截割间距对镐型截齿破岩特性影响的试验研究

刘滨, 李雪峰

刘滨,李雪峰. 截割间距对镐型截齿破岩特性影响的试验研究[J]. 工矿自动化,2023,49(8):156-164. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120046
引用本文: 刘滨,李雪峰. 截割间距对镐型截齿破岩特性影响的试验研究[J]. 工矿自动化,2023,49(8):156-164. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120046
LIU Bin, LI Xuefeng. Experimental study on the influence of cutting distance on the rock-breaking features of pick-shaped cutter[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(8):156-164. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120046
Citation: LIU Bin, LI Xuefeng. Experimental study on the influence of cutting distance on the rock-breaking features of pick-shaped cutter[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(8):156-164. DOI: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022120046

截割间距对镐型截齿破岩特性影响的试验研究

基金项目: 国家自然科学基金面上项目(51874279);江苏省高校自然科学研究面上项目(20KJB440005);南京工业职业技术大学引进人才科研启动基金项目(YK21-01-04)。
详细信息
    作者简介:

    刘滨(1964—),男,黑龙江哈尔滨人,副教授,主要研究方向为航空发动机设计、矿山机械,E-mail:1317236488@qq.com

    通讯作者:

    李雪峰(1990—),男,江苏沛县人,讲师,博士,主要研究方向为深部煤层开采、矿山机械,E-mail:leexf2009@163.com

  • 中图分类号: TD421.5

Experimental study on the influence of cutting distance on the rock-breaking features of pick-shaped cutter

  • 摘要: 镐型截齿是掘进机、采煤机等矿山机械上应用最广泛的截齿类型。在实际截割过程中,镐型截齿主要工作于多齿耦合截割工况下,截割间距是该工况下的重要参数。针对截割间距对破岩过程影响的研究未考虑干涉截割的弱化作用的问题,提出一种多齿耦合截割时截割力的计算方法。针对石灰岩、红砂岩和2种模拟岩样开展了全尺寸单齿截割试验,对比分析自由截割和干涉截割的破岩过程。试验采集了截割力数据并进行了降噪处理,同时收集了截割碎屑,分析了截割间距对截割载荷、截割碎屑粒度、截割能耗、截割沟槽的影响规律。试验结果表明:① 截齿截割力随截割间距增加而增大,并逐渐接近自由截割状态,且干涉截割与自由截割条件下的截割力比值与截割间距/截割深度之间存在较好的线性关系,相关系数均大于0.95。说明干涉截割条件下截齿的截割载荷可利用自由截割载荷进行估算,进而得到了基于已有峰值截割力模型的干涉截割条件下的截割力估算方程。② 分别采用碎屑粒度指数(CI)和截割比能耗(SE)评价截割试验的碎屑粒度分布和截割能耗。随截割间距增大,CI呈先增大后减小的趋势,而SE呈先减小后增大的趋势。③ 当截割间距较小时,截割沟槽干涉显著,截割沟槽间残余岩脊较小,截割载荷较小,但由于截割沟槽干涉会产生较多细小碎屑,消耗较多能量,所以能耗升高;随着截割间距增大,残余岩脊增大,截割力增大,但由于已有截割沟槽对岩石的弱化作用且截割沟槽间干涉较少,形成的大块碎屑占比增大,所以截割能耗降低;随着截割间距进一步增大,截割沟槽间无干涉,且已有截割沟槽对岩石的弱化作用降低,截割力增大,碎屑粒度减小,截割能耗上升,截割状态逐渐趋近于自由截割。
    Abstract: The pick-shaped cutter is the most widely used cutter type in mining machinery such as roadheader and coal mining machine. In the actual cutting process, the pick-shaped cutter mainly works under the multi-tooth coupling cutting condition. The cutting distance is an important parameter under this working condition. At present, research on the influence of cutting spacing on the rock-breaking process has not considered the weakening effect of interference cutting. A calculation method for cutting force during multi-tooth coupling cutting is proposed to solve the above problem. Full-size single-tooth cutting tests are carried out on limestone, red sandstone and two simulated rock samples, comparing and analyzing the rock-breaking processes of free cutting and interference cutting. The experiment collects cutting force data and conducts noise reduction processing and collects cutting debris to analyze the impact law of cutting spacing on cutting load, cutting debris coarseness, cutting energy consumption, and cutting grooves. The experimental results show the following points. ① The cutting force of the cutter increases with the increase of cutting distance and gradually approaches the free cutting state. Moreover, there is a good linear relationship between the cutting force ratio under interference cutting and free cutting conditions and the cutting distance/cutting depth. The correlation coefficients are greater than 0.95. The cutting load of the cutter under interference cutting conditions can be estimated using the free cutting load. The cutting force estimation equation under interference cutting conditions based on the existing peak cutting force model is obtained. ② The coarseness index (CI) and specific energy (SE) are used respectively to evaluate the particle size distribution and cutting energy consumption of the cutting experiment. As the cutting distance increases, CI shows a trend of first increasing and then decreasing. SE shows a trend of first decreasing and then increasing. ③ When the cutting distance is small, the interference between the cutting grooves is significant, the residual rock ridges between the cutting grooves are small, and the cutting load is small. However, due to the interference between the cutting grooves, more small debris is generated. It consumes more energy and increases energy consumption. As the cutting distance increases, the residual rock ridge increases, and the cutting force increases. However, due to the weakening effect of existing cutting grooves on the rock and less interference between cutting grooves, the proportion of large debris formed increases, and the cutting energy consumption decreases. As the cutting distance further increases, there is no interference between the cutting grooves. The weakening effect of the existing cutting grooves on the rock decreases. The cutting force increases, the coarseness decreases, and the cutting energy consumption increases. The cutting state gradually approaches free cutting.
  • 传统矿井煤炭资源日趋枯竭,充填开采是解放“三下”压煤、增加煤炭产量、避免安全生产和环境问题的重要技术手段[1-2]。《“十四五”能源领域科技创新规划》明确提出集中攻关固体废弃物充填采煤技术,开展矿区典型大宗固废资源化利用示范[3]。同时《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》提出智能充填技术符合煤炭开采绿色化、智能化行业发展方向[4-7],研发充填开采智能化技术、建设智能化矿山,有利于实现矿山少人化、无人化及安全绿色高效开采。

