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截齿破岩过程的力学行为试验研究

王学志  
【摘要】:截齿破岩过程是截齿-煤岩体相互作用的复杂过程。截齿破岩与破岩参数、截割模式、煤岩物理力学性质等密切相关。截齿破岩机理是采掘装备截割机具设计、截割参数规划、采掘装备选型的重要理论依据。本文以截齿破岩机理为基础,主要进行了煤岩截割力学行为及其断裂机理研究,应用试验方法及PFC2D离散元仿真方法从宏观、微观去解释截齿破岩过程;进行了不同截割模式破岩性能的研究以及截齿破岩比能耗的研究。本论文主要得出的结论如下:(1).截齿破岩过程包括:初始挤压阶段,载荷及温度呈线性增加,岩石表面几乎无碎屑产生;稳定挤压阶段,载荷呈锯齿状增加,岩石表面产生少量的碎屑,温度曲线出现拐点;大块岩石崩落阶段,载荷急剧下降,温度减小,岩石表面产生大块粒度。截齿破煤过程:截齿初始挤压阶段,载荷及温度线性增加,煤表面产生少量碎屑;稳定挤压阶段,载荷及温度线性均出现拐点,呈增加趋势,煤表面产生大量碎屑;大块岩石剥离阶段,载荷平缓减小,温度减小,有大块碎粒产生。(2).截割参数对煤岩截割过程的影响:截割载荷与粒度分布指数随着截割比能耗的增加而增加;截割比能耗与截割温度随着截割厚度的增加而减小;截割载荷与截割厚度呈线性关系,粒度分布指数、截割比能耗与截割厚度呈幂函数关系,并且都具有较高的相关性;在截齿安装角为55°时,截割载荷、比能耗和截割温度最大,粒度分布指数的值最小;在截齿安装角为45°时,截割载荷、比能耗和截割温度最小,粒度分布指数的值最大;粒度分布指数越大,大块碎屑所占的比例越大,比能耗的值越小,截割温度越低,粒度分布指数越小得到相反的结果。(3).截齿破岩PFC2D离散元仿真,截齿破岩微观失效以受拉失效为主。截割厚度对岩石的破坏形式有很重要的影响,当截割厚度d=2mm,d=3mm时,截齿破岩过程岩石主要以颗粒状破坏,并且裂纹以微观裂纹为主,破碎形式为延性破坏;当d=4mm,d=5mm时,截齿与岩石在齿尖出产生应力集中,并且产生了宏观裂纹,岩石以块状形式崩落,截割厚度越大,产生的宏观裂纹的数量越多,煤岩的破碎形式从延性破坏向脆性破碎转化。(4).半封闭截割模式是一种耗能的截割模式,并且不利于大块碎粒的形成;自由截割模式是一种省能的截割模式,有利于大块碎粒的形成且截齿的磨损较少;重复截割模式结果表明:最佳的截割间距与截割厚度的比值(S/d)为约5。(5).通过研究得出比能耗与煤岩力学性能之间的相关性,得出比能耗与单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度、点载荷的相关性比较好,与泊松比的相关性较差;通过相关性分析得出,表明影响比能耗SE的关键影响因素是单轴抗压强度、弹性模量,进而建立了比能耗与单轴抗压强度、弹性模量的多元回归关系式SE=exp(aσc+bE+c),其中:a的值间于0.158到0.247;b的值等于0.01;c常数,大小与截割参数相关。通过研究比能耗SE与粒度分布指数CI的相关性得出,比能耗SE与粒度分布指数CI存在幂函数关系,并且比能耗SE随着粒度分布指数CI的增加而减小,可以将粒度分布指数CI作为评价煤岩可截割性的一个指标。


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