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深部煤层低能耗截割原理及开采工艺研究

刘泗斐  
【摘要】:为解决我国能源缺口,提高能源安全稳定性,需加快深部能源开发利用。为适应深部复杂的“五高两扰动”地质条件,解决深部煤层截割效率和可靠性低等问题,打破单纯以增加功率提高截割能力为思路的机械设计瓶颈,在不增加功率和几何尺寸的条件下,解决深部煤层截割效率和可靠性低等问题,为实现深部采掘机械自动化和智能化水平打下基础。本文基于采矿工程和机械设计学科交叉,综合采用理论分析与计算、实验研究、以及数值计算相结合的研究方法,从煤岩性质出发,开展了煤岩单截齿截割实验,建立了煤岩截割力模型与截割能耗模型,探讨了截割诱导煤壁动态损伤机理,提出了局部卸载诱导煤岩自裂方法,形成了以诱导煤岩损伤为核心的低能耗截割原理和开采工艺,并提出了煤岩截割的自适应调控策略。主要成果如下:(1)开展了全尺寸单截齿煤岩截割实验,研究了截割深度和截割速度对截割力和截割能耗的影响规律,分析了截割声发射的特征。煤岩截割力受截割深度影响显著,随截割深度的增大而增大。煤岩截割能耗随截割深度和截割速度的增加而减小。声发射能反映截割过程的三个阶段,峰值截割力处的声发射波形具有相同主频、相同功率谱密度(PSD)面积等,可利用声发射特征预测峰值截割力的出现。(2)建立了基于格里菲斯强度理论的煤岩截割峰值截割力模型和截割能耗模型,揭示了煤岩截割破坏机理。采用3D扫描技术研究了密实核深度,探讨了密实核的作用,得到了破坏深度的计算公式。建立了考虑密实核韧性破坏的峰值截割力模型,实验值与理论值的平均误差为12.14%。建立了考虑裂纹扩展破坏的煤岩截割比能耗模型,实验值与理论值的平均误差为11.35%。截割力和截割比能耗模型均比较符合实际。(3)分析了采煤机械扰动信号特征,提出了煤壁动态损伤机理,研究了煤岩损伤对截割的影响,揭示了低能量扰动对煤岩诱导截割的机理。采煤机械对煤壁的扰动属于低频扰动,能量主要集中在7-12Hz。根据振动波的传播与作用,提出了深井工作面煤壁的动态损伤理论,煤壁呈分区分层破坏。随着损伤因子增大,岩石破坏逐渐向脆性破坏模式转化,煤岩破碎块度增大,截割力和能耗降低。(4)分析了深部煤层储能特征,研究了局部卸载对煤岩的扰动作用,探讨了中部切槽对煤岩截割的影响,揭示了局部卸载对煤岩诱导截割的机理。深部煤层储存了大量的弹性能,可采用相关扰动实现煤层储能的激发、释放和利用。建立了深部煤层在局部卸载作用下的波动方程,模拟了煤岩自裂过程,卸载处煤岩以剪切破坏为主。研究了深部煤层中部切槽诱导截割。中部切槽诱导截割能显著降低煤岩截割的峰值截割力和截割能耗,同时提高煤岩截割的块煤率。(5)提出以煤岩损伤为核心的深部煤层低能耗截割原理,探讨了三滚筒采煤机的低能耗截割工艺,并进行了验证与评价。以煤岩损伤为核心的深部煤层低能耗截割原理包括四个部分,分别为高地应力致使煤岩损伤、采掘机械扰动诱导煤岩动态损伤、局部卸载诱导煤岩波动损伤和中部切槽解除应力边界。三滚筒采煤机适用于深部煤层的低能耗诱导开采技术,应采用不留三角煤的采煤工艺。深部煤层低能耗诱导开采能有效降低深部煤层的截割力和截割能耗,具有显著的技术经济和社会环境效益。(6)研制了新型测温截齿,实现了煤岩截割模式识别,提出了煤岩自适应截割策略。研制了矿用测温截齿,实现了温度信号感知、温度信号采集、防振动和密封与防爆。煤岩截割温度随截割深度、截割速度和岩石强度的增加而增大。建立了截割温度的面板数据模型,得到了煤岩截割温度特征向量,实现对煤岩截割模式的识别。根据煤岩截割模式的不同,提出了“先调速再调高”的自适应调控策略。论文有图123幅,表19个,参考文献208篇。


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