    在充填开采智能化领域已有许多学者开展了研究。张吉雄等[8-9]构建了煤矿矸石井下智能化分选协同原位充填开采模式,阐述了采选充系统的时空协同关系。张昊等[10]系统阐述了包括煤基固废地面处理、煤基固废地面−井下高效运输、井下煤矸分选、煤基固废井下运输及工作面充填五大系统的采选充一体化的绿色充填开采系统。任帅等[11]对充填开采设备进行智能化升级,实现了回采巷道内远程控制的充填开采智能化,并构建了深部充填工作面智能监测预警系统及充填效果评价体系。张强等[12]、左小[13]以充填装备升级改造为基础,对矿山固体智能充填开采技术展开研究,形成了一套集合机构干涉状态判别、充填参数智能感知、采充工序自动组织的煤矿固体智能充填开采方法。充填开采智能化已有一定的理论研究基础,但对充填开采智能化关键技术缺乏系统性研究和实际工程应用。本文基于冀中能源股份有限公司邢东矿智能充填开采工程经验,提出了充填开采智能化技术,以期为智能充填矿井建设提供技术借鉴,促进煤炭绿色智能低碳高效开采。

    邢东矿井田面积约为14.5 km2,可采储量为6 127万t。采用单面生产,倾斜长壁综采工作面采煤,目前主采2号煤层。自2002年在工业广场煤柱区域内成功实施巷道式矸石充填至今,邢东矿已连续20 a在全矿区内实施充填开采[14-18]。邢东矿在密集建筑群下开采煤炭资源已经历了7种开采方法,从最初的垮落法开采,到条带开采、巷道矸石充填开采、高水充填开采、综合机械化固体充填开采,最后通过构建煤基固废井上下高效归集运输、井下分选与就地充填系统形成智能充填矿山生产模式。

    以固体充填开采面智能化升级为核心,以充实率智能控制为首要目的,以建设信息化与自动化深度融合的具有感知、联动、分析、决策能力的智能充填矿井为目标,结合生态环境低损害开采保护理念,根据不同系统工程需求,形成了以煤基固废智能预处理及投放控制技术、井下智能跳汰分选技术、多源煤基固废归集储运技术和固体智能充填开采技术等为代表的充填开采智能化技术体系,如图1所示。

    图  1  充填开采智能化技术体系
    Figure  1.  Intelligent technology system of backfilling mining

    地面煤基固废智能预处理主要实现煤基固废从城市及周边矿区运输进矿、分布式仓储及精准给配料计量等功能,其流程如图2所示。

    图  2  地面煤基固废智能预处理流程
    Figure  2.  Intelligent pretreatment process of ground coal-based solid waste

