采掘機械第篇章第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第二章煤巖破碎理論

采掘機械的工作對象是煤和巖石，工作機構(gòu)破碎煤巖礦體是采掘機械最主要的功能。

煤巖破碎理論是研究機械破落煤巖過程中，刀具與煤、巖體相互作用的有關(guān)能量轉(zhuǎn)換、破碎機理和受力分析等問題的一門學(xué)科。研究煤巖破碎理論，對設(shè)計、制造和使用采掘機械起著理論指導(dǎo)作用。第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)

煤巖是非均質(zhì)、非連續(xù)和各向異性的脆性物質(zhì)，賦存地下的煤巖體內(nèi)部還受地應(yīng)力的作用。第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

一、煤巖的物理性質(zhì)密度、孔隙度、含水量、松散性、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性、傳熱性等，與采掘機械的工作密切相關(guān)的性質(zhì)有：第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)

1．密度單位體積煤巖在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量。在1.3～1.45t/m3變化，計算時取1.35t/m3。

2．濕度煤巖的濕度用其含水率表示。含水率指在煤巖的縫隙中存留的水的質(zhì)量與煤巖固體質(zhì)量之比。含水率高的煤巖體，結(jié)構(gòu)被弱化，強度明顯降低。開采時功率消耗會明顯降低，粉塵也將減少。但巷道圍巖易產(chǎn)生變形，巷道維護的難度增加。第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)

3．松散性煤巖被破碎后其容積增大的性能。破碎后與破碎前煤巖的容積之比——松散比(或松散系數(shù))。4．穩(wěn)定性煤巖暴露出自由面以后，不致塌陷的性能。

二、煤巖的機械性質(zhì)煤巖體受到機械施加的外力時所表現(xiàn)的性質(zhì)。在破碎煤巖時，借助于煤巖的機械性質(zhì)選擇對煤巖體作用力的形式、破巖工具的種類和形狀。煤巖的機械性質(zhì)主要包括彈性、塑性、脆性、強度、硬度、堅固性、截割阻抗、磨礪性等。第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)1.強度煤巖體在一定條件下受外力作用開始破壞時所具有的極限應(yīng)力值。

y：

j

：

l=1：(0.1～0.4)：(0.03～0.1)

在設(shè)計采煤機械時，應(yīng)盡量利用拉伸或剪切破壞，以減少刀具受力和能耗。層理和節(jié)理發(fā)育的煤巖體，其強度要低于層理和節(jié)理不發(fā)育的煤巖體；沿垂直層理方向的強度要高于平行層理方向的強度。煤巖為非均質(zhì)材料，各向異性，抗壓、抗剪和抗拉強度關(guān)系：第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)2.硬度煤巖抵抗尖銳工具侵入的性能。反映煤巖體在較小的局部面積上抵抗外力作用而不被破壞的能力，大小取決于煤巖體的結(jié)構(gòu)、組成顆粒的硬度、形狀和排列方式等。硬度越大，截割、鉆鑿越困難。3．接觸強度按實驗測壓頭上的載荷值與壓頭下表面積之比計算

pk巖石接觸強度，MPa；Pi巖石材料脆性破壞瞬間的壓頭載荷，N；n壓頭下壓次數(shù)；S壓頭下表面積，mm2。第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)

接觸強度在掘進機設(shè)計與使用中經(jīng)常遇到。前蘇聯(lián)根據(jù)接觸強度值的大小，巖石分六類：松軟，次中等堅固，中等堅固，堅固，很堅固和極堅固。4．彈性、塑性與脆性彈性、塑性與脆性反映煤巖受外力作用與其變形之間關(guān)系的性質(zhì)。

彈性：所受外力撤消后煤巖恢復(fù)原來形狀的性能。破碎彈性較高的煤巖，消耗的能量較多，且由于彈性變形，破碎也比較困難。

塑性：所受外力消失后煤巖不能恢復(fù)原來形狀的性能。破碎塑性高的煤巖，消耗的能量較多。

脆性：煤巖破碎時不帶殘余變形的性能。脆性高的煤巖，容易破碎，消耗的能量也較小。第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)5．堅固性表示煤巖破碎難易程度的綜合指標(biāo)，是煤巖體抵抗拉壓、剪切、彎曲和熱力等作用的綜合表現(xiàn)。堅固性系數(shù)(普氏系數(shù))表示煤巖的堅固性大小。①搗碎法測量堅固性系數(shù)②根據(jù)煤巖的極限抗壓強度(MPa)近似確定

f<4為煤，f=4～8為中等堅固巖石，f≥8為堅固巖石。煤分三級，軟煤f<1.5，中硬煤f=1.5～3，硬煤f>3。第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)6．截割阻抗

