具，其几何形状和质量直,21,侧向力 X=(0.,第三节 截割刀具,第一节 煤岩的物理机械性质,截齿组成：齿体和硬质合金头。,按截齿齿头几何形状分扁形截齿和锥形截齿。,扁形截齿齿柄在齿座内不能回转。,煤层按截割阻抗分：,层理和节理发育的煤岩体，其强度要低于层理和节理不发育的煤岩体；,采掘机械的工作对象是煤和岩石，工作机构破碎煤岩矿体是采掘机械最主要的功能。,S压头下表面积，mm2。,但巷道围岩易产生变形，巷道维护的难度增加。,切向截齿刀身轴线位于齿头阻力R作用方向的变化范围minmax齿柄弯矩比径向截齿小，不易折断。,m破碎特性指数，对于具体煤层为常数，一般为0.,根据煤岩的极限抗压强度(MPa)近似确定,第一节 煤岩的物理机械性质,切向截齿齿头形状有扁形和锥形,煤岩抵抗尖锐工具侵入的性能。,一、煤岩的物理性质,f90,o,时越显得急烈：齿头向下的挤压作用增强，破碎的煤岩块难以排出。,截角大，刀头强度高：采煤机截齿,=70,