    邢东矿通过将矿山辐射区域煤基固废通过自卸式卡车运输至厂区,经洗车房洗车后到达地面原料车间。地面原料车间内配备6个大容量地下式仓储,用于储存充填所需的矸石、黄土等细骨料颗粒。

    根据井下煤矸产能动态调配,计算出所需的地面煤基固废用量并将信息传递至地面控制室控制主机。控制主机控制仓下给料机进行落料,给料机磅秤装置按照5∶2的比例自动称量所需矸石、黄土等煤基固废,同时,控制主机通过调整带式输送机电动机转速及功率控制运料速度,使实际投料量匹配需求量。

    为了将地面预处理后的固体充填物料通过投料井向井下快速高效运输,设计了大流量大垂深煤基固废智能投放控制方法,其核心在于料仓料管信息实时感知、投料参数动态反馈调节。

    大流量大垂深煤基固废智能投放控制具体流程:地面预处理后的煤基固废经地面带式输送机运入投料井,投料井井壁上的耐磨管安装有超声导波传感器探头,可通过周期性激发和感知返回的超声导波,对井壁磨损度进行监测及检修判断;煤基固废出投料井后落入储料仓,仓内安设速度传感器及压力传感器,感知落料过程中产生的风速及风压,将达到警戒值的风速及风压反馈至地面控制中心,通过调控地面带式输送机的运料速度及运料量,以适应投料需求;煤基固废堆积于储料仓内,储料仓顶安设雷达物位计,周期性感知堆料高度,当其超过入料设定值时,及时反馈控制投料停止,并开启储料仓下部的井下给料机及带式输送机运输物料,直至储料仓堆料高度低于给料临界值时,反馈控制给料机停止给料,重新开启投料。

    床层实时测控主要监控测量指标为床层高度、床层松散度、水量和风量。床层高度与浮标的位置相互对应,通过高精度位移传感器进行监测,自动调节配重浮标装置。浮标检测出床层高度,经角位移传感器变成0~10 V的电信号,送入控制器进行信号处理和输出调节,控制电动机调速装置(变频器或直流调速箱),电动机带动排料轮相应改变排料量,实现床层高度的精准控制;床层松散度由压力传感器进行监测;水量与风量通过流量传感器和数控风阀进行监测。监测数据通过iFIX组态软件汇集控制,并通过上位机实现床层实时测控的人机交互。

    井下智能跳汰分选方式是以水介质通过空气脉动将物料床层松散、扬起、沉降实现煤矸分层分离,煤与矸石床层为“亲密接触式”分离排出,小块煤极易被大块矸石挤压在床层下面被排入矸石料道。因此排矸速度智能控制需保证在煤与矸石床层充分分离且与空气脉动密切配合条件下实现高质量、高效率分选排矸。

    井下煤流送至跳汰机后,跳汰机按照预设的参数(排矸速度的高低限等),协同床层高度和压力等数值模型的实时分析结果,自动控制跳汰机风箱4个工作周期(进气期、膨胀期、排气期和休止期)的频率和占比,同时经PID运算后对排料轮进行脉冲频率调制控制,实现排矸速度快速响应、精准调控。

    根据需要设置多种分选工作方式,如“手动/自动”、“PID自动排矸/手动恒速排矸”、“跳汰机设备耦合/跳汰机设备分离”、“远控允许/远控禁止”。通过混合分选控制一方面可实现集控系统瘫痪时保证跳汰机正常工作,另一方面可同时设定手动调速和自动调速,实现复杂煤流条件下的跳汰控制。

    煤基固废来源包括煤矿井下自产煤基固废和地面运输煤基固废两大部分[19-21],其中地面运输煤基固废不仅包括本矿地面堆积煤基固废,还包括矿山辐射区域煤基固废,如邻近矿山或选煤厂矸石、煤电厂粉煤灰、炼钢厂钢渣、城市建筑垃圾及尾矿、煤泥等大宗固废,如图3所示。

    图  3  矿山辐射区域煤基固废来源
    Figure  3.  Source of coal-based solid waste in radiation area of mine

    多源煤基固废归集储运的关键环节为对包括井下洗选矸石、岩巷掘进矸石、岩巷整修矸石和地面运输矸石等各来源煤基固废运输量及工作面原煤产量的实时精准监测,以及据此对包括带式输送机、给料机等煤基固废储运设备的精准反馈调控。