截割阻抗比普氏系數(shù)更能確切地反映煤的可截割性能，作為采掘機械設(shè)計和選型的主要技術(shù)參數(shù)。

截割阻抗：單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-刀桿；3-卡緊器；4-刀具；5-測力傳感器；6-記錄儀；7-電動機；8-絞車?-刀具截割阻力平均值，kNh-截割深度，m第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)

為得到工作面的A值，在工作面接近頂板、底板、截高中間處，以及沿煤層傾斜方向不同部位進行多次測量，取其平均值作為該工作面的A值。

煤層按截割阻抗分：

A≤180kN/m的煤為軟煤，適合用各種刨煤機特別是脆性煤層適于刨煤機；

A=180～240kN/m的煤為中硬煤，其中韌性煤適合用采煤機，脆性煤適于滑行刨煤機；

A=240～360kN/m的煤為硬煤，韌性煤須用大功率采煤機，脆性煤可用滑行刨煤機。截割阻抗與堅固性系數(shù)關(guān)系：A=150f

統(tǒng)計資料，也存在A=100f第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)7．磨礪性刀具在截割過程中接觸煤巖而被磨損，引起截割阻力和生產(chǎn)費用增加，使采掘機械工作性能和開機率降低。煤巖對金屬、硬質(zhì)合金或其他固體磨蝕的能力——磨礪性(研磨性)。煤巖的磨勵性與其石英含量、石英核直徑和抗拉強度有關(guān)。表征煤巖磨礪性參數(shù)：①磨蝕系數(shù)ω

②磨礪性指標(biāo)α

第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)8．破碎特性指數(shù)在碎煤總量中塊度分布服從統(tǒng)計分布規(guī)律W——直徑不超過d(mm)的碎煤占試樣總量的百分比；λ——由截割方法和參數(shù)決定的破碎程度參數(shù)；m——破碎特性指數(shù)，對于具體煤層為常數(shù)，一般為0.4～1.3，與截割工況無關(guān)。

破碎特性指數(shù)是確定脆性程度指數(shù)的基礎(chǔ)，也用于煤層煤塵生成能力的分級。第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)煤巖的物理機械性質(zhì)10．截割可碎性指標(biāo)用于評價截割時煤層的可破碎性。

kW·h·cm/m3

指標(biāo)與截割的工況和參數(shù)無關(guān)，僅取決于煤層的截割阻抗和脆性，綜合反映煤層在穩(wěn)定的工況參數(shù)下破碎的可能性。按照截割可碎性指標(biāo)，原蘇聯(lián)將煤層分七類，極軟0～4，軟4.1～9，中硬9.1～16，超中硬16.1～25，硬25.1～36，極硬36.1～49，特硬>49。9．脆性程度指數(shù):第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)煤巖破碎理論

鉆孔爆破：機械破碎：滾筒采煤機、刨煤機、掘進機等都是用刀具采用切削方法截割破碎煤巖。

切削破巖；沖擊破巖。一、切削破巖機理

楔裂說、剪裂說、密實核說、斷裂力學(xué)說和剪切變形說等。1．楔裂說英國學(xué)者埃文斯提出。

澳大利亞學(xué)者洛克包洛夫通過實驗證實，楔裂說適用于切削砂巖、石灰?guī)r和硬石膏的過程。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)煤巖破碎理論2．剪裂說日本學(xué)者西松裕一建立的切削破巖模型，認(rèn)為巖石的切削破落遵守庫侖—莫爾準(zhǔn)則。3．密實核說

拉伸和剪切聯(lián)合作用的切削破煤(巖)機理學(xué)說，以俄羅斯別隆為代表。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)煤巖破碎理論二、沖擊破巖機理