    1) 多源煤基固废实时精准监测。监测参数主要包括各来源煤基固废运输量、工作面原煤产量、输送机功率、给料机频率及采煤机牵引速度。① 通过在输送机上安装输送带秤,实时监测单位时间内输送机运输的煤基固废质量。② 通过上位机监测输送机和给料机的电流、电压来监测输送机功率与给料机频率。③ 通过在采煤机牵引部电动机上安装速度传感器来实现采煤机牵引速度监测。

    2) 多源煤基固废精准反馈调控。多源煤基固废的动态调配是以保证工作面充填需求为最终目标,因此需首先确定工作面煤基固废总需求量,再根据矿井实际生产需要,通过调控给料机的给料速度或带式输送机运输速度来调节各来源煤基固废的运输量,使其尽可能接近实际总量需求,保证工作面充填效果。调控时应根据充填需求、生产需求、各来源矸石量及充填目的综合考虑调控顺序。

    邢东矿在原固体充填开采技术基础上,通过各类传感器监测充填液压支架状态、位姿及充填效果,进一步联动图像复核双检验型计量系统及乳化液智能控制系统,实时控制采充质量、多泵联动自动切换,由主控计算机对充填液压支架油缸动作的执行序列进行优化,操控电液控制系统执行油缸动作,无需采煤机停机及人工参与,节省了油缸动作接续时间,实现减员增效及安全生产的目的。

    通过使用多种传感器精确控制充填过程中的每个动作环节,保证充填过程的安全性,防止产生机构干涉;自动识别充填效果,提高充填精度和效率,保证充实率。

    1) 智能充填液压支架关键参数检测。支架摆梁上安装角度传感器,监测支架角度;在压实千斤顶中安装行程传感器和压力传感器,检测压实千斤顶的压力及伸缩行程,从而判断矸石充填程度是否达到要求,并进行相应的时间控制。

    通过测高传感器测量后顶梁后端到底座与摆梁铰接中心的垂直高度及后顶梁后端到摆梁端部的垂直高度;根据摆梁长度和顶梁后端到多孔底卸式刮板输送机下端的距离等数据可计算出摆梁角度,判断夯实机构是否与后部刮板输送机发生碰撞,并进行相应的安全保护控制。

    2) 工作面及回采巷道监测。工作面前部每隔6个充填液压支架配备1台矿用本质安全型云台摄像仪,摄像仪安装于充填液压支架前顶梁上,用于获取采煤机运行位置和方向;工作面后部每隔3个充填液压支架配备1台矿用本质安全型云台摄像仪,摄像仪安装于充填液压支架后顶梁上,拍摄方向垂直于工作面,用于监视充填液压支架后部充填效果。

    在带式输送机机头、转载机机头、前部刮板输送机机头和后部多孔底卸式刮板输送机机头各安装1台本质安全型摄像仪,对回采巷道关键设备进行实时监测。

    矿用本质安全型摄像仪及云台摄像仪是网络摄像仪,具有红外补光功能,采用以太网进行视频传输,通过有线方式接到综合接入器,通过接入器供电并传输视频信息,如图4所示。

    图  4  视频监测装备连接方式
    Figure  4.  Video monitoring equipment connection mode

    1) 矸石流量智能控制。通过3套集控系统控制工作面矸石及原煤运输,其中1套控制4部运矸输送带及1部给煤机,1套控制3部运矸输送带及1部后部刮板输送机,1套控制3部原煤输送带、1部转载机及1部前部刮板输送机。所有设备均可通过集控中心实现一键启停。

    图像复核双检验型计量系统核心为工业摄像仪+结构光的AI图像校验系统,可实时检测输送带上物料的体积变化,通过图像检测到的物料体积信息与电子输送带秤的称重信息实时进行多参数比对,出现偏差及时报警并可实现自动标校零点,采用动态砝码加载机构的方式可进行“一键验证校准”。因此,分别在运矸输送带及原煤输送带安装图像复核双检验型计量系统,通过实时监测运矸量及运煤量,实现矸石充填率控制,保证工作面矸石充填率达85%以上。

    2) 乳化液智能控制。智能乳化液泵站自动化控制系统可实现乳化液浓度在线实时监控、自动配比,通过变频控制实现多泵联动、自动切换。水处理系统可将过滤后的水精度控制在5 μm以下,从而保证乳化液干净无杂质,大大延长矸石充填液压支架中立柱千斤顶及电液控制系统中的主阀、过滤器及阀芯的使用寿命,减少检修次数。

    1) 支架电液控。智能充填液压支架硬件上增设电液控系统,通过PLC主控制器、电磁换向阀和传感器对液压千斤顶和泵站进行闭环控制;通过在PLC主控制器中编写根据充填工序流程、位态表征方法和干涉调控原理等设计的控制程序,实现对液压支架的智能控制。

    2) 工作面电液控。在单架支架电液控基础上,集成工作面采煤机、前部刮板输送机、后部多孔底卸式刮板输送机和充填液压支架,通过巷道及地面控制器、电磁换向阀和传感器对工作面关键设备进行联动控制,实现采充平行作业及充填智能控制。

    邢东矿在多年充填开采实践的基础上,将1200采区原条带开采所遗留的煤柱区域作为智能充填矿井示范工作面建设区域,采用充填开采智能化技术,建成了包括煤基固废地面智能预处理系统、煤基固废地面−井下智能运输系统、井下智能跳汰分选系统、多源煤基固废归集储运系统、固体智能充填系统、智能通风系统、智能排水系统、智能煤炭运输系统等八大系统的智能充填矿井,如图5所示。

    图  5  邢东矿智能充填矿井组成
    Figure  5.  Composition of intelligent backfilling mine in Xingdong Mine

    智能充填矿井将各系统按照统一的标准接入管控一体化平台,各系统间互联互通,在调度中心实现统一管控。在管控平台一体化的界面下可对生产环节的设备参数、状态、场景进行实时监测,对各系统的自动化数据进行实时监视与集中控制,实现了全矿井各系统能力的动态平衡。

    针对邢东矿智能充填矿井,着重介绍与充填高度相关的煤基固废地面智能预处理系统、煤基固废地面−井下智能运输系统、井下智能跳汰分选系统、多源煤基固废归集储运系统及固体智能充填系统建设情况。

    1) 煤基固废地面智能预处理系统及地面−井下智能运输系统。邢东矿建成了地面矸石投料智能化控制系统,投料能力可达452 t/h,实现了站内矸石储、运、投及收尘、降尘等各环节的一键控制,并可以根据输送带保护、车辆冲洗、卸料喷淋、井下储料仓上限监控等设备运行情况自动停机。地面原料车间内设4台射程30 m的雾炮进行喷雾降尘;设有地磅对入仓矸石进行称重计量;建有6个7.5 m×7.5 m ×7 m(长×宽×高)的连体地下式储仓,总占地5 100 m2,总储量为1 620 m3;投料井深度为766 m,井底建有储料仓,确保固体充填物料在井下均衡运输,并通过安装雷达物位计实现满仓报警、仓位监测等功能;地面投料机控室远程控制投料量。

    2) 井下智能跳汰分选系统。邢东矿井下智能跳汰分选系统可实现煤泥水自动平衡、跳汰机跳汰比例智能调节、矿床智能测控、风量智能调控等功能。煤矸100%井下洗选,入洗粒径为20~200 mm块状原煤,跳汰面积达4.28 m2,处理能力为600 t/h,矸石带煤率<3%。

    3) 多源煤基固废归集储运系统。邢东矿建有总容量达2 050 m3的井下汇集储料仓,保证井下多源煤基固废有足够的储存空间,并建成了输送带中心,其中智能化运矸系统由8部运矸输送带和3个矸石仓组成,实现了带式输送机的智能集中控制、称重计量、一键启停、无人值守。

    4) 固体智能充填系统。邢东矿年矸石充填量约为40万t,建成了智能化矸石充填工作面控制系统(包括矸石充填自动化控制、采煤自动化控制、矸石充填率自动控制、乳化液泵站自动化供液、矸石运输自动化控制、原煤运输自动化控制及视频监控自动化控制7个子系统),实现了采煤机工况显示、输送机工况显示、液压支架工况显示、工作面设备与监控中心各主控计算机通信状态显示等监测功能,液压支架远程控制、采煤机远程控制、工作面“三机”工况集中自动化控制、工作面泵站集中自动化控制、回采巷道输送机集中自动化控制等控制功能,采煤机故障诊断、电路故障诊断等诊断功能。

    通过在邢东矿实践应用充填开采智能化技术,智能充填工作面能力大幅度提高,充填工作面产量由月产3.6万t增加至月产7.2万t,每班人员减少8~10人,1个循环作业时间减少约2.5 h,效率提高约50%。