鑿巖機活塞往復(fù)運動產(chǎn)生沖擊力，使釬頭侵入巖體，形成破碎坑，又由于釬頭的轉(zhuǎn)動，使破碎坑擴展成孔眼，并逐漸形成一定深度的鉆孔。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)煤巖破碎理論巖體脆性破碎形成破碎坑步驟：①壓碎釬頭前巖石上的小突起，形成壓痕；②巖體產(chǎn)生彈性變形并產(chǎn)生徑向主裂紋；③釬頭前的巖石被壓碎，形成粉碎體；④粉碎體擠壓周圍巖體，使裂紋沿著剪切應(yīng)力或拉伸應(yīng)力的跡線延伸擴展到巖體自由面，崩落大的碎片；⑤重復(fù)循環(huán)上述過程，最終形成破碎坑。第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)煤巖破碎理論

載荷與釬頭侵入巖體深度關(guān)系曲線：釬頭鑿巖的過程一般是脆性破碎。AB段形成粉碎體。在B點出現(xiàn)脆性崩裂，在BC段因崩出碎塊而粉碎體縮小，載荷隨著降低。CD段和EF段重復(fù)AB段的情況，在DE段和FG段重復(fù)BC段的情況，直至在FG段形成破碎坑。某些條件下，鑿巖過程中巖石呈塑性破碎。在AB段形成粉碎體，在BC段粉碎體破裂，在CD段卸載形成破碎坑。整個過程比較平緩。第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具刀具截割破碎煤巖。

采掘機械應(yīng)用于截割煤巖的刀具——截齒。截齒的結(jié)構(gòu)型式和幾何參數(shù)要適應(yīng)煤巖機械性質(zhì)和截割機構(gòu)的形式。截齒應(yīng)具有足夠的強度和耐磨性，且固定簡單可靠，以減少更換截齒的時間。截齒是易損件，應(yīng)便于批量生產(chǎn)，便于修磨復(fù)用，以減少生產(chǎn)費用。截齒參予截割的部分幾何形狀要兼顧強度、耐磨性和比能耗的要求。截齒組成：齒體和硬質(zhì)合金頭。齒頭和齒柄。第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具

齒體：截齒不包含硬質(zhì)合金頭的母體部分。齒頭：截齒頭部伸出齒座的部分，頂部焊接(或鑲嵌)硬質(zhì)合金頭。齒柄：截齒可裝入齒座的部分，形狀有長方體、圓柱體。按截齒齒頭幾何形狀分扁形截齒和錐形截齒。第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

截齒是用來截割煤體的刀具，其幾何形狀和質(zhì)量直接影響采煤機的工況、能耗、生產(chǎn)率和噸煤成本。經(jīng)驗證明，改進截齒結(jié)構(gòu)，適當(dāng)加大截齒長度，增大切削深度，可以提高煤的塊度，降低煤塵。按截齒安裝方式分徑向截齒和切向截齒。第三節(jié)截割刀具第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四

徑向截齒齒體軸線基本通過掘進機截割頭橫截面的中心或沿采煤機滾筒徑向安裝；

切向截齒以齒體軸線與采煤機滾筒或掘進機截割頭橫截面的圓周切線成銳角安裝。第三節(jié)截割刀具第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具

截齒齒柄固定在齒座中。常用30～35CrMnSi、30～35SiMnV或40Cr優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，并經(jīng)調(diào)質(zhì)。齒頭接觸煤巖體，為提高耐磨性，鑲嵌硬質(zhì)合金片或核。適用于截割中硬和硬煤巖的截齒，硬質(zhì)合金片或核用YG8或YG8C制作；適用于截割含堅硬夾雜物的煤層的截齒，宜用YG11C或YG13C(鎢，鈷，鈷含量，粗粒度)。第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具徑向截齒幾何參數(shù)：

徑向截齒齒頭由前面K、后面L、兩個側(cè)面M和截割刃N等構(gòu)成。截齒以截割速度v和牽引速度vq截割出平面BB。前角β后角γ尖角α截角δ側(cè)后角ε側(cè)面夾角φ第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具