    以充填采煤为主力开采方法的充填矿井为研究对象,将煤基固废预处理、煤矸井下分选、多源煤基固废储运及固体充填采煤作为一个整体,形成了涵盖煤基固废智能预处理及投放控制技术、井下智能跳汰分选技术、多源煤基固废归集储运技术及固体智能充填开采技术等的充填开采智能化技术体系,显著提升了煤基固废处置水平及煤炭开采效率,对充填矿井安全高效智能开采具有重要的推进作用。邢东矿运用充填开采智能化技术,对井上下储运、充填、采煤等系统进行了智能化建设,建成了智能充填矿井,全面解决了邢东矿煤基固废排放问题,使得充填工作面产量及效率大幅提高,具有广阔的推广应用前景。

  • 图  1   全尺寸岩石线性截割试验机

    Figure  1.   Full-scale rock linear cutting tester

    图  2   全尺寸岩石线性截割试验机测控原理

    Figure  2.   Measurement and control principle of full-scale rock linear cutting tester

    图  3   截齿三向力

    Figure  3.   Cutter three-way force

    图  4   多齿截割试验方案

    Figure  4.   Multi-cutter cutting test protocol

    图  5   截割试验所用岩石试样

    Figure  5.   Rock samples used in cutting tests

    图  6   截割三向力(降噪前)

    Figure  6.   Cutting three-way force (before noise reduction)

    图  7   截割力数据EMD分解结果

    Figure  7.   EMD decomposition results of cutting force data

    图  8   截割三向力(降噪后)

    Figure  8.   Cutting three-way force (after noise reduction)

    图  9   截割力均值随截割间距的变化

    Figure  9.   Change of mean cutting force with cutting distance

    图  10   截割载荷比值frs/d的变化关系

    Figure  10.   Relationships between the mean cutting loade ratio fr and s/d

    图  11   干涉与自由截割力比值随s/d的变化趋势

    Figure  11.   The trend of the ratio of interference and free cutting force with s/d

    图  12   不同截割间距下截割碎屑粒度筛分

    Figure  12.   Coarseness at different cutting distance

    图  13   截割间距与CI、SE的关系曲线

    Figure  13.   The relationships between cutting distance and CI and SE

    图  14   不同截割间距下的截割沟槽

    Figure  14.   Cutting grooves with different cutting distrance

    图  15   截割间距对截割沟槽干涉情况的影响

    Figure  15.   Effect of cutting distance on cutting grooves

    表  1   岩样物理力学特性

    Table  1   Properties of rock samples

    岩石
    类型
    单轴抗压
    强度/MPa
    抗拉强
    度/MPa
    弹性模
    量/GPa
    泊松比密度/
    (kg·m−3
    石灰岩116.48.246.30.322650
    红砂岩76.36.622.40.192140
    模拟岩样 I13.31.1212.10.231390
    模拟岩样 II18.01.6515.30.241660
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    表  2   截割间距及截割深度参数设置

    Table  2   Parameter setting of cuting distancet and cutting depth

    岩石类型d/mms/d
    石灰岩2, 3, 4, 51~10
    红砂岩5, 102~6
    模拟岩样I5, 10, 15, 201~7
    模拟岩样 II5, 10, 151~10
    下载: 导出CSV

    表  3   干涉截割时截割三向力均值

    Table  3   Mean cutting three-way force in interference cutting tests

    s/mmFX/kNFY/kNFZ/kN
    自由7.611.219.57
    203.10−2.055.55
    303.61−1.416.04
    404.32−1.456.54
    505.63−1.497.46
    605.95−0.727.82
    706.34−0.658.14
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    表  4   各岩样不同截割参数下截割力比值fr

    Table  4   Cutting force ratios fr under different cutting conditions

    石灰岩红砂岩模拟岩样I模拟岩样II
    ds/dfrds/dfrds/dfrds/dfr
    2 1 0.43 5 2 0.60 5 2 0.24 5 2 0.50
    3 0.63 3 0.70 3 0.68 4 0.76
    5 0.58 4 0.73 4 0.56 6 0.91
    7 0.70 5 0.82 6 0.85 8 0.83
    10 0.89 6 0.81 7 1.04 10 1.01
    3 1 0.43 10 2 0.54 10 1 0.21 10 2 0.46
    3 0.55 3 0.78 2 0.38 3 0.60
    5 0.62 5 0.75 2.5 0.41 4 0.72
    7 0.81 6 1.00 3 0.44 5 0.79
    10 0.99 4 0.47 6 0.88
    5 0.65
    4 1 0.51 15 1 0.39 15 1.33 0.41
    3 0.68 2 0.42 2 0.47
    5 0.88 3 0.65 2.67 0.57
    7 0.92 4 0.86 3.33 0.74
    10 1.01 4 0.78
    4.67 0.83
    5 1 0.53 20 1 0.41
    3 0.63 1.5 0.51
    5 0.85 2 0.56
    7 0.96 2.5 0.57
    10 0.96 3 0.75
    3.5 0.87
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    表  5   截割碎屑粒度分布及CI和SE汇总

    Table  5   Summary coarseness distribution and CI and SE

    截割间距/mm 不同截割间距下碎屑粒度占比/% CI 总质量/g SE/(MJ·m−3)
    >25 mm >15 mm >10 mm >5 mm >3.2 mm >1.43 mm >0
    自由 47.4 62 68.7 78.8 83.0 88.0 100 528 940 10.4
    20 20.7 44 55.3 68.5 75.5 82.3 100 446 309 13.3
    30 38.1 57.1 66.4 76.7 81.9 87.4 100 508 641 7.5
    40 53.4 67.5 73.7 82.9 87.2 91.1 100 556 944 6.1
    50 53.6 67 75.5 84.1 87.6 91.4 100 559 1 253 6.0
    60 52.9 67.6 74.8 84.3 88.3 92 100 560 984 8.0
    70 49.7 63.3 70.5 80.6 85.1 89.4 100 539 886 9.5
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  • [1]

    WANG Xiang,WANG Qingfeng,LIANG Yunpei,et al. Dominant cutting parameters affecting the specific energy of selected sandstones when using conical picks and the development of empirical prediction models[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2018,51(10):3111-3128. DOI: 10.1007/s00603-018-1522-1

    [2]

    LIU Songyong,CUI Xinxia,DU Changlong,et al. Method to determine installing angle of conical point attack pick[J]. Journal of Central South University of Technology,2011,18(6):1994-2000. DOI: 10.1007/s11771-011-0933-x

    [3]

    HEKIMOGLU O Z. Suggested methods for optimum rotative motion of point attack type drag tools in terms of skew angles[J]. International Journal of Mining Reclamation & Environment,2019(1):1-19.

    [4]

    BAO Ronghao,ZHANG Liangchi,YAO Qingyu,et al. Estimating the peak indentation force of the edge chipping of rocks using single point-attack pick[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2011,44(3):339-347. DOI: 10.1007/s00603-010-0133-2

    [5]

    BALCI C,TUMAC D. Investigation into the effects of different rocks on rock cuttability by a V-type disc cutter[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2012,30:183-193. DOI: 10.1016/j.tust.2012.02.018

    [6] 刘春生,宋杨. 不同楔入角的镐齿破岩截割力模型与仿真[J]. 黑龙江科技学院学报,2012,22(3):277-281,205.

    LIU Chunsheng,SONG Yang. Development and simulation of cutting force model on conical pick cutting rock at different wedge angles[J]. Journal of Heilongjiang Institute of Science and Technology,2012,22(3):277-281,205.

    [7]

    TUNCDEMIR H,BILGIN N,COPUR H,et al. Control of rock cutting efficiency by muck size[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45(2):278-288. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2007.04.010

    [8] 张倩倩,韩振南,张梦奇,等. 截齿破岩机制及截线间距优化试验研究[J]. 岩土力学,2016,37(8):2172-2179,2186.

    ZHANG Qianqian,HAN Zhennan,ZHANG Mengqi,et al. Experimental study of breakage mechanisms of rock induced by a pick and associated cutter spacing optimization[J]. Rock and Soil Mechanics,2016,37(8):2172-2179,2186.

    [9] 梁运培,王想,王清峰. 截割厚度与截线距对镐型截齿破岩力学参数的影响[J]. 振动与冲击,2018,37(3):27-33.

    LIANG Yunpei,WANG Xiang,WANG Qingfeng. Effects of cut depth and cut spacing on tool forces acting on a conical pick in rock cutting[J]. Journal of Vibration and Shock,2018,37(3):27-33.

    [10] 逯振国,李长江,王洪斌,等. 截线间距与截齿截深的比值对截齿截割力的影响[J]. 煤炭技术,2022,41(2):203-205.

    LU Zhenguo,LI Changjiang,WANG Hongbin,et al. Effect of ratio of intersecting distance to cutting depth of pick on cutting force of pick[J]. Coal Technology,2022,41(2):203-205.