截割阻力Z隨截角δ增大的趨勢，在δ>90o時越顯得急烈：齒頭向下的擠壓作用增強，破碎的煤巖塊難以排出。截角大，刀頭強度高：采煤機截齒δ=70o～75o，采含堅硬夾石層的煤層的截齒δ≈90o，截割硬巖的截齒δ>90o。零前角正前角負前角截角δ（o）對截割阻力Z的影響對截齒載荷和截割比能耗影響較大參數(shù)：

截角δ

、后角γ

、截刃寬度b第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具

后角γ對截割阻力Z和牽引阻力Y的影響：僅在小于10o時顯著表現(xiàn)出來。后角小，截齒后面與煤巖體的接觸面積大，后面上的摩擦力大，截割和牽引阻力同步增大——后角γ和側(cè)后角ε小于10o不合理。為提高刀頭強度，可適當(dāng)小一些。第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具截刃寬度b對截割阻力和截割比能耗的影響規(guī)律：不論截割深度大小，隨截刃寬度增大，截割阻力不斷增大，截割比能耗先下降到最低值，再升至穩(wěn)定值。與截割比能耗最低值對應(yīng)的截刃寬度約為20～30mm截刃寬度b對截割阻力和截割比能耗HW的影響第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具

截齒徑向外伸長度：對徑向截齒來說是從截刃到齒座頂面的距離；對于切向截齒，必須考慮相對于滾筒徑向的安裝角度。截齒徑向外伸長度限制了可能達到的最大截割深度。齒柄矩形截面的寬高比約為0.5～0.7，以保證抗縱向彎曲的截面模量足夠大。截割巖石的截齒，除采用較大截角和整個前面覆蓋硬質(zhì)合金片外，齒柄常為圓形截面。第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具

切向截齒齒頭形狀有扁形和錐形

扁形截齒齒柄在齒座內(nèi)不能回轉(zhuǎn)。錐形截齒在截割過程中可在齒座內(nèi)回轉(zhuǎn)，自動磨銳齒尖。

切向截齒刀身軸線位于齒頭阻力R作用方向的變化范圍λmin～λmax→齒柄彎矩比徑向截齒小，不易折斷。

切向截齒工作時的截角較小，有利于降低比能耗，且形狀簡單，便于制作。但齒柄和齒座的長度限制截齒安裝得較稀，且只能裝在滾筒軸線的垂直平面內(nèi)，而不宜裝在滾筒端盤上。第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具滾壓盤刀全斷面掘進機對稱型滾壓盤刀采煤機非對稱型滾壓盤刀

第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)截割刀具

非對稱型滾壓盤刀裝在滾筒螺旋葉片外緣。軸線垂直滾筒半徑而平行滾筒軸線時，主要靠碾壓和楔劈作用碎落煤，目前較多采用。軸線接近平行滾筒半徑而垂直滾筒軸線時，主要作用是截割，適用于較軟的煤層。處于兩者中間狀況時，兼有截割、碾壓和楔劈作用。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)截齒的截割阻力

第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四截齒三向阻力變化曲線：截割阻力Z、推進阻力Y、側(cè)向力X

第四節(jié)截齒的截割阻力

試驗研究表明，靠近切削刃處的作用力最大，遠離切削刃處將按雙曲線規(guī)律急劇衰減——在實際計算中用集中力代替測出的分布力，然后沿坐標(biāo)軸進行分解。第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)截齒的截割阻力

μN-作用在前刃面上的摩擦力；R-N和μN的合力；Y1-作用在后刃面上的法向力(近似沿Y軸的分力)；μY1-作用在后刃面上的摩擦力；N1和N

2-作用在兩側(cè)面上的法向力；X1，X2和Y’1，Y’2-N1和N

2沿X軸和Y軸的分力；μ(N1+N

2)-兩側(cè)面的摩擦力；γ-截齒的前角；θ-截齒前刃面與煤的摩擦角；v-截割速度；vq-推進速度(牽引速度)vq第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)截齒的截割阻力

Z，Y，Y/Z，Hw和h關(guān)系曲線

截割阻力平均值

Z=AhN推進阻力Y=aZ

a—極脆煤0.5，脆性煤0.6，韌性煤0.7

側(cè)向力

X=(0