    [11]

    EVANS I. A theory of the picks cutting force for point-attack picks[J]. International Journal of Mining Engineering,1984,2(1):63-71. DOI: 10.1007/BF00880858

    [12]

    GOKTAN R M,GUNNES N. A semi-empirical approach to cutting force prediction for point-attack picks[J]. South African Institute of Mining & Metallurgy,2005,105(2):257-263.

    [13] 王立平,蒋斌松,张翼,等. 基于Evans截割模型的镐型截齿峰值截割力的计算[J]. 煤炭学报,2016,41(9):2367-2372.

    WANG Liping,JIANG Binsong,ZHANG Yi,et al. Calculation of peak cutting force of conical picks based on Evans' cutting model[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(9):2367-2372.

    [14] 王立平,蒋斌松,张强. 镐型截齿截槽非对称的峰值截割力计算[J]. 煤炭学报,2016,41(11):2876-2882.

    WANG Liping,JIANG Binsong,ZHANG Qiang. Calculation of peak cutting force of conical picks under conditions of dissymmetrical slotting[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(11):2876-2882.

    [15]

    NISHIMATSU Y. The mechanics of rock cutting[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1972,9(2):261-270.

    [16] 牛东民. 煤炭切削力学模型的研究[J]. 煤炭学报,1994,19(5):526-530.

    NIU Dongmin. Mechanical model of coal cutting[J]. Journal of China Coal Society,1994,19(5):526-530.

    [17]

    LI Xuefeng,WANG Shibo,GE Shirong,et al. A theoretical model for estimating the peak cutting force of conical picks[J]. Experimental Mechanics,2018,58(5):709-720. DOI: 10.1007/s11340-017-0372-1

    [18] 张强,张晓宇. 不同卸荷工况下采煤机滚筒截割性能研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版),2022,41(1):91-99,158.

    ZHANG Qiang,ZHANG Xiaoyu. Research on cutting performance of shearer drum under different coal unloading condition[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),2022,41(1):91-99,158.

    [19] 麻晓红,于信伟,芦玉梅,等. 复杂煤层采煤机滚筒载荷的数值模拟[J]. 黑龙江科技学院学报,2012,22(1):42-46.

    MA Xiaohong,YU Xinwei,LU Yumei,et al. Numerical simulation of shearer drum loads on complex coal seam[J]. Journal of Heilongjiang Institute of Science and Technology,2012,22(1):42-46.

    [20]

    YASER D,MASOUD S,VAHID C. Empirical mode decomposition and fourier analysis of caspian sea level's time series[J]. Ocean Engineering,2022,252(15):1-10.

    [21]

    BILGIN N,DEMIRCIN M A,COPUR H,et al. Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2006,43(1):139-156.

  • 期刊类型引用(9)

    1. 刘建功,张党育,谢国强,卢新明,刘扬,杨军辉,赵家巍. 煤矿立体生态矿山建设技术研究. 中国煤炭. 2025(01): 2-11 . 百度学术
    2. 张子航,刘扬,杨尚青,薄灿,张子峣,李明泽. 固体密实充填自适应滑模路径跟踪控制研究. 中国煤炭. 2025(01): 57-66 . 百度学术
    3. 付祖冈,张定堂,李帅,闫善飞. 超长工作面大采高矸石充填技术研究与应用. 煤炭技术. 2024(04): 79-83 . 百度学术
    4. 潘虹,陈江萍,王玉芳. 基于混合遗传算法的皮革产业固废运输路径优化研究. 中国皮革. 2024(04): 55-58 . 百度学术
    5. 张强,张吉雄,杨康,巨峰,黄鹏,王云搏,吕浩南. 综合机械化放顶煤充填开采技术构想及理论框架研究. 中国矿业大学学报. 2024(03): 469-482 . 百度学术
    6. 朱磊,刘成勇,宋天奇,古文哲,成超,赵萌烨,吴玉意,黄剑斌,袁超峰. 煤矿井下浆体充填智能化系统研究与应用. 煤矿安全. 2024(08): 242-248 . 百度学术
    7. 董宪姝. 选煤固废资源化利用研究进展. 煤炭工程. 2024(10): 108-121 . 百度学术
    8. 胡忍. 浅析煤矿充填开采工艺设计研究. 内蒙古煤炭经济. 2023(19): 37-39 . 百度学术
    9. 刘具,秦坤. 我国煤炭绿色开采技术进展. 矿业安全与环保. 2023(06): 7-15 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-14
  • 修回日期:  2023-07-19
  • 网络出版日期:  2023-09-03
  • 刊出日期:  2023-08-30

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